XRF技术的应用研究现状概述
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XRF技术的应用研究现状概述

1 引言

近年来, 随着科学需要以及国民需求的不断提高, 对XRF分析技术的要求也在不断提高。而计算机技术、探测技术及先进数学方法的不断突破, 同时为XRF分析技术提供了强有力的发展支撑。因此, 近年来基于各种基本原理、设计结构及应用领域的便携式、手持式XRF测量装置呈现蓬勃发展的态势, 可实现微量元素分析、现场原位分析以及在线测量等功能, 被广泛应用于工业现场、地质勘探、环境监测、考古研究以及生物、化学、药物等众多领域中[1-2]

2 XRF技术的特点

作为一种现场物质成分分析的重要手段, X射线荧光分析在元素原位分析中占据越来越重要的地位, 其具有其他方法不可比拟的优势和特点:对被分析样品可实现原位无损检测, 即对目标检测物表面测量时无需破坏其结构, 并与样品无直接接触;不受元素价态影响;可实现原子序数大于等于11的所有元素的多元素同时测量;分析精度高, 可达 (mg/g的高精度测量, 若通过富集等手段对样品进行处理, 甚至可达10-12g/g的痕量分析;测量时间短, 对样品可实现快速测量, 测量时间仅需几十秒。

3 XRF技术的应用研究现状

我国对XRF分析技术的研究始于20世纪50年代末, 主要用于科研院所和地质科学研究, 如矿石样本中稀土等元素含量及种类的分析研究。自20世纪80年代初开始, 由于各领域研究的不断融合和交叉, XRF技术被广泛用于各种领域, 其需求的旺盛和技术的落后促使了很多学者在X射线源、X射线探测器以及解谱元素分析方法上进行了大量的研究。经过几代人的努力, 在仪器制造方面EDXRF谱仪已在国内外市场占据重要份额, 低功率的WDXRF谱仪也已批量生产。在地质勘探、矿石冶金、石油化工、材料科学等众多工业领域中, 成为了一种占有重要地位的元素分析及质量控制的常用仪器之一, 并在生物化学、环境分析、文物保护、司法鉴证、新材料开发等众多领域获得了极为广泛的应用[3]

在线检测是XRF技术的重要应用部分, XRF在线检测系统被广泛应用于选矿过程控制、工业材料分析、环境监测等领域, 由于各方面的原因, 报道的相关文献并不是很多, 但根据不同工业要求的在线XRF检测系统的已逐渐走向成熟。

3.1 在矿浆品位、矿物浮选、水泥混配等领域研究及应用

国外对矿浆品位在线分析系统的研究开展得较早, 芬兰奥托昆普公司, 于1968年出售了第一台库里厄载流 (on-stream) 式分析仪。澳大利亚Amdel公司, 于1972年在Kanmantoo铜选厂投用了第一台在流 (instream) 式分析仪。后来, 又出现了旁流 (bystream) 式分析仪。其他各制造商, 如ARL、Hal Tison Co PPer、Bondar Clegg、Texas NUelear、Dmver Autonmetrics、Boliden等, 在70年代末或80年代进入市场, 销量都很有限, 采用的也是奥托昆普或Amdel的技术方案。在最近的几十年里, 矿浆品位在线分析仪器的开发及其广泛的应用, 有了引人注目的进展, 奥托昆普和Amdel各自推出了若干换代产品[4-6]

但是, 国外同类设备在国内的使用面临着诸多问题, 如:购置维护成本高、系统复杂不适应国情等诸多问题, 严重制约了该类仪器的广泛推广与使用。而另一方面, 国内众多中小矿山面临着对矿石品位在线监测的迫切需求, 对该类仪器设备的需求十分旺盛, 因此, 研制能适应我国国情的, 具有自主知识产权的国产同类仪器设备势在必行。

因此, 冶金部委托甘肃省冶金局、江西工业大学、宜黄县水泥厂、中国建筑材料科学研究院研制、中钢集团马鞍山矿山研究院等研究单位[7-8]分别应对不同的工况要求研制出不同的X荧光在线产品, 并得到示范应用。

3.2 XRF在线系统在煤炭领域研究及应用

目前, 在线测量系统应用于电厂的方式主要包括:对入炉煤的检测及对入厂煤的检测两种。对入炉煤的检测主要是要实现对煤炭燃烧的指导, 优化煤炭的配比使用等。对入厂煤的检测主要是要实现对来煤的质量检验, 并实现入场煤按煤质分类堆放的指导等。

由于XRF技术检测范围限制, 不能对煤炭中水分、灰分、热值进行测定, 但能对煤炭中S、Ca、Fe、Hg、Pb、Cr、Cd等重金属进行在线测量。比较典型的有前苏联的PA型X射线测硫仪, 波兰的MSC测硫仪及MSP91型黄铁矿硫测硫仪。澳大利亚也早在80年代就研制成了具有测硫功能的NUCO-ALYZER系列煤质分析仪。日本关西电力公司与加迪公司从1989年开始共同研制火力发电厂煤质自动在线分析系统, 1995年在长崎县松岛火力发电厂进行了现场试验, 验证了该装置的综合精度及可靠性。近年来, 芬兰的IMA、德国斯派克分析仪器公司等研制的煤炭在线检测系统得到较好的精度。

在国内方面, 我们国家“九五”科技攻关项目中对煤炭科学研究总院唐山分院研制的同位素硫分仪进行了支持, 并取得了有益的效果, 该项目的研制始于1996年, 经过两年的技术研发, 于1998年进行了工业性试验, 结果令人满意。该项目于1999年2月通过了国家相关组织机构的技术鉴定。鉴定认为:“ZTLY-1型智能同位素硫分仪”的研制成功, 填补了我国煤炭行业采用同位素X荧光技术快速、准确、无损测定煤样中硫分的空白。

3.3 XRF在线系统其他领域研究及应用

近几十年, XRF在线检测的研究及应用已扩展到其他很多领域。Sopok、Overman、Ujiharaetal等[9-10]在、电解、电镀等化学反应过程中的在线分析技术做了大量研究, 可对无电极的电镀过程实时监测。

在环境监测方面, XRF在线系统被应用于废水中的锕系和金属杂质测量、饮用水过滤中As元素监测、废气排放中金属微粒及气溶胶的测定、稀土元素溶剂萃取的控制等领域[11-12]

中国的Li et al.[13]把EDXRF应用在钢铁厂中实时监测铁矿石的等级, 该系统中考虑了含水量、基体效应以及谱的漂移等的影响。

4 小结

随着微电子技术、计算机技术、核技术和材料科学技术的发展, XRF在线分析技术逐渐完善, 将应用于更加广泛的部门和领域。