THE GERMANIUM CONCENTRATION DETERMINATION IN LIGNITE OF LOWER ANGARA REGION

Full Text

Введение. Монокристаллы германия применяются в полупроводниковых нанотехнологиях в качестве подложек для эпитаксиальных структур, необходимых для изготовления солнечных элементов на основе систем GaInP/GaInAs/Ge, являющихся эффективными фотопреобразователями (ФЭП) космического базирования [1-4]. Широкое внедрение ФЭП на основе германия сдерживается в настоящее время высокой его стоимостью, которая, в свою очередь, в значительной мере определяется стоимостью и дефицитностью сырья. В природе рудные месторождения германия являются редкостью, поэтому его производство за рубежом, как правило, связано с добычей и переработкой свинцово-цинковых либо полиметаллических сульфидных руд, которые содержат германий в количестве до 600 г/т [5]. В России и Китае основным источником германия являются угли [6]. Промышленные запасы германиеносного сырья сосредоточены в бурых углях и углистых породах (аргиллитах, алевролитах) на Сахалине, в Приморском крае и Читинской области. Содержание германия в углях составляет 150-350 г/т [7]. В настоящее время как перспективный источник германиевого сырья рассматриваются лигниты Красноярского края, залегающие в Нижнем Приангарье в бассейне среднего течения р. Енисей. Прогнозные ресурсы германия оцениваются в 19000 т [8; 9]. Сибирские лигниты - новый вид германиеносного сырья, малоизученный. В связи с этим настоящая работа направлена на разработку методики определения содержания германия в лигните, а также исследование его элементного состава. Экспериментальная часть. Известный метод ана-лиза углей, антрацитов, углистых аргиллитов и алевролитов включает озоление 12 г исследуемого материала при температуре 550-575 ºС в течение 4 ч и последующее разложение пробы при нагревании в смеси трех кислот (азотной, фтористоводородной и ортофосфорной) [10]. После отделения мешающих элементов путем экстракции четыреххлористым углеродом содержание германия определяется колориметрическим методом с использованием фенилфлуорона, вступающего в реакцию с германием с образованием комплексного соединения красного цвета. Помимо большой продолжительности анализа, составляющей почти 20 ч, данный метод требует применения токсичного четыреххлористого углерода и последующей его утилизации. Альтернативные технологические приемы спектрофотометрического определения [11] или извлечения германия из золы от сжигания углей микробиологическими методами [12] требуют еще более длительного процесса пробоподготовки. Предложенная нами методика выполнения измерений (МВИ) содержания германия в лигните включает следующие операции: озоление сырья, разложение зольной пробы в смеси концентрированных азотной и фтористоводородной кислот (1:2) и определение концентрации германия в растворе методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой с использованием спектрометра iCAP 6300 Duo (Thermo Scientific). Содержание германия в исходном сырье СGe (г/т) с учетом его аналитической влаги W (%) и зольности A (%) рассчитывается по формуле: где x - аналитический сигнал при длине волны 265 нм, г/см3; V - объем анализируемого раствора, см3; m - масса навески воздушно-сухой пробы, г. Озоление материала, также как в стандартной методике [10], проводили при температуре 550-575 ºС в течение 4 ч. Разложение зольных проб в смеси HNO3 и HF производили с использованием системы пробоподготовки Hot Block (Environmental Express). Время, необходимое для разложения пробы при температуре 100120 ºС, составляло 24 ч. Для защиты кварцевых деталей прибора, таких как распылительная камера, горелка и т. п., от воздействия непрореагировавшей фтористоводородной кислоты, добавляли 3-5 см3 10%-ого раствора борной кислоты. Объем охлажденного раствора доводили до 50 см3, предварительно добавив кадмий в качестве внутреннего стандарта из расчета содержания его в растворе - 2∙10-5 г/см3. Разработанная методика определения содержания германия, по сравнению со стандартной [9], позволяет сократить время пробоподготовки до 10 ч, уменьшить расход реагентов, исключить использование вредного химического вещества  четыреххлористого углерода и операцию его последующей утилизации. Использование предложенной методики пробоподготовки в сочетании с методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой позволяет не только определять концентрацию германия, но также проводить количественный элементный анализ лигнита и другого минерального германийсодержащего сырья. Для оценки метрологических характеристик аналитических измерений были отобраны 7 образцов различных сырьевых материалов с содержанием германия от 50 до 300 г/т. В течение десяти дней для каждого образца выполняли по два параллельных определения германия одним и тем же оператором без промежуточной калибровки аппаратуры. Результатом отдельного определения являлись измеряемые величины - показания прибора (концентрация (г/см3)) и расчетные величины (содержание германия в исходном сырье (г/т)). Результаты ежедневного определения содержания германия в каждом из семи образцов составляли одну группу. Для оценки промежуточной прецизионности как составляющей случайной погрешности, характеризующей результаты, полученные в одной лаборатории в разных условиях (ГОСТ Р ИСО 5725-2002), рассчиты-вали дисперсию SR2 (или соответствующее стандартное отклонение SR) для десяти групп измерений [13]. Результаты анализа для одной из десяти групп представлены в табл. 1, в которой содержатся также сведения об аналитической влаге и зольности германийсодержащего сырья, массе навески, величине сигнала прибора, а также расчетное значение содержания германия. Результаты расчета стандартных отклонений повторяемости и промежуточной прецизионности приведены в табл. 2. Данные представленные в табл. 2, охватывают диапазон содержания германия в образцах до 300 г/т и демонстрируют тенденцию немонотонного возрастания случайной погрешности измерения с ростом его содержания. В связи с этим для принятия опорных значений стандартных отклонений повторяемости и промежуточной прецизионности, целесообразно разбить данный диапазон на два участка: с содержанием германия менее 150 г/т и 150 - 300 г/т. Графические зависимости стандартного отклонения повторяемости и промежуточной прецизионности для двух диапазонов содержания германия в сырье при этом имеют вид, представленный на рисунке. Таблица 1 Результаты определения содержания германия в семи образцах для одной из групп Номер образца Тип образца Аналитическая влага, % Зольность, % Навеска, г Аналитический сигнал·106, г/см3 Содержание германия, г/т 1 Лигнит 4,08 41,84 0,1014 0,246 53 0,1006 0,242 52 2 Аргиллит 0,50 82,25 0,2577 0,718 115 0,2562 0,704 113 3 Лигнит 2,96 27,98 0,1014 0,879 125 0,1000 0,833 120 4 Лигнит 0,80 14,93 0,1005 1,831 137 0,1000 1,807 136 5 Уголь 4,80 26,93 0,1004 1,375 194 0,1015 1,370 191 6 Лигнит 0,80 4,08 0,1000 12,40 255 0,1000 12,18 250 7 Аргиллит 0,09 79,65 0,2515 1,779 282 0,2559 1,891 294 Таблица 2 Показатели качества МВИ Показатель Значения показателей Содержание германия, г/т 50,9 106,4 117,2 135,7 186,3 249,4 283,0 Sr, г/т - абсолютное стандартное отклонение повторяемости (по уровням и среднее) 1,6 1,4 1,5 1,0 2,6 2,4 3,9 1,37 2,97 Sr, % - относительное стандартное отклонение повторяемости (по уровням и среднее) 3,2 1,3 1,3 0,8 1,4 1,0 1,4 1,65 1,27 SR(t), г/т - абсолютное стандартное отклонение промежуточной прецизионности (по уровням и среднее) 1,9 3,4 3,1 1,3 6,4 3,3 6,4 2,43 5,37 SR(t), % - относительное стандартное отклонение промежуточной прецизионности (по уровням и среднее) 3,6 3,2 2,7 0,9 3,4 1,3 2,2 2,60 2,30 Зависимости стандартного отклонения повторяемости и промежуточной прецизионности для двух диапазонов содержания германия в сырье Для практического применения данного метода измерений значения прецизионности при значении измеряемой величины от 50 до 150 г/т составляют: - стандартное отклонение повторяемости - 1,4 г/т; - стандартное отклонение промежуточной прецизионности - 2,4 г/т. При этом относительная погрешность определения содержания германия не превышает 4 %. При содержании германия в сырье от 150 до 300 г/т стандартное отклонение повторяемости результатов измерений составляет 3,0 г/т и стандартное отклонение промежуточной прецизионности  5,4 г/т, а относительная погрешность определения содержания германия не превышает 2 %. Проведен количественный элементный анализ лигнитов. Установлено, что в их составе доминируют углерод (68) и кислород (27 мас. %). Из числа металлических элементов преобладают кремний (1,0), алюминий (0,5) и железо (0,4 мас. %). Среднее содержание германия в лигните составляет 0,02 мас. %, или 200 г/т. В табл. 3 приведены усредненные результаты определения элементного состава лигнита. Таблица 3 Элементный состав лигнита Элемент Содержание в лигните, мас. % Элемент Содержание в лигните, мас. % C 68 Ge 0,02 O 27 Na 0,002 Si 1,0 Cr 0,02 Al 0,5 Mg 0,03 Fe 0,6 V 0,01 Са 0,1 Co 0,007 К 0,1 Ni 0,01 Ti 0,1 Sc 0,001 Следует отметить наличие в лигнитах одного из самых редких и дорогостоящих металлов - скандия [14]. С учетом зольности лигнита, составляющей 5 %, содержание Sc в золе может превышать 150 г/т, что превышает минимальное содержание, позволяющее положительно оценивать энергетическое топливо как сырье для его получения [15]. Заключение. На основании результатов исследований, проведенных с использованием разработанной методики выполнения измерений, можно заключить, что германийсодержащие лигниты Красноярского края, залегающие в бассейне среднего течения р. Енисей, являются перспективным сырьем для получения германия и скандия.

About the authors

A. F. Shimanskiy

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: shimanaf@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

O. I. Podkopaev

JSC “Germanium”

1/107, Transportnuy Str., Krasnoyarsk, 660027, Russian Federation

S. A. Kopytkova

JSC “Germanium”

1/107, Transportnuy Str., Krasnoyarsk, 660027, Russian Federation

E. S. Balakchina

JSC “Germanium”

1/107, Transportnuy Str., Krasnoyarsk, 660027, Russian Federation

E. D. Kravtsova

Siberian Federal University

79, Svobodny Аv., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

References

Supplementary files