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Atomabsorptionspektrometrie Haupt- und Spurenelemente in Bergbau-Proben mit der HR-CS AAS bestimmen

Autor / Redakteur: Michaela Portala* und Oliver Büttel** / Dr. Ilka Ottleben

Proben der der Bergbauindustrie fordern die Analysentechnik durch ihre stark variierenden Elementgehalte in zumeist salzreicher Probenmatrix heraus. Eine einfache, kostengünstige und zugleich effiziente Alternative zur ICP-OES bietet die Methode der HR-CS Atomabsorptionspektrometrie.

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Abb. 2a: Absorptionsspektren der Bestimmung von Ni in Proben eines Kupferkonzentrats. Der orange Bereich markiert den zur Analyse ausgewerteten Wellenlängenbereich, die grüne Linie zeigt im Spektrum vorhandene Fremdelementlinien, die von der Analysenlinie aber deutlich getrennt sind und somit keine spektrale Störung hervorrufen.
Abb. 2a: Absorptionsspektren der Bestimmung von Ni in Proben eines Kupferkonzentrats. Der orange Bereich markiert den zur Analyse ausgewerteten Wellenlängenbereich, die grüne Linie zeigt im Spektrum vorhandene Fremdelementlinien, die von der Analysenlinie aber deutlich getrennt sind und somit keine spektrale Störung hervorrufen.
(Bild: Analytik Jena)

Die Bestimmung von Haupt- und Spurenelementen besitzt in Proben der Bergbauindustrie höchste Bedeutung. So bestimmt die Zusammensetzung der gewonnenen Erze die Richtung des weiteren Erzabbaus. Hilfsstoffe zur Weiterverarbeitung der Erze werden im Rahmen der Prozessüberwachung analysiert. Außerdem unterliegen die entstehenden Schlacken ständigen Kontrollen. Dies führt zu einem hohen Probenaufkommen mit einer Vielzahl zu bestimmender Parameter. Stark variierende Elementgehalte in zumeist salzreicher Probenmatrix fordern dabei eine robuste Analysetechnik, die es ermöglicht eine Vielzahl von Elementen schnell, präzise und störungsfrei zu bestimmen.

Die ICP-OES (induktiv gekoppeltes Plasma Optische Emissionsspektroskopie) war hier in den letzten Jahren gemeinhin die Analysentechnik der Wahl. Simultane beziehungsweise schnell-sequenzielle Multielementbestimmungen sowie ein weiter dynamischer Arbeitsbereich ermöglichen eine effiziente und schnelle Gehaltsbestimmung. Allerdings hat die Technik für diese Anwendung auch ihre Einschränkungen. So birgt der hohe Gehalt zahlreicher Übergangsmetalle durch deren Vielzahl an Emissionslinien die Gefahr spektraler Störungen, die dann durch geeignete Wahl der Analysenlinie und Korrekturmodelle beseitigt werden müssen. Zudem beeinträchtigt die hohe Salzfracht die physikalischen Bedingungen im Plasma, was eine Matrixangleichung der Kalibrierstandards erforderlich macht.

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HR-CS AAS: Vorteilhafte Alternative zur ICP-OES

Die hochauflösende Continuum Source Atomabsorptionspektrometrie (HR-CS AAS) bietet hier in Kombination mit einem flexiblen und leistungsfähigen Probengeber eine vorteilhafte Alternative zur ICP-OES. Die HR-CS AAS repräsentiert eine neue Generation von AAS-Systemen.

Als Strahlungsquelle dient eine Xenon-Kurzbogenlampe, die ein kontinuierliches Lichtspektrum aussendet und damit den gesamten interessierenden Spektralbereich abdeckt. Hierdurch wird die schnell-sequentielle Messung mehrerer Elemente ermöglicht. Die Echelle-Optik gewährleistet eine hohe Auflösung (2 pm bei 200 nm) und erlaubt die bestmögliche Trennung der Absorptionslinien. Spektrale Störungen werden so deutlich eingeschränkt. Der Probengeber ermöglicht die automatische Herstellung der Kalibrierstandards aus einer Multi-Element-Stocklösung und ist in der Lage, Proben automatisch und intelligent zu verdünnen. Die Software erlaubt dabei auch die individuelle Vorverdünnung einzelner Proben.

Analyse von Erzproben und Referenzmaterialen mit der HR-CS AAS

Im beschriebenen Beispiel wurden Erzproben und Referenzmaterialen verschiedenster Zusammensetzung nach Mikrowellenaufschluss analysiert. Hierbei wurden zwei Mehrelement-Methoden abgearbeitet, die jeweils die Elemente Ag, Fe, Zn, und Cu sowie Co, Ni, Mn, Pb und As schnell-sequenziell mit einer Luft-Acetylen-Flamme bestimmen. Dabei sind die Flammenparameter individuell für jedes Element optimiert. Den sehr unterschiedlichen Elementgehalten wurde durch eine angepasste Auswahl der Analysenlinien und automatisch vom Probengeber durchgeführte Vorverdünnungen Rechnung getragen. War eine weitere Verdünnung notwendig, weil der Elementgehalt der Probe den kalibrierten Bereich überschritt, wurde diese vom System automatisch berechnet und durchgeführt.

Die erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den zertifizierten Werten der Referenzmaterialien beziehungsweise mit Vergleichsmessungen der ICP bei der Probe S-5 überein. Die Wiederfindungsraten aller 20 gemessenen Referenzmaterialien liegen zwischen 92 und 107% (s. Abb. 3). Die Spektren einiger Elemente zeigen innerhalb des erfassten Spektralbereichs neben der Analysenlinie noch weitere Absorptionslinien (s. Abb. 2), die vor allem durch Eisen hervorgerufen werden. Aufgrund der hohen Auflösung des Systems findet aber keine direkte Linienüberlagerung statt. Die Messung wird nicht gestört. Aktuelle Versionen der Software ermöglichen zudem die simultane Auswertung mehrerer Analysenlinien im Messfenster.

Eine direkte Linienüberlagerung ist generell auf der Zn-Linie durch hohe Gehalte an Eisen zu beobachten, die jedoch durch eine Spektrenkorrektur ähnlich der in der ICP angewandten Techniken korrigiert werden kann. Bei den beschriebenen Bestimmungen konnte diese Linienüberlagerung aufgrund der vorliegenden hohen Probenverdünnung allerdings vernachlässigt werden.

* *M. Portala: Analytik Jena AG, NL Überlingen, 88662 Überlingen

* *O. Büttel:Analytik Jena AG, 07745 Jena

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