Определение стратегически важных металлов в графитистых образованиях методом нейтронно-активационного анализа с калифорниевым источником

Методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) с использованием оригинальной установки с радионуклидным источником нейтронов на основе ²⁵²Cf определены Au, Sc, La, Sm, Eu и Dy на уровне, сопоставимом с их кларковыми содержаниями, в графитоносных породах юга Дальнего Востока. Ключевым преимуществом ИНАА при анализе труднорастворимых углеродсодержащих материалов является недеструктивный характер метода. Предлагаемый методический подход позволяет обойтись без сложной процедуры разложения образца, отделения аналита и связанных с этим проблем (загрязнение и потери). Показано отсутствие значимого влияния содержащегося в образцах углерода на результаты ИНАА при внесении в зону активации до 300 см³ вещества с содержанием не менее 87 % масс. углерода. Для определяемых элементов рассчитан предел обнаружения: подтверждена возможность определения Sc, La, Sm, Eu, Dy в природных высокоуглеродистых объектах содержания на уровне ниже кларка. Не выявлено значимой зависимости результатов ИНАА от плотности и крупности исследуемых образцов. Сравнение результатов определения стратегически важных металлов в графитоносных метаморфических породах юга Дальнего Востока для двух различных вариантов ИНАА (реакторного и с радионуклидным источником ²⁵²Cf) показало, что данные, полученные нами с калифорниевым источником для большинства определяемых элементов хорошо согласуются с результатами, которые были получены ранее с использованием реактора ВВР-М в Петербургском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова. При этом возможность облучения образцов объемом 50 – 100 см³ обеспечивает высокую представительность пробы при активации изотопом ²⁵²Cf. Метод ИНАА с радионуклидным источником ²⁵²Cf пригоден для анализа углеродсодержащих материалов на содержание микроэлементов, определение которых затруднено вследствие сложной пробоподготовки и необходимости отделения аналита.

1. Hu Y., You M., Liu G., et al. The potential utilizing of critical element from coal and combustion residues / Energies. 2021. Vol. 14. N 15. P. 4710. DOI: 10.3390/en14154710

2. Wu Y. F., Evans K., Fisher L. A., et al. Distribution of trace elements between carbonaceous matter and sulfides in a sediment-hosted orogenic gold system / Geochim. Cosmochim. Acta. 2020. Vol. 276. P. 345 – 362. DOI: 10.1016/j.gca.2020.03.006

3. Шепель Е. В., Аюпова Н. Р., Рассомахин М. А., Хворов П. В. Торий-уран-редкоземельная минерализация угаханского золоторудного месторождения в углеродистых сланцах, бодайбинский рудный район (Иркутская область) / Минералогия. 2021. Т. 7. № 3. С. 78 – 93. DOI: 10.35597/2313-545X-2021-7-3-5

4. Лапидус А. Л., Худяков Д. С., Бейлина Н. Ю. и др. Твердые горючие ископаемые как источник микроэлементов / Химия твердого топлива. 2022. № 1. C. 3 – 18. DOI: 10.31857/S0023117722010030

5. Ханчук А. И., Плюснина Л. П., Руслан А. В. Новый генетический тип золотой минерализации в графитоносных породах Приморья / Материалы международной конференции «Золото Фенноскандинавского щита», Петрозаводск, Карельский научный центр РАН, 2013. С. 176 – 179.

6. Шевелев Г. А., Василенко Л. И., Каменская Э. Н. и др. Благородные и редкие металлы в некоторых месторождениях угля Казахстана / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 1. Ч. II. С. 38 – 44. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-1-II-38-44

7. Вялов В. И., Кузеванова Е. В., Нелюбов П. А. и др. Редкометалльно-угольные месторождения Приморья / Разведка и охрана недр. 2010. № 12. С. 53 – 57.

8. Ханчук А. И., Плюснина Л. П., Руслан А. В. и др. Природа графитизации и благороднометальной минерализации в метаморфитах северной части Ханкайского террейна, Приморье / Геология рудных месторождений. 2013. Т. 55. № 4. С. 261 – 281. DOI: 10.7868/S0016777013040047

9. Еськина В. В., Дальнова О. А., Турсунов Л. Х. и др. Определение натрия в высокочистом графите методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии высокого разрешения с непрерывным источником спектра / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 1. С. 5 – 7.

10. Середин В. В. Распределение и условия формирования благороднометального оруденения в угленосных впадинах / Геология рудных месторождений. 2007. Т. 49. № 1. С. 3 – 36. DOI: 10.1134/S1075701507010011

11. Pinto F. G., Junior R. E., Saint’Pierre T. D. Sample preparation for determination of rare earth elements in geological samples by ICP-MS: a critical review / Anal. Lett. 2012. Vol. 45. N 12. P. 1537 – 1556. DOI: 10.1080/00032719.2012.677778

12. Силачев И. Ю. Комплексирование инструментального нейтронно-активационного и рентгенофлуоресцентного анализа для определения содержания редкоземельных элементов в геологических образцах / Журн. аналит. химии. 2020. Т. 75. № 7. С. 616– 628. DOI: 10.31857/S0044450220070142

13. Liu Y., Wan B., Xue D. Sample digestion and combined preconcentration methods for the determination of ultra-low gold levels in rocks / Molecules. 2019. Vol. 24. N 9. P. 1778. DOI: 10.3390/molecules24091778

14. Cui T., Yu M., Yang Y. The epithermal neutron activation analysis of mineral ores driven by an electron linear accelerator-based photoneutron source / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2023. Vol. 1048. P. 167878. DOI: 10.1016/j.nima.2022.167878

15. Das D. D., Sharma N., Chawla P. A. Neutron activation analysis: An excellent nondestructive analytical technique for trace metal analysis / Crit. Rev. Anal. Chem. 2023. DOI: 10.1080/10408347.2023.2178841

16. Kanwar V. S., Sharma A., Srivastav A. L., Rani L. Phytoremediation of toxic metals present in soil and water environment: a critical review / Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. Vol. 27. P. 44835 – 44860. DOI: 10.1007/s11356-020-10713-3

17. Ahmed M. E., Bounouira H., Abbo M. A., et al. Utilizing the k0-IAEA program to determine rare earth elements in soil samples from gold-mining areas in Sudan / J. Radioanal. Nucl. Chem. 2023. Vol. 332. N 6. P. 1707 – 1721. DOI: 10.1007/s10967-023-08886-5

18. Begum M., Khan R., Roy D. K., et al. Geochemical characterization of Miocene core sediments from Shahbazpur gas-wells (Bangladesh) in terms of elemental abundances by Instrumental Neutron Activation Analysis / J. Radioanal. Nucl. Chem. 2021. Vol. 329. N 1. P. 239 – 252. DOI: 10.1007/s10967-021-07770-4

19. Attallah M. F., Abdou F. S., Aly H. F. Microanalysis and signature of rare earth elements in geochemical samples using neutron activation analysis / Radiochim. Acta. 2021. Vol. 109. N 3. P. 225 – 232. DOI: 10.1515/ract-2020-0101

20. Khan R., Mohanty S., Sengupta D. Elemental distribution in core sediments of Podampata coast, eastern Odisha, India: potentiality of rare earth elements and Th exploration / Arabian J. Geosci. 2021. Vol. 14. P. 1 – 11. DOI: 10.1007/s12517-020-06371-x

21. Fungaro D. A., Silva P. S. C., Izidoro J. C., Hower J. C. Trace elements in coal, coal combustion products and soil from coal-fired power plant area evaluated by neutron activation analysis / J. Phys. Chem. Res. 2021. Vol. 3. N 1. P. 1 – 7. DOI: 10.36266/JPCR/130

22. Samanta S. K. Sengupta A., Acharya R., Pujari P. K. Standardization and validation of k0-based Neutron Activation Analysis using Apsara-U reactor and its application to pure iron metal and coal sample for trace element determination / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2021. Vol. 1018. P. 165856. DOI: 10.1016/j.nima.2021.165856

23. Mhlongo S., Buffler A., Hutton T., Ndabeni Z. A multimodal neutron-based technique for the elemental analysis of materials in bulk / J. Phys.: Conf. Ser. 2023. Vol. 2586. N 1. P. 012126. DOI: 10.1088/1742-6596/2586/1/012126

24. Ghosh M., Chavan T. A., Reddy G. L. N., et al. Determination of Impurities in Graphite Using Proton Induced Gamma Ray Emission, Total Reflection X-ray Fluorescence and Instrumental Neutron Activation Analysis / Anal. Chem. Lett. 2022. Vol. 12. N 4. P. 437 – 450. DOI: 10.1080/22297928.2022.2108722

25. Munita C. S., Glascock M. D., Hazenfratz R. Neutron activation analysis: an overview. In the book: Recent advances in analytical techniques. Vol. 3. (Ed. by Atta-ur-Rahman, S. A. Ozkan). — Bentham Science Publishers, 2019. P. 179 – 227.

26. Музафаров А. М., Мустафоев М. А., Кулматов Р. А., Шарафутдинов У. З. Анализ золота и сопутствующих элементов в ионообменных смолах с помощью инструментального нейтронно-активационного метода / Горный информационно-аналитический бюллетень (науч.-технич. журн.). 2021. № 3 – 1. С. 110 – 118. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_110

27. Ivannikov S., Markin N., Golub A., Zheleznov V. Determination of uranium-238 in solid materials of various compositions by instrumental neutron activation analysis with a radionuclide neutron source based on Cf-252 / J. Radioanal. Nucl. Chem. 2023. Vol. 332. N 9. P. 3753 – 3761. DOI: 10.1007/s10967-023-09076-z

28. The NDC k0-database 2015. Web site of the k0-International scientific committee. http://www.kayzero.com/k0naa/k0naaorg/ Links.html (дата обращения 17.12.2023).

29. Смагунова А. Н., Карпукова О. М. Методы математической статистики в аналитической химии. — М.: Юрайт, 2023. — 364 с.

30. Строгов Ю. В. Основы нейтронной физики: уч. пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 204 с.

31. Kuselman I., Fajgelj A. IUPAC/CITAC Guide: Selection and use of proficiency testing schemes for a limited number of participants — chemical analytical laboratories (IUPAC Technical Report) / Pure Appl. Chem. 2010. Vol. 82. N 5. P. 1099 – 1135. DOI: 10.1351/PAC-REP-09-08-15

32. Ketris M. P., Yudovich Y. E. Estimations of Clarkes for Carbonaceous biolithes: World averages for trace element contents in black shales and coals / Int. J. Coal Geol. 2009. Vol. 78. N 2. P. 135 – 148. DOI: 10.1016/j.coal.2009.01.002

33. Rudnick R. L., Gao S. Composition of the continental crust / Treatise Geochem. 2nd edition. 2005. Vol. 4. P. 1 – 51. DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00301-6

34. Ханчук А. И., Андросов Д. В., Молчанов В. П. Первые данные о проявлениях благороднометально-редкоземельной минерализации в графитоносных породах северной окраины Ханкайского террейна / Докл. Академии наук. 2018. Т. 482. № 6. С. 705 – 707. DOI: 10.31857/S086956520002955-3

35. Зиновьев В. Г., Митропольский И. А., Окунев И. С., Шуляк Г. И. Исследования проявления золотого оруденения в углеродистых породах методом инструментального нейтронного активационного анализа (ИНАА) в ПИЯФ КНЦ — Материалы международной конференции «Золото Фенноскандинавского щита». Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2013. С. 163.