EA042337B1

EA042337B1 - COAL ELEMENTAL ANALYSIS METHOD

Info

Publication number: EA042337B1
Application number: EA202290690
Authority: EA
Inventors: Юрий Пак; Дмитрий Юрьевич Пак; Гульназира Сериковна Шаихова; Виталий Владимирович Журов; Рымтай Токеновна Шаймерденова; Дмитрий Анатольевич Инкин; Диана Андреевна Ибрагимова; Айжан Сериковна Тусупова
Original assignee: Юрий Пак
Filing date: 2022-02-19
Publication date: 2023-02-06

Description

Изобретение относится к ядернофизическим способам анализа углей. Оно может быть использовано для экспрессного определения концентрации элементов в процессе разведки, добычи и переработки в геологоразведке и горнодобывающей отрасли.The invention relates to nuclear physics methods for the analysis of coals. It can be used for express determination of the concentration of elements in the process of exploration, production and processing in the exploration and mining industry.

Широко известен радиоизотопный рентгенорадиометрический метод, основанный на облучении анализируемого материала гамма-излучением и измерении интенсивности рентгеновской флуоресценции определяемого элемента.The radioisotope X-ray radiometric method is widely known, based on irradiating the analyzed material with gamma radiation and measuring the X-ray fluorescence intensity of the element being determined.

Способ характеризуется значительной погрешностью в условиях наличия в анализируемом веществе элементов с близкими атомными номерами (Рентгенорадиометрический метод при поисках и разведке рудных месторождений. Очкур А.П., Томский И.В., Яншевский Ю.П. и др. Л. Недра, 1985, с. 204).The method is characterized by a significant error in the presence of elements with similar atomic numbers in the analyzed substance (X-ray radiometric method in the search and exploration of ore deposits. Ochkur A.P., Tomsky I.V., Yanshevsky Yu.P. et al. L. Nedra, 1985 , p. 204).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является рентгенорадиометрический способ, основанный на облучении вещества гамма-излучением и регистрации рентгеновского флуоресцентного излучения элементов с помощью избирательного (селективного) фильтра (Пак Ю.Н., Пак Д.Ю. Ядерные технологии в геофизических исследованиях. Караганда, изд-во КарГТУ, 2016, с. 147-148).The closest in technical essence and the achieved result is the X-ray radiometric method based on the irradiation of a substance with gamma radiation and the registration of X-ray fluorescent radiation of elements using a selective (selective) filter (Pak Yu.N., Pak D.Yu. Nuclear technologies in geophysical research. Karaganda, publishing house of KSTU, 2016, pp. 147-148).

Недостатком известного способа является невысокая чувствительность анализа в присутствии элемента, близкого по атомному номеру с определяемым элементом.The disadvantage of this method is the low sensitivity of the analysis in the presence of an element close in atomic number to the element being determined.

Задачей изобретения является повышение чувствительности определения кобальта в углях в условиях наличия железа, близкого по атомному номеру элемента.The objective of the invention is to increase the sensitivity of the determination of cobalt in coals in the presence of iron, close in atomic number of the element.

Технический результат изобретения состоит в расширении сферы применения способа за счет повышения чувствительности элементного анализа.The technical result of the invention is to expand the scope of the method by increasing the sensitivity of elemental analysis.

Поставленная задача решается следующим образом. В процессе облучения угля гамма-излучением дополнительно стандартные образцы угля со средними значениями зольности, содержания железа и минимальным и максимальным содержаниями кобальта в минеральной части последовательно облучают гамма-излучением с различной энергией, превышающей энергию К-края поглощения кобальта (~7,7 кэВ), измеряют спектрально-энергетическое распределение вторичного излучения, выбирают энергию первичного гамма-излучения Е₀ и находят ширину энергетического интервала AEi в области рентгеновской флуоресценции кобальта (~6,9 кэВ), при которых обеспечивается максимальная дифференциация измеренной интенсивности рентгеновской флуоресценции при изменении содержания кобальта, а на угле неизвестного состава при выбранной энергии первичного гамма-излучения Е₀ и найденной ширине энергетического интервала AEi измеряют интенсивность рентгеновской флуоресценции N1 при избирательном фильтре из марганца, интенсивность рентгеновской флуоресценции N₂ без избирательного фильтра, а содержание кобальта и железа в угле определяют по измеренным интенсивностям N1 и N2.The problem is solved in the following way. In the process of coal irradiation with gamma radiation, additionally, standard samples of coal with average values of ash content, iron content, and minimum and maximum cobalt contents in the mineral part are sequentially irradiated with gamma radiation with different energies exceeding the energy of the K absorption edge of cobalt (~ 7.7 keV) , measure the spectral-energy distribution of the secondary radiation, select the energy of the primary gamma radiation E ₀ and find the width of the energy interval AEi in the cobalt X-ray fluorescence region (~ 6.9 keV), at which the maximum differentiation of the measured X-ray fluorescence intensity is ensured with a change in the cobalt content, and at the angle of unknown composition at the selected energy of primary gamma radiation E ₀ and the found width of the energy interval AEi, the intensity of X-ray fluorescence N1 is measured with a selective manganese filter, the intensity of X-ray fluorescence N ₂ without a selective filter, and with the content of cobalt and iron in coal is determined from the measured intensities of N1 and N2.

Основная трудность раздельного определения кобальта и железа в углях состоит в близости энергий рентгеновской флуоресценции кобальта (6,9 кэВ) и железа (6,4 кэВ). Конечное энергетическое разрешение современных пропорциональных детекторов в длинноволновой части спектра создает сложность детектирования в силу наложения рентгеновских флуоресценции этих элементов. Для повышения избирательности рентгенофлуоресцентного анализа угля на кобальт и железо используется селективный фильтр из марганца, энергия К-края поглощения которого (6,5 кэВ) заключена в интервале между энергиями флуоресцентного излучения кобальта и железа. Действие избирательного фильтра основано на резко различном ослаблении фильтрующим материалом излучений с энергией чуть менее и чуть более энергии К-края поглощения фильтра.The main difficulty in the separate determination of cobalt and iron in coals lies in the closeness of the X-ray fluorescence energies of cobalt (6.9 keV) and iron (6.4 keV). The finite energy resolution of modern proportional detectors in the long-wavelength part of the spectrum makes detection difficult due to the superposition of the X-ray fluorescence of these elements. To increase the selectivity of X-ray fluorescence analysis of coal for cobalt and iron, a manganese selective filter is used, the energy of the K-absorption edge of which (6.5 keV) lies in the interval between the fluorescent radiation energies of cobalt and iron. The action of the selective filter is based on a sharply different attenuation by the filter material of radiation with an energy slightly less and slightly more than the energy of the filter's K-absorption edge.

В практике рентгенофлуоресцентного анализа выбор энергии первичного гамма-излучения осуществляют как правило из условия Е₀>Е_К, а ширину энергетического интервала АЕ в области аналитических линий определяемых элементов выбирают с точки зрения минимизации статистической погрешности. Такие методические подходы не способствуют обеспечению высокой чувствительности рентгенофлуоресцентного анализа легких веществ, к каким относится уголь.In the practice of X-ray fluorescence analysis, the choice of energy of primary gamma radiation is usually carried out from the condition E ₀ > E _K , and the width of the energy interval AE in the region of analytical lines of the elements being determined is chosen from the point of view of minimizing the statistical error. Such methodological approaches do not contribute to ensuring high sensitivity of X-ray fluorescence analysis of light substances, which include coal.

Исследования на стандартных образцах угля с минимальным и максимальным содержанием кобальта как наиболее тяжелого золообразующего элемента показали необходимость актуализации научнометодического подхода к выбору энергии первичного гамма-излучения и ширины энергетического интервала AEi в области флуоресцентного излучений железа и кобальта (6,4-6,9 кэВ) с точки зрения достижения максимальной чувствительности рентгенофлуоресцентного анализа угля. Последовательно облучают стандартные образцы гамма-излучением с различной энергией первичного излучения, измеряют спектрально-энергетическое распределение вторичного излучения, выбирают энергию первичного гамма-излучения Е₀ и находят ширину энергетического интервала AEi в области флуоресцентного излучения кобальта, при которых достигается максимальная дифференциация интенсивности рентгеновской флуоресценции при изменении содержания кобальта. Уголь неизвестного состава облучают гаммаизлучением с выбранной энергией Е₀, измеряют при найденной ширине энергетического интервала AEi интенсивность рентгеновской флуоресценции N1 при избирательном фильтре из марганца, интенсивность рентгеновской флуоресценции N2 без фильтра. По измеренным интенсивностям N1 и N2 определяют содержание кобальта и железа.Studies on standard samples of coal with a minimum and maximum content of cobalt as the heaviest ash-forming element showed the need to update the scientific and methodological approach to choosing the energy of primary gamma radiation and the width of the energy interval AEi in the region of fluorescent radiation of iron and cobalt (6.4-6.9 keV) in terms of achieving maximum sensitivity of X-ray fluorescence analysis of coal. The standard samples are sequentially irradiated with gamma radiation with different energies of the primary radiation, the spectral-energy distribution of the secondary radiation is measured, the energy of the primary gamma radiation E ₀ is selected and the width of the energy interval AEi in the cobalt fluorescent radiation region is found, at which the maximum differentiation of the X-ray fluorescence intensity is achieved at change in cobalt content. Coal of unknown composition is irradiated with gamma radiation with the selected energy E ₀ , at the found width of the energy interval AEi, the intensity of X-ray fluorescence N1 with a manganese selective filter, the intensity of X-ray fluorescence N2 without a filter are measured. The measured intensities of N1 and N2 determine the content of cobalt and iron.

Существенным отличием изобретения от прототипа является то, что дополнительно стандартныеThe essential difference between the invention and the prototype is that additional standard

--

Claims

coal samples with average values of ash content, iron content and minimum and maximum cobalt contents in the mineral part are successively irradiated with gamma radiation with different energies exceeding the energy of the K-absorption edge of cobalt (-7.7 keV), the spectral energy distribution of the secondary radiation is measured, and the energy is selected primary gamma radiation E _o and find the width of the energy interval AEj in the region of cobalt x-ray fluorescence (-6.9 keV), at which the maximum differentiation of the measured x-ray fluorescence intensity is ensured with a change in the cobalt content, and at an angle of unknown composition at a selected primary gamma- radiation E _o and the found width of the energy interval ΔΕί measure the intensity of x-ray fluorescence Νι with a selective filter of manganese, the intensity of x-ray fluorescence N ₂ without a selective filter, and the content of cobalt and iron in coal is determined from the measured intensity Νι and N ₂ .

The proposed method for elemental analysis of coal was tested on Shubarkol coals, in which the ash content varied within 8-16%. The average iron content is 5.6%. The content of cobalt varied in the range of 0.2-1.4%. The main part of the mineral (ash-forming) mass was aluminosilicate compounds. Radionuclide sources were used as primary emitters: tritium-zirconium targets (~8 keV), plutonium-238 (-16 keV) and cadmium-109 (~22 keV).

During successive irradiation of standard samples with the minimum and maximum cobalt contents, the spectral-energy distribution of the secondary radiation was measured. By processing the obtained spectra, we chose the energy of the primary gamma radiation and found the width of the energy interval ΔΕ^ in the region of the analytical line of cobalt (-6.9 keV), at which the maximum differentiation of the measured intensity is ensured.

Coal analysis was carried out on an X-ray fluorescence analyzer RRK-103. With the selected energy of primary gamma radiation 16 keV (plutonium-238) and the found width of the energy interval ΔΕΐ=6.1-7.4 keV, the maximum differentiation of the measured intensity of fluorescent radiation is ensured with a change in the cobalt content.

X-ray fluorescence analysis was carried out at selected optimal E _o and AE ^ by measuring the X-ray fluorescence intensity Νι with a manganese selective filter 3.8 mg/cm ² thick and the X-ray fluorescence intensity Ν ₂ without a filter.

The measured x-ray fluorescence intensities Νι and Ν ₂ characterize the regression equations, the joint solution of which determines the concentrations of cobalt and iron.

The table shows comparative data on the sensitivity of the proposed method and the prototype method.

Way Range Cobalt ----'% Iron Relative sensitivity to cobalt percent/% abs.

Proposed OD - 1.4 2.4 - 11.6 6.2

Prototype (E _o =8 keV) 0.2 - 1.4 2.4-11.6 3.9

Prototype (Eo-16 keV) 0.2 - 1.4 2.4-11.6 4.8

Prototype (Eo=22 keV) 0.2 - 1.4 2.4-11.6 4.2

The proposed method of elemental analysis of coal in comparison with the known prototype method is characterized by increased sensitivity to cobalt, which significantly expands the scope of the method.

CLAIM

A method for elemental analysis of coal, which consists in its irradiation with gamma radiation and registration of X-ray fluorescence of elements using a selective filter, characterized in that, additionally, standard samples of coal with average values of ash content, iron content and minimum and maximum cobalt contents in the mineral part are successively irradiated with gamma radiation with different energy exceeding the energy of the K-absorption edge of cobalt (-7.7 keV), measure the spectral-energy distribution of the secondary radiation, select the energy of the primary gamma radiation E _o and find the width of the energy interval ΔΕ, in the region of x-ray fluorescence of cobalt (-6.9 keV ), at which the maximum differentiation of the measured intensity of X-ray fluorescence is ensured with a change in the cobalt content, and at the angle of unknown composition at the selected energy of the primary gamma radiation E _o and the found width of the energy interval AEj, the X-ray intensity is measured gene fluorescence Νι with a manganese selective filter, the intensity of X-ray fluorescence Ν ₂ without a selective filter, and the content of cobalt and iron in coal is determined from the measured intensities Νι and Ν ₂ .

Eurasian Patent Organization, EAPO

Russia, 109012, Moscow, Maly Cherkassky per., 2