基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統和方法
2023-05-10 11:42:11
專利名稱：基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統和方法
技術領域：
本發明涉及稀土元素光譜特徵研究領域，特別是涉及一種基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統和方法。
背景技術：
地面反射光譜測量技術是一種快速、廉價、無損的獲取樣品波譜特徵的技術手段。光譜吸收特徵一般和物質成分具有密切聯繫，前人研究表明，與電子轉換和躍遷等過程相關的陽離子如Fe，Ti, Cr,稀土元素，在可見光-近紅外波段具有特徵吸收，而這些吸收特徵的位置、形狀、深度等參數是由元素的化學特性決定的。波譜吸收特徵及化學特徵之間的相關性研究已經在土壤學、礦物學及植被科學等領域得到了證實。其中描述光譜吸收特徵的參數——光譜吸收深度可以作為一種定量評估樣品化學組成的參數，已被應用在土壤學、礦物學及植被研究中。但是目前對稀土元素的光譜特徵及與其化學特性之間的關係的相關研究開展的很少，文獻可查的主要包括美國USGS波譜庫中測量了 Eu、Nd、Sm稀土氧化物的光譜；又如EntonBedini在光譜測量中發現了一含有稀土氧化物的碳酸巖類樣品的波譜，因為含有Nd元素，在可見光-近紅外波段0.58 μ m、0.74 μ m、0.80 μ m波段存在波譜吸收特徵。離子吸附性稀土礦是1969年在我國江西首次發現的一種新型稀土礦，該礦具有分布廣、儲量豐富、放射性低、稀土配分齊全，富含中重稀土元素等優點，廣泛分布在我國南方的江西、福建、湖南、廣東、廣西等省，其中江西省所佔份額最大。離子吸附型稀土礦中稀土元素主要以離子狀態吸附在粘土礦物中，一般採用化學浸取技術進行提取。離子吸附型稀土礦中稀土離子在遇到化學性質更活潑的陽離子(H+、NH4+等)能被其交換解吸，當離子吸附型稀土用鹽類電解質溶液淋洗時，稀土離子就會被交換下來，類似於離子交換過程。稀土元素的提取主要是加入鹽類等浸取劑在母液池中收集母液，因此不同母液池中存在不同濃度的稀土離子。由於某些礦區母液池溶液長期的地下滲透及不合理排放，稀土礦區周邊的河流也具有一定濃度的稀土離子，故本發明採集不同稀土濃度的水樣，通過波譜測量及化學分析，探討稀土元素在水體中的波譜特徵，並建立波譜特徵與稀土元素濃度之間的關係，這一研究對於溶液中稀土濃度快速反演具有重要意義。
發明內容
本發明公開了一種基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統和方法，基於地面反射光譜數據可以實現水體中稀土元素濃度的快速定量反演。所得成果可以用於稀土礦周邊河流中稀土汙染的定量-半定量快速評估，同時對其他介質中如風化殼或巖石中稀土濃度的定量-半定量研究起到了良好的啟示作用，另外還可以對稀土礦物及元素的航空及航天高光譜遙感的礦物信息提取研究提供理論及技術支撐。本發明的技術方案是:一種基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統，其特徵在於，包括稀土溶液水樣採集裝置、地物波譜儀、ICP-MS等離子體質譜儀及計算機；所述稀土溶液水樣採集裝置用於採集不同濃度的稀土溶液水樣，所述地物波譜儀用於對採集的不同濃度的稀土溶液水樣分別進行地面反射光譜測量，對於所測量的地面反射光譜分析確定對稀土濃度具有指示意義的特徵吸收谷分布特徵，所述ICP-MS等離子體質譜儀用於對採集的不同濃度的稀土溶液水樣分別進行稀土元素濃度測試；所述計算機根據得到的特徵吸收谷分布特徵，計算得出特徵吸收谷的相對吸收深度，並建立特徵吸收谷的相對吸收深度與稀土元素濃度之間的相關關係，得出稀土濃度定量評估模型。所述地物波譜儀為美國ASDFieldSpec3系列可攜式地物波譜儀。所述ICP-MS等離子體質譜儀為X-series等離子體質譜儀。所述稀土溶液水樣採集裝置包括若干具有適當容積的用於收集稀土溶液水樣的容器。一種基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，包括以下步驟I)首先進行樣品採集，採集若干不同濃度的稀土溶液水樣；2)然後基於採集的不同濃度稀土溶液水樣運用地物波譜儀分別進行地面反射光譜測量；基於測量得到的不同濃度稀土溶液水樣的反射光譜，分析確定對稀土濃度具有指示意義的特徵吸收谷分布特徵，計算不同濃度稀土溶液水樣的各特徵吸收谷的相對吸收深度；3)再運用ICPMS等離子質譜儀對採集的不同濃度稀土溶液水樣進行稀土濃度化學分析及稀土元素濃度測試；根據測試結果分別計算不同濃度稀土溶液水樣的稀土總濃度；4)最後對不同濃度稀土溶液水樣的各特徵吸收谷的相對吸收深度與稀土總濃度進行線性回歸分析，建立特徵吸收谷的相對吸收深度與稀土總濃度之間的相關關係，得出稀土濃度定量評估模型。所述步驟I)中，採集的不同濃度的稀土溶液水樣為稀土礦區母液池中的溶液和稀土礦周邊被稀土礦汙染的河流中的水體，包括10個以上不同濃度的稀土溶液水樣。所述步驟I)中，選用適當容積的水樣收集容器，並將採集的水樣運用適當孔徑的濾膜抽濾，採水樣之前，需用水樣衝洗容器若干次，採集的水樣在0-4度冷藏。所述步驟2)中，測試在暗室中進行，光譜測試時，每次所用水樣的溶液體積均相同；將波譜儀所配光源及探頭固定到合適的位置，並保證每次測量時都將盛放水樣的測量燒杯放置在同一位置，針對每個樣品進行多次測量，對於測量得到的數據求平均值，得到每個樣品的反射光譜。所述步驟2)中，在計算各特徵吸收谷的相對吸收深度之前，對各水樣的反射光譜進行去連續統處理，選取IOnm作為去連續統處理的波長間隔，去除背景的影響。所述步驟2)中，根據分析得到的各水樣的特徵吸收谷分布特徵，對于波長處於574nm, 790nm, 736nm, 520nm, 861nm, 443nm的6個特徵吸收谷,分別計算各個水樣的6個特徵吸收谷處的相對吸收深度。所述步驟3)中，溶解態REE濃度分析過程如下先用HDEHP和H2MEHP混合萃取劑將REE從水溶液中萃取出來，然後再用超純HCl將REE從萃取劑中反萃出來並轉化為硝酸鹽。所述步驟3)中，用於等離子質譜分析的各元素的同位素是89Y、139La、14°Ce、141Pr、146Nd、147Sm、151Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、167Er、169Tm、173Yb、175Lu。ICP-MS 檢測限為 89Y0.022 μ g/1, 139La0.018 μ g/1, 140Ce0.028 μ g/1, 141Pr0.005 μ g/1, 146Nd0.076 μ g/I, 147Sm0.009 μ g/1, 151Eu0.002 μ g/1, 157Gd0.021 μ g/1, 159Tb0.002 μ g/1, 163Dy0.009 μ g/1,165Ho0.003 μ g/1,167Er0.005 μ g/1,169T m0.002 μ g/1,173Yb0.003 μ g/1 和 175Lu0.0005 μ g/L.
所述步驟4)中，運用最小二乘法分別對水樣的6個特徵吸收谷處的相對吸收深度與稀土總濃度進行線性模擬，根據最小二乘原理，得到線性模擬方程為Y=bX+a，並求得相關係數R ;其中，Y表示稀土總濃度，X為特徵吸收谷的相對吸收深度，b和a通過測得的各個水樣的稀土總濃度值和某一特徵吸收谷的相對吸收深度值求得:
權利要求
1.基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統，其特徵在於，包括稀土溶液水樣採集裝置、地物波譜儀、ICP-MS等離子體質譜儀及計算機；所述稀土溶液水樣採集裝置用於採集不同濃度的稀土溶液水樣，所述地物波譜儀用於對採集的不同濃度的稀土溶液水樣分別進行地面反射光譜測量，對於所測量的地面反射光譜分析確定對稀土濃度具有指示意義的特徵吸收谷分布特徵，所述ICP-MS等離子體質譜儀用於對採集的不同濃度的稀土溶液水樣分別進行稀土元素濃度測試；所述計算機根據得到的特徵吸收谷分布特徵，計算得出特徵吸收谷的相對吸收深度，並建立特徵吸收谷的相對吸收深度與稀土元素濃度之間的相關關係，得出稀土濃度定量評估模型。
2.根據權利要求1所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統，其特徵在於，所述地物波譜儀為為美國ASDFieldSpeC3系列可攜式地物波譜儀；所述ICP-MS等離子體質譜儀為X-series等離子體質譜儀。
3.根據權利要求1所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統，其特徵在於，稀土溶液水樣採集裝置包括若干具有適當容積的用於收集稀土溶液水樣的容器。
4.基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)進行樣品採集，採集若干不同濃度的稀土溶液水樣； 2)基於採集的不同濃度稀土溶液水樣運用地物波譜儀分別進行地面反射光譜測量；基於測量得到的不同濃度稀土溶液水樣的反射光譜，分析確定對稀土濃度具有指示意義的特徵吸收谷分布特徵，計算不同濃度稀土溶液水樣的各特徵吸收谷的相對吸收深度； 3)運用ICPMS等離子質譜儀對採集的不同濃度稀土溶液水樣進行稀土濃度化學分析及稀土元素濃度測試；根據測試結果分別計算不同濃度稀土溶液水樣的稀土總濃度； 4)對不同濃度稀土溶液水樣的各特徵吸收谷的相對吸收深度與稀土總濃度進行線性回歸分析，建立特徵吸收谷的 相對吸收深度與稀土總濃度之間的相關關係，得出稀土濃度定量評估模型。
5.根據權利要求4述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，所述步驟I)中，採集的不同濃度的稀土溶液水樣為稀土礦區母液池中的溶液和稀土礦周邊被稀土礦汙染的河流中的水體，包括10個以上不同濃度的稀土溶液水樣；採集水樣時，選用適當容積的水樣收集容器，並將採集的水樣運用適當孔徑的濾膜抽濾；採水樣之前，需用水樣衝洗容器若干次，採集的水樣在0-4度冷藏。
6.根據權利要求5所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，所述步驟2)中，測試在暗室中進行，光譜測試時，每次所用水樣的溶液體積均相同；將波譜儀所配光源及探頭固定到合適的位置，並保證每次測量時都將盛放水樣的測量燒杯放置在同一位置，針對每個樣品進行多次測量測量，對於測量得到的數據求平均值，得到每個樣品的反射光譜。
7.根據權利要求5所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，所述步驟2)中，在計算各特徵吸收谷的相對吸收深度之前，對各水樣的反射光譜進行去連續統處理，選取IOnm作為去連續統處理的波長間隔，去除背景的影響。
8.根據權利要求7所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，所述步驟2)中，根據分析得到的各水樣的特徵吸收谷分布特徵，對于波長處於574nm, 790nm, 736nm, 520nm, 861nm, 443nm的6個特徵吸收谷,分別計算各個水樣的6個特徵吸收谷處的相對吸收深度。
9.根據權利要求5所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，所述步驟3)中，溶解態REE濃度分析過程如下:先用HDEHP和H2MEHP混合萃取劑將REE從水溶液中萃取出來，然後再用超純HCl將REE從萃取劑中反萃出來並轉化為硝酸鹽；用於等離子質譜分析的各元素的同位素是89Y、139La、14°Ce、141Pr、146Nd、147Sm、151EU、157Gd、159T b、163Dy、165Ho、167Er、169T m, 173Yb, 175Lu ；ICP-MS 檢測限為 89Y0.022μ g/1,139La0.018 μ g/I, 140Ce0.028 μ g/1, 141Pr0.005 μ g/1, 146Nd0.076 μ g/1, 147Sm0.009 μ g/1, 151Eu0.002 μ g/1,157Gd0.021 μ g/1, 159Tb0.002 μ g/1, 163Dy0.009 μ g/1, 165Ho0.003 μ g/1, 167Er0.005 μ g/1，169T m0.002 μ g/1,173Yb0.003 μ g/1 和 175Lu0.0005 μ g/1。
10.根據權利要求5所述的基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估方法，其特徵在於，所述步驟4)中，運用最小二乘法分別對水樣的6個特徵吸收谷處的相對吸收深度與稀土總濃度進行線性模擬，根據最小二乘原理，得到線性模擬方程為Y=bX+a，並求得相關係數R ;其中，Y表示稀土總濃度，X為特徵吸收谷的相對吸收深度，b和a通過測得的各個水樣的稀土總濃度值和某一特徵吸收谷的相對吸收深度值求得:
全文摘要
本發明公開的一種基於地面反射光譜的水體中稀土濃度定量評估系統和方法，基於地面反射光譜數據可以實現水體中稀土元素濃度的快速定量反演。本發明的系統包括稀土水樣採集裝置、地物波譜儀、ICP-MS等離子體質譜儀及計算機；稀土水樣採集裝置用於採集不同濃度的稀土水樣，地物波譜儀用於對採集的稀土水樣分別進行地面反射光譜測量，分析確定對稀土濃度具有指示意義的特徵吸收谷分布特徵，ICP-MS等離子體質譜儀用於對採集的稀土水樣分別進行稀土元素濃度測試；計算機根據得到的特徵吸收谷分布特徵，計算得出特徵吸收谷的相對吸收深度，並建立特徵吸收谷的相對吸收深度與稀土元素濃度之間的相關關係，得出稀土濃度定量評估模型。
文檔編號G01N21/35GK103076292SQ20121058032
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者代晶晶 申請人:中國地質科學院礦產資源研究所