• 検索結果がありません。

P r e p a r a t i o n  method o f  barium  s u l f a t e   from m e r c u r i c  s u l f i d e  f o r   s u l f u r  i s o t o p e  r a t i o  measurement 

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "P r e p a r a t i o n  method o f  barium  s u l f a t e   from m e r c u r i c  s u l f i d e  f o r   s u l f u r  i s o t o p e  r a t i o  measurement "

Copied!
6
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

P r e p a r a t i o n  method o f  barium  s u l f a t e   from m e r c u r i c  s u l f i d e  f o r   s u l f u r  i s o t o p e  r a t i o  measurement 

Maya Kawano

1

,  Ak i h o  T s u t s u i

2

,  T a k e s h i   Min

ami12

Graduate School 

0 /  

Science and Engineering Research, and Department 

0 /  

L砕 Sciences. School 

0 /  

Science and Engineering, Kinki Universiη3‑4‑1 Kowakae

, 

HigashiosakaOsaka 577‑8502, JAPAN  (Received December 1,2014) 

Abstract 

The sulfur isotope ratio in mercuric sulfide called vermilion has been measured for  identification of the original mines of vermilion used in  ancient buria1 mounds and  antiquities. Barium sulfate is prepared丘omvermilion for measurement of the sulfur  isotope ratio. However, as vermilion is  composed of sulfur and mercury, one issue is  the prevention of contamination of barium sulfate by rnercury. Mercury is a toxic metal  and pollutes the piping system of analytical insuments.The aim of the present study  was to establish a method of sulfur isotope analysis sampling

atdoes not include  mercury. Mercuric sulfide was dissolved in reverse aqua regia, and sulfur ion was  oxidized to sulfate  ion with the addition of bromine. When we observed whether  mercuηwas adsorbed by either cation‑or anion‑exchange resins, mercury completely  adhered to neither resin. Barium chloride was then added to the solution without using  an ion‑exchange resin. No mercury was detected in the precipitate of barium sulfate,  and the recoveηratio was over 90 % when the ratios of water for the reverse aqua  regia before adding barium chloride were more than double. We concludedatthis  method for precipitating of barium sulfate by the addition of bariurn ch10ride is simple  and useful for removing mercu

Keywords: vermilion, suJIisotope, reverse aqua regia, barium ch1oride, barium  sulfate, mercy,ion‑exchange resin 

1. Introduction 

Vermilion  was used as  a precious  red‑color pigment in  the ancient world.  Its vivid red color made it  one of the  most valuable symbols of power [1, 2].  In ancient Japanomthe middle ofe Yayoi period to the Kofun peod,升om the fourth  century  B.C.  to  the sixth  cenryA.D., vermilion  was used to  decorate  the physical remains and the  inner surfaces  of many burial rnounds.  Large amounts of vermilion ‑more than 

Corresponding author 

10 kg ‑were observed  in  the  burial  mounds of powerful people. There are  more than 100 cinnabar mines in Japan  [3], and  vermilion  col1ected

om cinnabar ore was used for painting  of  earthenware in  the last part of Johmon  period  characterized  by  the  hunting‑gathering  lifestyle.  In  Yayoi  period, which was based on a wet‑rice  agnc叫同relifestyle [4], vermilion was  used for decorating the physical rernains  and the inner surfaces of burial facilities 

‑49‑

(2)

in funerary ceremonies [5]. This  custom  was transmittedomChina around the  middle of Yayoi period, and vermilion  was at  first  importedomChina along  with  the  custom.  However, as  people  knew that vermilion could be collected in  Japan, it  is  thought  that  Japanese  vermilion instead of Chinese vermilion  came to be used for the custom. Around  this  time the  first  unified  dynasty, the  ancient Yamato dynasty, was bom [6, 7].  It  is  knownomthe  old records  that  there  were  several  mines  collecting  cinnabar ores  around the  center of the  ancient Yamato dynasty [8].  Therefore,  to  identi命 the original  source  of  vermilion  used  in  Yayoi  and  Kofun  period  would  provide  information  on  historical shifts of power. 

For  this  puose,we  have  been  measuring the isotope ratio  of sulfur, a  component  of  vermilion  [6, 7, 9].  Ishihara  et  al.  [10]  reported  that  the  sulfur  isotope  ratio  varied  regionally  rather than by sulfide species or type or  by the commodity of the ore deposits. In  addition, we previously reported that the  ratios of sulfur isotopes of cinnabar ores  collected  from  Chinese  mines  showed  positive values [11, 12], while the ratios  of cinnabar ores collected from Japanese  mines  showed  negative  values  [3].  Therefore, it  is reasonable to measure the  sulfur isotope ratio of vermilion in order  to  identi布 the original  mine  of that  vermilion. 

However, as vermilion is  composed of  sulfur  and mercury, it  is  important  to  remove mercury from the assay system.  Mercury is  a toxic metal and pollutes the  piping systems of analytical instruments.  We did not consider in detail how much  mercury  was  contained  in  the  measurement samples. The aim of the  present  study  was thus  to  establish  a 

50 

method of sulfur  isotope  analysis  that  does  not  include  mercury om vermilion. 

2. Materials and Methods 

Extra‑pure  mercuric  sulfide  was  purchased from Nacalai Tesque Co. Ltd.  (Kyoto, Japan). Nitric  acid  and  hydrochloric acid for ultratrace analysis,  Dowex 50Wx8, 100‑200  mesh, for  strongly  acidic  cation‑exchange  resin,  Dowex 1x8, 200‑400 mesh, for strongly  basic  anion‑exchange  resin  were om Wako  Pure  Chemicals  Ltd. (Osaka,  Japan). The  other  chemicals  were  ultra‑pure reagents purchased from Wako  Pure Chemicals. 

Removal  01  mercuη 斤om the  preparation  solution  using  cation‑ or 

anion‑exchange resin 

About 10 mg of mercuric sulfide was  added to a test tube, and after two ml of  reverse  aqua regia  (RAR) were added,  the tube was heated at 95 oC for 2 ho s. After one drop of bromine was added to  the  cooling  solution, the  solution  was  heated at  95 oC for 2 hours again. Four  ml of ultra‑pure water, Direct‑Q (Nippon  Millipore  K.K.,  Tokyo, Japan), was  added to the solution after cooling. The  solution was applied to the column with  10 ml of cation‑or anion‑exchange resin,  and  the  pass‑through  solution  was  collected.  Mercury  content  was  measured  with  mercury  measurement  equipment  (HG‑450‑5C30, Hiranuma  Sangyo Co. Ltd, Ibaraki, Japan). 

Comparison 

0 1  

recovery  method from  mercuric sulfide to barium sulfiα:te 

Mercuric sulfide was heated with 2 ml  of RAR at  95 oC for 2 hours, and after  adding one drop of bromine, the solution  was heated at  95 oC for 2 hours again. 

(3)

After  cooling, 2 or  4 rnl  of ultrapure  water was added, and then the condition  for precipitation  of bariurn sulfate  was  cornpared  as  follows  without  ion‑exchange  procedure: (a)  A丘町 the solution was heated at  65 oC, one rnl of  11'  ..ιBaCh was added to the solution for  the production of bariurn sulfate and the  solution was heated at 65 oC for one hour  to  rnak:e the  precipitate;  (b)  After  the  solution was heated at  65 oC, one rnl  of  1M‑BaCh was added to the solution and  the  solution  was  heated  at  65  OC  ovemight to  rnake  the  precipitate;  (c)  One rnl  of 1M‑BaCh was added to  the  solution  at  roorn  ternperature  and the  solution  was left  at  roorn  ternperature  ovemight.  The precipitate  was washed  with ultrapure water 5 tirnes and dried at  65  oC  for  the  rneasurernent  ofy weight. 

To exarnine the eectof the ratio  of  water with RAR for precipitating bariurn  sulfate, the volurnes of RAR and water  were changed as  follows: (1) 3 rnl  of  RAR and 3 rnl  of ultrapure water; (2) 4  rnl of RAR and 2 rnl of ulapurewater;  (3)  1 rnl of RAR and 5 rnl  of ultrapure  water. 

Stαtistical analysis 

Results are  expressed as  rnean SD (n=3). Statistical evaluation ofthe results  was  performed  by  one‑way  ANOVA  analysis. Significance was established at  p<0.05  and  p<0.01  using  Sche旺ピs rnultiple cornparison procedure. 

3. Results 

Table 1 shows the eectof adsorption  of  rnercury  using  cation‑ or  anion‑exchange  resin. Mercuric  sulfide  was  dissolved  in  RAR, and  after  the  addition  of  brornine  we thought  that  sulfur  would  becorne  sulfate  ion. 

Table 1Adsorption effect bion‑exchange resin of mercury  BeforpassageSolution before applyintoionexchangresin 

After passage: PSroughsolutiona且町applyingtionexchange resm 

cation‑exchang reSlll 

anion‑ex.change 

15.06:t  1.61 

0.01 :t  0.01 

rSlll

Total Hcontentin solution (ng) 

Generally, as  sulfate ion is  adsorbed to  an  anion‑exchange  resin, the  rnercury  content  in  the  pass‑through  solution  using the anion‑exchange resin cannot be  rneasured. However, in the present study,  the  effects  of  both  anion‑ and  cation‑exchange resins were checked to  exarnine  whether  rnercur lOn was  rernovedornthe pass‑through solution.  When  the  solution  with  rnercury  and  sulfate  ions was applied to  the  colurnn  filled  with  cation‑exchange  resins, the  total rnercurcontent in the pass‑through  solution was 4.31  ng, and the recovery  ratio  was  36.6  %. About  63.4  % of  rnercury  in  the  starting  solution  was  adsorbed by the resin. In contrast, when  rnercuric  sulfide  was dissolved  in  the  sarne way as the above and applied to the  colurnn fil1ed with anion‑exchange resins,  the  total  rnercury  content  in  the  pass‑through solution was 0.01  ng, and  the recoveηratio was 0.07 %. Alrnost all  of the  rnercury was rernovedornthe  pass‑through  solution.  Although  we  thought that rnercury was adsorbed to the  anion‑exchange resin, sulfate ion is  also  adsorbed  to  the  resin. Therefore, the  anion‑exchange resin cannot be used for  collection of sulfate ion. 

Next, bariurn  chloride  solution  was  added and a precipitate of bariurn sulfate  was  rnade.  Mercury  sulfide  was  dissolved in 2 rnl of RAR, and after one  drop  of brornine  was added, 2 rnl  of  ultrapure water was added to the solution.  After  changing  the  precipitation 

11 Fh u 

(4)

shown  in  Fig.  3;  ~弓len 5 ml  of  ultrapure water to  1 ml of RAR was used,  the recovery ratio of barium sulfate was 

100 %. However, the recovery ratios of  barium sulfate were 37.6 % and 16.0 %,  respectively, when 3 ml  of ultrapure  water  for  3 ml of RAR and 2 ml of 

γl 

H

1 1

ii l

i

lil i

d l 

n u 

0 0 0 0 0 0   2 0 8 6 4 2   1 1   ( 式 ) 0

55

02

EP

Eo

oE

ultrapure water for  4 ml of RAR were  used. No mercury was detected in  any 

120 

1

80 

.~ ::  60 

40 ~ 20 

RAR 3 ml water ml  RAR 4 ml water ml  RAR 1 ml water ml  Fig. 3 Change ofrecovery ratio ofbarium sulfate with change ofthe ratio  ofRARdwater 

Thsolution wheated65Cfor one hOUf for making the precipitIofbarium sulfale 

"p<O.Ol 

precipitate (data not shown).  4. Discussion 

We previously established a method to  distinguish whether the  original  source  of vermilion was Japan  or  China  by  measuring  the  sulfur  isotope  ratio  in  vermilion  [6].  Initially  we collected  sulfur  dioxide  gas  produced om vermilion according  to  the  procedure  described by Yanagisawa and Sakai [13].  However, more  than  100  mg  of  vermilion was necessaTfor this method  [6], while the amounts of vermilion that  can be collectedomburial mounds are  often less than 100 mg. Next, we directly  introduced  vermilion  into  an  element  analyzer, and  sulfur  dioxide  gas  directly  introduced  into  a  spectrometer  for  isotope  analysis  Analysis  was  possible  approximately  10  mg of vermilion  this  method  [7].  However,  polluted  the  pipetting  systems  instrumen .t That  is  why 

Fig. 1 Recoverytioof barium sulfate by ratio of RARdwater(l:l) RTroom tempera担 問**p<O.OI

conditions, the results are shown in Fig.  1.  When the solution was maintained at  65 oC overnight  after  adding  barium  chloride, the  recovery ratio  of barium  sulfate  was  65.4  %. In contrast, the  recovery ratios  of barium sulfate  were  7.5 % and 10.6 %,  respectively, when the  solution  was  maintained  at  room  temperature overnight and at 65 oC for 1  hour.  In  addition, mercury  was  detected  in  any  precipitate  (data  shown). 

Figure 2 shows the result when 2 ml of  RAR and 4 ml of ultrapure water were  used. The barium sulfate precipitate was  100 % recovered by leaving  at  65 oC  overnight  and  the  barium  sulfate  precipitate was 100 % recovered under  all  conditions, i.e., 65 oC for 1 hour, at  room temperature overnight as well as at  65 oC overnight.  In addition, mercury  was not detected in any precipitate (data  not shown). 

not  not 

was  mass  [7].  with  by  mercury  of the  further 

65Chour  65Covernlght RTovernight 

Fig. 2 Recoverγratio ofbarium sulfate by ratio ofRAR and water (1 :2) 

The recovery ratios  of barium sulfate  for different ratios of RAR and ultrapure  water and leaving at 65 oC for 1 hour are 

っ ︐

U

Fh u 

~ 120 

ω  C.E  100 

~ 80 

60 

~ 40 

20  ω 

(5)

lmprovement was necessary. 

It  is  k:nown that  mercury has  both  monovalent and divalent cations. The use  of  a cation‑exchange  resin  was  thus  considered  as  a method  to  remove  mercury. However, as shown in Table 1,  the  cation‑exchange  resin  could  not  remove mercuryomthe  solution.  In  contrast, almost ‑but not quite ‑all  of  mercury  could  be  removed om the  solution by using anion‑exchange resin.  Shirakashi et al.  [14] reported a divalent  ion of mercury in solution existed as an  anionic  mercury  complex  such  as  [HgX3

and [Hg~t. Especially when  bromine ion is present, like in the present  study, and  the  solution  pH is  low,  mercury  can  easily  adhere  to  an  anion‑exchange  resin.  Furthermore,  when  the  solution  pH  is  low,  cation‑exchange  resin  has  positive  ion  characteristics, and  it  is  thought  that  anion mercury complex adheres to  the  positive ion characteristics. In the present  study, the  use  of anion‑exchange resin  was difficult, because  both  sulfate  ion  and anionic mercury complex would be  adsorbed by the anion‑exchange resin. 

How can mercury be removedom the  final  sample  for  sulfur  isotope  analysis? We observed that mercury was  not detected in the precipitate of barium  sulfate  obtained omthe  pass‑through  solution  of  the  cation‑exchange  resin  column with  barium  chloride  solution  (data not shown). However, the recovery  ratio  of the barium sulfate produced in  this  way was not stable. Therefore, we  examined  how the  recovery  ratio  of  barium  sulfate  could  be  increased.  Generally, the  solubility  of  barium  sulfate  decreases  with  the  addition  of  dilute sulfuric acid to yield a precipitate  of barium  sulfate.  However, we also  wanted to  avoid contamination of sulfur 

om dilute  sulfuric  acid  for  measurement  of  the  original  sulfur  isotope  ratio.  It  is  k:nown  that  the  precipitate  of barium  sulfate  has  high  adsorption  characteristics, and  it  is  necessary to  remove cations, especially 

ivalentcationsomthe solution before  barium  sulfate  is  formed.  However,  mercury  was  not  detected  in  the  precipitate  of  barium  sulfate  in  the  present study. It is  probable that mercury  ion became an anion mercury complex  and was not adsorbed into the precipitate.  In  addition, when  making  a large  precipitate  of  barium  sulfate, it  is  necessary to make the precipitate丘oma  dilute solution and to  keep the solution  warm. From the results shown in Figs. 1,  2, and 3, a high recovery ratio of barium  sulfate  precipitate  was  obtained  when  ulapurewater was added at more than 2  times  volume  of RAR and  when the  precipitate  forming  solution  was  maintained for  more than  one hour at  65  oC. In  our  previous  study  using  reference materials such as IAEA‑S2 and  IAEA‑S3, isotopic fractionation occurred  when starting amount of sample was less  than  10 mg [15].  Therefore, 10 mg or  more  samples  would be  necessary  to  obtain reliable data for measurement of  the sulrisotope ratio. 

In conclusion, for the measurement of  sulfur isotope ratio, mercuric sulfide was  dissolved  in  RAR and  bromine  was  needed to  form sulfuric ion.  Then, after  adding ultrapure water at  more than 2  volumes of RAR, 1M barium chloride  was added to  the  solution  to  yield  a  precipitate  of barium sulfide.  Mercury  was not detected in the precipitate.le above  procedure  is  a very  effective  method for making a sulfur isotope ratio  analysis sampleomvermilion. 

︿U

FU

(6)

Acknowledgement 

This  work was  supported  by JSPS 

KAKENHI Grant Number 26242016. 

References 

[1] Caley, E.R. (1982) Joumal ofChemical Education, 5,419‑424. 

[2]  Martin‑Gil,  ,.J Martin‑Gil, F.J., Delibes‑de‑Castro, G., Zapero‑Magdaleno,P.,  Sarabia‑Herrero, F.J. (1995) Experientia, 51, 759‑761. 

[3] Minami, T.,  Bunno, M., Imazu, S. (2008) Annual Reports by Research Institute for  Science and Technology, 20, 41‑48 (in Japanese). 

[4]  Imamura, K. (1996) New perspectives on insular East Asia. University of Hawaii  Press. 

[5]  Minami, T.,  Kawano, M., Furukawa, N., Takahashi, K., Takeuchi, A., Imazu, S.  (2013) Chikyukagaku (Geochemistry), 47, 237‑243 (in Japanese). 

[6] Minami, T.,  Imai, A., Bunno, M., Kawakami, K.,  Imazu, S. (2005) Geoarchaeology,  20, 79‑84. 

[7]  Kawano, M., Takeuchi, A., Takahashi. K., Imazu, S., Minami, T. (2014) ISIJ  Intemational, 54, 1155‑1158. 

[8] Oku, Y. (1981) The Archaeological Joumal, 438, 17‑18 (in Japanese). 

[9] Minami, T., Iwahashi, T., Ohba, T.,  Ito, S., Shibasaki, A., Sakamoto, T.,  Imazu, S.,  Watanabe, S.  (2011) Archaeology and Natural Science, 62, 65‑72 (in Japanese).  [10] Ishihara, S., Sasaki, A.,  Minagawa, T., Bmo,M., Shishido, A., Tanaka, R. (2000) 

Bulletin ofthe Geological Survey of Japan, 51,283‑297. 

[11] Minami, T., Imai, A.,  Bunno, M., Tomita, K.,  Hisa, Y.,  Okayama, M., Yang, Z.,  Imazu, S. (2004) Archaeology and Natural Science, 46, 67‑74 (in Japanese).  [12] Minami,工, Yang, Z., Bunno, M., Shimazaki, H. (2009) Archaeology and Natural 

Science, 58, 25‑29 (in Japanese). 

[13] Yanagisawa, , .FSakai, H. (1983) Analytical Chemistry, 55, 985‑987. 

[14]  Shirakashi, T., Kakii, K.,  Kuriyama, M. (1987) Nippon Kagaku Kaishi, (8),  1609‑1614. 

[15] Kawano, M., Tokuda, M., Imazu, S., Minami, T. (2014) Joumal of Applied and  Laser Spectroscopy, 1, 37‑40. 

A

Fυ

参照

関連したドキュメント

Effects of  Ketamine and Pr opofol on the Ratio of  Inter leukin-6 to Inter leukin-10

Found in the diatomite of Tochibori Nigata, Ureshino Saga, Hirazawa Miyagi, Kanou and Ooike Nagano, and in the mudstone of NakamuraIrizawa Yamanashi, Kawabe Nagano.. cal with

Theorem 3 implies strong asymptotic stability results: the energy of strong solutions decays to zero, with an explicit decay rate

S49119 Style Classic Flexor Grade 7.0 Fixation Manual Weight 215g Size range 35 - 52 TECHNOLOGY-HIGHLIGHTS. •

のようにすべきだと考えていますか。 やっと開通します。長野、太田地区方面  

[r]

At the end of the section, we will be in the position to present the main result of this work: a representation of the inverse of T under certain conditions on the H¨older

[r]