CC BY
31
12. Жиров Д. В., Лащук В. В. Облицовочный камень Мурманской области (справочно-методическое пособие). Апатиты: Полиграф, 1998. 109 с.
13. Оценка рудовмещающих пород месторождений платиноидов в качестве сырья для производства природнокаменных строительных материалов / В. В. Лащук и др. // Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья и синтеза на его основе функциональных материалов: сб. докл. всерос. конф. с междунар. участием. Ч. 2. Апатиты: КНЦ РАН, 2008. С. 167-170.
14. Комплексная оценка вскрышных пород Мончегорских месторождений платиноидов как сырья для производства строительных материалов / В. В. Лащук и др. // Технологическая платформа «Твердые полезные ископаемые»: технологические и экологические проблемы отработки природных и техногенных месторождений: докл. междунар. науч.-практич. конф. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2013. С. 46-51.
15. Лащук В. В., Усачева Т. Т, Решетова З. И. Декоративность облицовочного камня основных месторождений Кольского полуострова // Строительные и технические материалы из сырья Мурманской области. Апатиты: КФ АН СССР, 1983. С. 97-104.
16. Геология архея Балтийского щита / Н. Е. Козлов и др. СПб.: Наука, 2006. 329 с.
17. Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Недра, 1978. 390 с. Сведения об авторе
Лащук Владимир Владимирович
кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева
ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
laschuk@chemy.kolasc.net.ru
Lashchuk Vladimir Vladimirovich
PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia laschuk@chemy.kolasc.net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.862-867 УДК 622.765 + 535.2
ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ТЕХНОГЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СРЕД И ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР ЗОЛОТА
Н. А. Леоненко
ФГБУН Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, Россия Аннотация
Рассмотрена возможность применения лазерных технологий для переработки техногенного минерального сырья. Исследовано влияние непрерывного лазерного излучения на минеральные объекты, содержащие золото, не извлекаемое гравитационными методами. Установлено формирование поверхностных упорядоченных структур субмикронного золота, выявлены общие закономерности их концентрирования. Ключевые слова:
лазерные технологии, техногенное, минеральное сырье, золото.
LASER PROCESSING OF TECHNOGENIC DISPERSED MINERAL MEDIA AND FORMATION OF ORDERED GOLD STRUCTURES
N. A. Leonenko
Mining Institute of the Far-Eastern Branch of the RAS, Khabarovsk, Russia Abstract
The article considers the possibility of using laser technologies for processing technogenic mineral raw materials. The effect of continuous laser radiation on mineral objects containing gold not extracted by gravitational methods, has been studied. Formation of different structural surfaces of gold has been established and general patterns of sintering and concentration of sub-micron gold have been revealed. Keywords:
laser technology, technogenic, mineral raw materials, gold.
Широкое применение и совершенствование лазерных технологий (ЛТ) в экономике наиболее развитых стран является глобальной тенденцией мирового развития. Использование ЛТ имеет решающее значение для повышения производительности труда и конкурентоспособности национальной экономики, расширения возможностей ее интеграции в мировую экономическую систему. Лазерная обработка материалов является одной из тех технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах [1—4]. Отличительные особенности применения лазеров в производстве — высокое качество получаемых изделий, высокая производительность процессов, экономия людских и материальных ресурсов, экологическая чистота. Мощный толчок сектору рынка, включающему лазерную обработку материалов, дали волоконные лазеры как малой, так и высокой мощности. В 2012 г. на рынок вышли четыре новые компании — поставщика таких источников излучения, которые пытаются конкурировать с признанным лидером в этой области — "IPG Photonics Corporation". В основном ЛТ развиваются в странах ЕС, США и Японии и отражены (рис. 1). Заметно отстают от них страны Юго-Восточной Азии (ЮВА), но даже в этих странах объем лазерных продаж примерно в пять раз выше, чем в России. Например, в Китае, в провинции Хубэй, являющейся сосредоточением оптической промышленности в стране, валовой продукт лазерных предприятий в 2005 г. превысил 75 млн долл. США.
/ □ 2004 год □2006год|
А f=
(—с—1 У
Г (
ЮВА Япония CHIA Европа Россия
Рис. 1. Объем продаж лазеров по регионам мира, млрд долл. США [6]
В странах ЕС лазерные технологии, в более общем смысле фотонику, рассматривают не иначе как локомотив технологических инноваций. Рынок фотоники в мире превышает 150 млрд евро, демонстрируя ежегодный рост на протяжении последних 10 лет в 14 %. По оценкам специалистов, вне зависимости от состояния общехозяйственной конъюнктуры темпы прироста мирового производства лазерных систем и источников лазерного излучения (ЛИ) сохранятся на уровне 10-15 %. В настоящее время лазеры для обработки материалов демонстрируют максимальную динамику роста, как на международном, так и на российском рынках. По данным LaserMarketsResearch [5], с 2008 по 2016 гг. объем мирового рынка лазеров вырос с 6,57 до 10,408 млрд долл. США. В 2016 г. доля лазеров, используемых при обработке материалов, на глобальном рынке составила 39 %. Российский лазерный рынок с 2008 по 2016 гг. вырос в 6,13 раза: с 213 до 1304,8 млн долл. США. Наибольший рост за это время показали лазеры для обработки материалов. В 2016 г. на них пришелся 41 % от общего объема рынка.
Вместе с тем известно, что в последнее время техногенное сырье является пристальным объектом исследований [7-11]. Для Дальневосточного региона техногенные отходы золотосодержащих руд и россыпей представляют определенную проблему извлечения такого золота. Освоение россыпей региона началось еще в конце XIX — начале XX вв. Отличительной особенностью песков Приамурских россыпей является наличие минералов — спутников золота, таких как рутил, гранаты различных видов, циркон, танталониобат и особенно много оксидных и сульфидных минералов железа, что является причиной потери мелких форм золота при отработке россыпей и образования техногенных объектов на отработанных месторождениях. В работе исследована магнитная фракция, являющаяся техногенным отходом магнитной сепарации перед стадией обогащения шлихов на шлихообогатительной установке. Концентрат магнитной фракции содержал в основном магнетит и гематит.
Экспериментальная работа проведена на волоконной иттербиевой лазерной установке «ЛС-06» с диодной накачкой производства ООО НТО «ИРЭ-Полюс», являющейся основателем и одной из базовых компаний научно-технической группы "IPG Photonics Corporation". КПД такой силовой лазерной установки составляет 25-30 %. Лазерная установка работала в режиме непрерывного излучения с длиной волны 1070 нм. Максимальная мощность установки — 600 Вт, плотность мощности на поверхности экспериментального образца ~ 4-106 Вт/см2. Диаметр расфокусированного лазерного излучения на поверхности дисперсной магнитной фракции составил 8,0 мм. Обработка опытных образцов фракции -0,250 мм велась на графитовой подложке при мощности лазерного воздействия от 100 до 360 Вт. После лазерной обработки исходного образца образовались поверхностно-неоднородные сфероподобные конгломераты. Полученные спеки-объекты изучались методом
растровой электронной микроскопии с рентгеноспектральным микроанализатором (РЭМ-РСМА). РЭМ-РСМА-анализ показал наличие в исходном образце сульфидных минералов (спектры 1-3), а также наличие тяжелого металла — свинца (рис. 2, спектр 4).
Рис. 2. Исходный магнитный концентрат и его спектры рентгенодисперсионного анализа
Методами электронной, атомно-силовой микроскопии исследованы изменения свойств природных дисперсных золотосодержащих минеральных объектов. Проведенные исследования показали, что по мере увеличения мощности энергетического лазерного воздействия образуются поверхностно неоднородные самоорганизующиеся сфероподобные структуры золота [12-14].
В результате лазерной обработки образцы принимали форму оплавленных конгломератов спеков размером до 5 мм (рис. 3, а). На поверхности объекта а (рис. 4, а) обнаружены локальные зоны концентрирования отдельных химических элементов (рис. 3, б), в основном свинца, меди, титана. На рис. 4, г представлена боковая поверхность исследуемого спека. Электронной микроскопией установлена неправильная форма боковой поверхности и ее неравномерность. Большая часть поверхности является гладкой, что обусловлено оплавлением исходного материала, при этом на поверхности объекта присутствуют отдельные агломераты определенных химических элементов (свинца, серы), что показывает рентгенодисперсионный анализ (рис. 3, спектры 1-3).
Рис. 3. Магнетитовый спек-конгломерат размером 5 мм после лазерной обработки: а — магнетитовый спек; б — концентрирование в локальной зоне свинца, меди на поверхности магнетита
после обработки лазерным излучением; в — спектрограмма элементного состава локальной области; г — боковая поверхность спека и его элементный энергодисперсионный анализ после лазерной обработки,
риска 30 мкм
Рис. 4. Сферические скопления на внутренней поверхности спека. Изображения: а — х 1000, риска 20 мкм; б — х 15000, риска 10 мкм; с — х 15000, риска 2 мкм. Скопление свинца — спектр 1 на изображении б; сферические скопления золота — спектры 2, 3 — нанометрических размеров: 491,3, 565,8 и 248,1 пт на внутренней поверхности разрушенного спека на изображении с
Анализ количества атомов химических элементов на поверхности образца до и после лазерной обработки
Химический элемент Исходный материал Объект после лазерной обработки Сферические образования на внутренней поверхности спека Внутренняя поверхность спека
О 8 9 10 9
№ - 19 19 20
Мм - - 29 22
А1 22 25 28 27
81 25 28 29 28
8 31 36 38 36
К 48 53 56 54
Са 57 57 58 64
Т1 92
Бе 94 109 113 110
Си - - 156 -
АЭ 170 196 204 170
РЬ 769 1509 1268
Ам - - 431 419
Аи - - 1435 -
Сг - - - 91
Спектры энергодисперсионного анализа в «точках» 1, 2 и 3 соответствуют концентрированию свинца, мышьяка, железа, серы и др. элементов. Рассматриваемые агломераты сходны по своему элементному составу. Спектр 4 рис. 3, г выбран «по площади» на однородном участке объекта и соответствует оплавленным оксидам и сульфидам железа, находящимся на поверхности. Для изучения внутренней части конгломерат дробился на части и исследовалась внутренняя часть скола поверхности. Сравнение результатов элементного химического состава показало, что в результате лазерной обработки количество атомов металлов на поверхности объекта увеличивается, в том числе на поверхности появляются скопления таких металлов, как свинец, золото, серебро.
Необходимо отметить, что в исходном сырье золото и серебро на поверхности не идентифицировалось. Количественный анализ химических элементов представлен ниже, в таблице. Исследованием информативности методом растровой электронной микроскопии с рентгеноспектральным микроанализатором (РЭМ-РСМА) — рис. 4 и таблица — выявлено концентрирование на внутренней поверхности разрушенного конгломерата элементов золота, серебра, меди, свинца.
В природных оксидных и сульфидных минералах железа атомы золота содержатся внутри кристаллических решеток. При переплавке магнитной фракции исходного техногенного дисперсного сырья термические напряжения ведут к структурным изменениям, при этом атомы золота, серебра, меди высвобождаются и объединяются в агломераты.
Таким образом, под действием лазерного излучения происходит термический процесс дезинтеграции кристаллической решетки минерала, далее — быстропротекающий термический процесс перекристаллизации, дефрагментации и спекания за счет лазерной экспозиции секундной длительности. Благодаря такому сценарию увеличивается химическая однородность дисперсных минеральных объектов. Под действием лазерного излучения происходит концентрирование и агломерирование металлов, в частности золота, в более крупные образования, отличающиеся большей химической чистотой в сравнении с исходными минеральными ассоциациями. Данные исследования становятся научной основой разработки новых технологий извлечения субмикронных и нанометрических форм золота и других полезных компонентов [15-17]. Это свидетельствует в пользу практической значимости способа. На этой основе может быть предложен достаточно эффективный и экологически безопасный способ укрупнения частиц благородных металлов, не извлекаемых традиционными методами, основанный на лазерной обработке природных материалов техногенного характера [18]. Возможно, что применение современных силовых источников лазерного излучения с оптоволоконными иттербиевыми линиями передачи энергии позволят решать в будущем чисто практические задачи, связанные с оптимизацией производственных технологических процессов глубокой переработки техногенного сырья и извлечения ценных компонентов.
Литература
1. Официальный сайт инновационного Холдинга «Швабе». URL: www.shvabe.com (дата обращения; 15.09.2017).
2. Официальный сайт группы "IPG Photonics Corporation". URL: http://www.ipgphotonics.com/ru (дата обращения: 15.09.2017).
3. Казакевич В. С., Яресько С. И. Тенденции развития рынка лазерных технологий для решения задач лазерной обработки материалов. Ч. 1. Мировой лазерный рынок // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 4. С. 266-275.
4. Аполлонов В. В. Силовая оптика // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 2. С. 102-121.
5. Аполлонов В. В. Лазеры для промышленного, научного и экологического использования // Молекулярные лазеры высокой энергии. Серия Springer в оптических науках. 2016. Т. 201. Springer, Cham. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-319-33359-5_47. (дата обращения: 24.11.2017).
6. Исследование лазерного рынка [Электронный ресурс]. URL: https://www.lasermarketsresearch.com/ (дата обращения: 21.10.2017).
7. Effective methods for gold recovery from mining wastes at placers / V. S. Litvintsev et al. // Journal of Mining Science. 2012. Vol. 48, no. 1. P. 198-202.
8. Формирование ресурсосберегающих технологий переработки вторичного металлсодержащего сырья на основе принципов адаптации / В. А. Чантурия и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № S 1. С. 347-360.
9. Создание нетрадиционных технологий извлечения упорных форм золота из минерального сырья техногенных месторождений / В. С. Литвинцев и др. // Обогащение руд. 2009. № 3. С. 11-14.
10. Литвинцев В. С., Леоненко Н. А., Банщикова Т. С. Типоморфные особенности золота техногенных россыпей Приамурья в аспекте новых технологий // Тихоокеанская геология. 2016. Т. 35, № 4. С. 89-99.
11. Банщикова Т. С., Леоненко Н. А., Алексеев В. С. Физико-химические способы извлечения тонкодисперсного золота из техногенных россыпей Приамурья // Обогащение руд. 2017. № 6 (372). С. 32-37.
12. Самоорганизация ультрадисперсного золота из техногенных россыпей под действием лазерного излучения / Н. А. Леоненко и др. // Исследования и разработки в области химии и технологии функциональных материалов: сб. мат-лов всерос. науч. конф. с междунар. участием. Апатиты: КНЦ РАН, 2010. С. 219-221.
13. Nonlinear effects of laser surface modification of ore minerals / N. A. Leonenko et. al. // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2015. Vol. 7, no. 4 (2). P. 4055 (3).
14. Леоненко Н. А., Ванина Е. А., Веселова Е. М. Быстропротекающие нелинейные эффекты при лазерной обработке дисперсных минеральных объектов // II Международная научно-практическая конференция «Физика и технология наноматериалов и структур» (Белгород, 24-26 ноября 2015 г.). Курск: ЗАО "Университетская книга" ЮЗГУ, 2015. Т. 2. С. 225-230.
15. Vanina E. A., Veselova E. M., Leonenko N. A. Simulation of nonlinear effects at laser modification of the surface minerals with gold // Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering. 2017. Vol. 10176. P. 101761V. doi: 10.1117/12.2268309.
16. Леоненко Н. А. Лазерная обработка золотосодержащего техногенного сырья // Международная конференция «Ресурсосбережение и охрана окружающей среды при обогащении и переработке минерального сырья» (Плаксинские чтения — 2016) / под ред. В. А. Чантурия. СПб., 2006. С. 459-463.
17. Леоненко Н. А. Взаимодействие лазерного излучения с дисперсными рудными минералами // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № 11. S 24 — Геомеханические и геотехнологические проблемы освоения недр Севера. С. 101-108.
18. Пат. 2541248 Рос. Федерация, МПК С 22 В 11/02, С 22 В 9/22. Способ выделения ультрадисперсных и коллоидно-ионных благородных включений из минерального сырья и техногенных продуктов и установка для его осуществления / Кузьменко А. П. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУВПО «Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ). № 2012130446/02, заявл. 17.07.2012; опубл. 10.02.2015, Бюл. № 4.
Сведения об авторе
Леоненко Нина Александровна
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, Россия
leonenko@igd.khv.ru
Leonenko Nina Alexsandrovna
PhD (Engineering), Leading Researcher, Mining Institute of the Far-Eastern Branch of the RAS, Khabarovsk, Russia
leonenko@igd.khv.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.867-873 УДК 556
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД АПАТИТСКО-КИРОВСКОГО РАЙОНА
С. И. Мазухина1, В. А. Маслобоев1, В. И. Пожиленко2 С. С. Сандимиров3, Т. Т. Горбачева1, С. В. Дрогобужская4, С. В. Иванов5
1 ФИЦ «Кольский научный центр Российской академии наук, г. Апатиты, Россия
2 Геологический институт ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
3 Научно-исследовательский центр медико-биологических проблем адаптации человека в Арктике — филиал ФГБУН ФИЦ "Кольский научный центр Российской академии наук", г. Апатиты, Россия
4 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
5 Альпийский ботанический сад, г. Апатиты, Россия
Аннотация
Представлены результаты исследований химического состава подземных вод, пользующиеся популярностью у жителей Апатитско-Кировского района. Данное исследование связано с высоким уровнем заболеваемости взрослого и детского населения в Апатитско-Кировского районе. Идея исследований — обратить внимание на значимость не только каждого отдельного элемента, входящего в состав питьевых вод, но и на формы миграции этого элемента и сочетание его с другими элементами. Работа имеет фундаментальное и практическое значение. Ключевые слова:
подземные воды, физико-химическая модель, Хибинский массив, водозабор, гидроксилапатит.
THE CHEMICAL COMPOSITION OF GROUNDWATER OF APATITY-KIROVSK REGION
S. I. Mazuchina1, V. A. Masloboev1, V. I. Pozhilenko2, S. S. Sandimirov3, T. T. Gorbaveva1, S. V. Drogobuzhskay4, S. V. Ivanov5
1 Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
2 Geological Institute of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
3 Research Centre for Human Adaptation in the Arctic — Branch of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Science", Apatity, Russia
41. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia 5 Polar-Alpine Botanical Garden-Institute Apatity, Russia
