Механизм удаления катионов-примесей из кристаллических зёрен в электромагнитном поле Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СЕМИНАР 26

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 2000"

МОСКВА, МГГУ, 31 января' - 4 ■ февраля ■2000 ■ года

Ц 1 В.Ф. Чурбаков., В.М. КарбачинСкии.

ЕЕ В.В. ■ Сергодеев. ■2000 ■ :::

ЕЕ УДК 541.1:538.3:549:622.7 ........................

ее В.Ф. Чурбаков, В.М. КарбачинскиИ.

ее В.В. Сергодеев

ЕЕ МЕХАНИЗМ УДАЛЕНИЯ КАТИОНОВ-ПРИМЕСЕЙ И ИЗ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЗЁРЕН В ЕЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Р

азработанные в Московском государственном горном университете вибро-аккустическая техника и технология обогащения полезных ископаемых, и в частности кварцевого песка, интенсифицируя жидкофазные процессы, достаточно глубоко обогащают вышеуказанные пески [1,2]. Однако для более глубокого обогащения природного кварца созданы технологии, которые нашли применение в некоторых отраслях, производящих кварцевое стекло различного назначения. Предложенные технологии позволяют получать кварцевую крупу требуемых фракций из многих разновидностей природного и искусственного кремнезема: молочно-белого и прозрачного жильного кварца, искусственных кристаллов, выращенных из щелочных и кислых растворов, высококачественного кварцевого песка и др. Получаемый кварцевый концентрат по содержанию примесей отвечает самым жёстким требованиям — в сумме не выше 10"5 — 10"4 масс, долей, а по отдельным примесям (А1, Fe, К, Са, Mg, №, К) содержание можно доводить до практически любого значения (10-5 масс. долей и ниже),

[3].

Все рекомендуемые технологические схемы включают в качестве основной операцию обработки технологических фракций кварцевой крупки в агрессивной (растворяющей оксиды примесных катионов) жидкой или газовой среде в постоянном или переменном электрическом поле или в плазме электрических разрядов (искровом, дуговом, СВЧ). Наиболее

эффективно удаление указанных примесей происходит при воздействии на обогащаемый материал плазмы СВЧ-разрядов. Именно этим методом удалось достичь содержания алюминия до 10-5 масс. долей.

Объяснение механизма удаления примесей из кристаллических зёрен SЮ2 предложено в рамках модели неравновесных термохимических процессов, происходящих в системе твердая фаза (дефектный кристалл кремнезема) — жидкая (газовая) среда с участием электронов и ионов плазмы. В условиях электромагнитного поля СВЧ-разряда температура электронов (расчётная) может превышать 104 К, а термодинамическая температура в газовой фазе реактора достигает 550 - 650 °С иурташтервалинСерв&Ре превращения кварца).

При этом происходит разрыхление кристаллической решётки, поскольку указанный полиморфный переход сопровождается уменьшением плотности кремнезема от 2,655 до 2,55 г/см3.

Уменьшение плотности, очевидно, сопровождается ростом дефектов в кристаллических зёрнах кварца, в частности, от структурных каналов размером от 2Е до различного вида дефект - каналов размером в 500Е и больше. В условиях СВЧ

- разрядов каждое кри-

сталлическое зерно подвергается мощному энергетическому воздействию, прежде всего электронами плазмы [4].

Нами [5] подробно изучено распределение примесей на дефектных поверхностях кристаллов кварца.

Механизм удаления примесей из кристаллических зёрен кремнезема представляется как направленная диффузия катионов электроположительных элементов к внешней поверхности. Процесс массопереноса в условиях неравновесной плазмы направлен в сторону, обратной градиенту концентрации примесей, что соответствует приближению к термодинамически равновесному состоянию в самих кристаллах.

Примеси в кристаллической структуре кварца искажают существующий порядок в закономерном пространственном чередовании ^Ю4] -тетраэдров. Нарушения создают неравновесные состояния в системе кремнезема - дефектные тетраэдры, например, [АЮ4], ре04] и др., не только нарушают геометрию, но и требуют наличия в структуре ионов-компенсаторов электрических зарядов (чаще всего это катионы щелочных и щелочноземельных элементов).

Таблица

Внешнее поле Звук Электромагнитные колебания Плазма СВЧ-разрядов

Примеси, собственные колебания Поверхностные примеси, плёнки, напр. Fe2Oз, FeOOH Примеси катионов в дефектах и структурных каналах Ме+, Ме2+ Изоморфные примеси в кислородных тетраэдрах А13+, Ъ4+, Fe3+(Fe4+)

На рисунке схематически изображены каналы диффузии в кристаллическом кремнеземе с дефектными тетраэдрами и ионами - компенсато-рами электрических зарядов.

Наличие примесей создаёт неравновесное состояние в системе кремнезема ^Ю4]п. Такое утверждение можно обосновать и при помощи теории поля лигандов, рассматривая катионы-примеси центрального атома в тетраэдрическом поле анионов О2. Катионы-примеси в кислородном тетраэдре более электроположительны, чем атомы кремния, связь катион-кислород более полярна.

Для многозарядных катионов d -элементов, весьма распространенных примесей Fe, Мп, Сг, Ti и др., тетраэдрическое расщепление электронных уровней объясняет их возбуждённое состояние, что значительно снижает энергетические затраты на их направленную диффузию [6].

Активация частиц и их диффузия в кристаллических зёрнах в условиях описываемой плазмохимической обработки описывается общим уравнением диффузии:

D=Doexp(-ED/RT)

Коэффициент диффузии имеет размерность м2/с. Здесь D0=exp(Дs/R)

- энтропийный фактор, зависящий от частоты столкновений частиц плазмы с кристалликами кварца. Частицы, бомбардирующие зёрна кварца, это прежде всего электроны, а также ионы Н+, С1-, F' и т.д., в зависимости от состава газовой среды, в которой обрабатывается исходный материал. R -газовая постоянная, ДS и Еа - энтропия и энергия активации. По данным различных авторов энергия активации не должна превышать 40 кДж/моль. Это означает, что применяемое энергетическое воздействие обеспечивает удаление катионов-примесей в условиях предлагаемой технологии получения чистого кристаллического кремнезема. [7]

Воздействие внешнего колебательного импульса на кристаллические дефектные фазы приводит в ре-

зонанс собственные колебания примесей, что способствует удалению их примесей из кристаллического зерна. Примерное соотношение энергии внешнего поля и природы удаляемой примеси представлено в таблице:

В заключении приводим формулу предполагаемого открытия:

«Установлено неизвестное ранее объективно существующее свойство дефектных монокристаллических и поликристаллических фаз, заключающееся в том, что при воздействии на них мощного внешнего излучения возникает резонанс собственных колебаний дефектных элементов структуры микро- и макровключений в результате чего разрушаются их межатомные и межмолекулярные связи, а также происходит диффузия образованных заряженных частиц (дефектных элементов).»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карбачинский В.М., Сергодеев В.В. и др. Патент Японии. №1425628. Ы С12 ВО^, 15/02

2. Карбачинский В.М., Сергодеев В.В. и др. Академический сборник научных трудов МАИ: Проблемы характеризационного анализа и логического управления, М., 1999.

3. Чурбаков В.Ф. и др. «Неделя горняка» (Тезисы докладов),

М., МГГУ, 1999.

4. Редькин С.В., Чурбаков В.Ф., Плазмохимия - 87, М., 1987.

5. Чурбаков В.Ф. и др. Известия АН СССР: Неорганические материалы, т.Х, №5, М., 1974.

6. Чурбаков В.Ф., Водовская Г.Б., Труды МГИ, М., 1988.

7. Чурбаков В.Ф., Горный информационно-аналитический бюллетень, М. Из-во МГГУ, №3,1998.

Чурбаков Виктор Федорович — профессор-советник кафедры химии, Московский государственный горный университет.

Карбачинский Владимир Михайлович — главный научный сотрудник, кафедра «Вычислительные машины», Московский государственный горный университет.

Сергодеев Владимир Васильевич — аспирант, кафедра «Вычисли-тельные машины», Московский государственный горный университет.

'У