CC BY
123
-------------------------------- © В.А. Чантурия, Э.А. Трофимова,
В.И. Богачев, Ю.П. Диков,
2009
В.А. Чантурия, Э.А. Трофимова, В.И. Богачев,
Ю.П. Диков
НАНООБРАЗОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ
Представлены новые результаты о структурно-химических свойствах нанообразований на природных алмазах с различным гидрофобно-гидрофильным состоянием поверхности, полученные методами РФС и ОЖЕ-спектроскопии. С применением сканирующего электронного мик-роскопа исследованы морфологические особенности этих типов алмазов. Определены достоверные математические зависимости гидрофобности алмазов от содержания неорганических и органических примесей на их поверхности. Предложен эффективный метод модификации, активации и очистки алмазов обработкой их кислым продуктом электролиза воды — анолитом.
Ключевые слова: гидрофобный алмаз, гидрофильный алмаз, нанообразования, исследования поверхности алмазов.
ш я оверхностные и технологические свойства алмазов, на -К А. которых базируются принципы их извлечения такими процессами, как пенная и липкостная сепарации, в основном, определяются тремя факторами - толщиной поверхностной пленки на кристаллах, элементным составом и соотношением элементов, определяющим ее фазовый состав. Изучение этих факторов на алмазах представляет главную задачу в комплексе выполняемых исследований по раскрытию механизма взаимодействия кристаллов с минерализованными техническими водами и выявлению резервов повышения эффективности обогащения алмазосодержащих кимберлитов с использованием продуктов электролиза технологических вод.
Предварительно коллекция натуральных алмазов из трубки «Мир» крупностью -2 +0,5 мм была расклассифицирована по гид-рофильно-липофильному состоянию поверхности кристаллов [1]. Оценка гидрофобности проводилась по прилипанию пузырька воздуха к алмазу при продолжительности контакта до 5000 мс на контактном приборе (КП-2) В.А. Глембоцкого, в результате чего алмазы были разделены на гидрофобные и гидрофильные.
Гидрофобный алмаз Гидрофильный алмаз
Рис. 1. Характерные кристаллы гидрофобного и гидрофильного алмазов
Изучение алмазов указанных групп на сканирующем электронном микроскопе Jeol-5610 с анализатором INCA, показало, что у гидрофобных кристаллов алмаза, в основном, правильной формы поверхность достаточно гладкая и практически не имеет присыпок и образований из других минералов. Гидрофильные кристаллы более несовершенны по форме, имеют сколы и полости, в которых видны полиминеральные образования из Mg, Si, Ca, Fe и др. (рис. 1, 2).
Изучение поверхности алмазов обеих групп на наноуровне методом электронной ОЖЕ-спектроскопии (ЭОС) на установке mod 660 фирмы “Perkin Еітег” с зондовым анализатором в отдельных характерных точках и площадках кристалла, при глубине ионного травления аргоном от 3 нм до максимальной глубины около 250 нм, позволило установить на поверхности алмаза наличие пленки, бронирующей чистую углеродную поверхность алмаза, и получить сведения об элементном ее составе.
С целью получения усредненной характеристики элементного и фазового составов поверхностной пленки на алмазе проведено исследование кристаллов методом РФС (в ИГЕМ РАН на спектрометре FC-2401), при котором сигнал снимался одновременно с 10 -20 кристаллов, инкрустированных в индиевую пластинку.
В результате анализа спектров выявлено, что вблизи главной линии углерода с энергией связи, равной 285 эВ, соответствующей чистому алмазу, постоянно фиксируются два других
Рис. 3. Изменение содержания суммы элементов (Mg, &, Fe) по глубине поли-минеральной пленки на алмазах различного типа
сигнала, характеризующие сорбированные алмазом кислородноуглеродные группировки. Расшифровка спектров показала, что гидрофобные алмазы покрыты слоем СО2 газа и Н-СО3 радикалами, а гидрофильные - достаточно устойчивым слоем карборнатов.
Кроме того, на поверхности алмаза наблюдается присутствие посторонних элементов - Si, А1, Са, Fe, №, Мп и др.
Для гидрофобных алмазов величина энергетического расщепления линий основных электронов ДЕ ^2р - Mg2s) достигает 14,2 - 14,3 эВ, что характерно для магниевых силикатов группы серпентина. У гидрофильных алмазов величина энергетического расщепления этих электронов сокращается до 13,4 - 13,6 эВ, что типично для магниевых силикатов тальковой группы.
Из сравнения элементного состава исследуемых типов алмазов, видно, что различия, помимо указанных с точки зрения структуры и состава поверхности слоев, заключаются в толщине распространения бронирующей пленки, которая для гидрофобных кристаллов достигает 80 нм, что в 2,3 раза меньше, чем у гидрофильных, рис. 3.
Рис. 4. Обобщенные данные по физико-химической характеристике поверхности алмазов различного типа
Рис. 5. Зависимость гидрофобности алмазов от содержания органических соединений (С-Н) на их поверхности
Для моделирования процесса взаимодействия алмазов с минерализованными водными системами, неизбежно сопутствующего всем технологическим операциям обогащения, гидрофобные флотируемые кристаллы подвергали выдерживанию в течение 3-х часов в водной вытяжке из кимберлита тр. «Мир» с общей минерализацией - 2,58 г/л.
Анализ совокупности результатов исследования поверхности алмазов методами РФС и ЭОС позволяет утверждать, что наблюдающаяся в данном случае вторичная пассивация алмазов, вследствие сорбции их поверхностью различных элементов и соединений из водной вытяжки, обусловлена увеличением глубины проникновения поверхностной пленки с 80 до 120 нм (в 1,5 раза) и содержания в ней железа, кремния и др. примерно в 2 раза, рис. 3.
Обобщение результатов исследования физико-химических свойств алмазов, позволило выявить закономерности трансформации поверхности алмазов на наноуровне от гидрофобного типа алмаза к техногенно-гидрофильному и далее к гидрофильному, в соответствии с рис. 4.
Необходимо отметить, что наряду с полиминеральными образованиями на поверхности алмаза выявлено присутствие органических соединений (С-Н), влияние которых на гидрофоб-ность поверхности также значимо, рис. 5.
Идентификация элементно-фазового состава нанообразований на алмазах дала основание авторам считать перспективным для их деструкции и модификации применение методов химического и электрохимического воздействия, не нарушающих целостность кристаллов. Разработан метод глубокой очистки поверхности алмазов с использованием кислого продукта электрохимической обработки хлоридсодержащей воды [2], позволяющий подготовить кристаллы к последующим доводочным операциям и повысить их качественные характеристики.
Метод реализован в цехе окончательной доводки алмазных концентратов на ОФ №3 Мирнинского ГОКа.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Связь поверхностных и технологических свойств алмазов при обогащении кимберлитов/ В.А. Чантурия, Э.А. Трофимова, Ю.П. Диков, В.И. Богачев, Г.П. Двойченкова, А.В.Зуев// Горный журнал. - 1998. - № 11-12.
2. Теория и практика применения электрохимического метода водоподго-товки с целью интенсификации процессов обогащения алмазосодержащих кимберлитов/ В.А. Чантурия, Э.А. Трофимова, Г.П. Двойченкова, В.И. Богачев, В.Г. Миненко, Ю.П. Диков// Горный журнал. - 2005. - № 4. \ЇЇШ
Chanturia V.A., Trofimova A.A., Bogachev V.I., Dikov Y.P.
NANOFORMATIONS AT THE SURFACE OF NATURAL DIAMONDS
In this paper are presented the new results about structural and chemical properties of nanoformations on natural diamonds with different hydrophobicity and hydro-philicity of surface, which are received with using X-ray and OGE spectroscopy. The morphological peculiarity of this diamond types are researched which help of SEM. The reliable mathematical dependence of hydrophobicity diamonds from content of organic and inorganic mixture on surface diamond is determined. Authors suggested the effective method of surface diamonds modification activation and cleaning with using treatment of crystals by acidic electrolysis water product - anolyte.
Key words: hydrophobic diamond, hydrophilic diamond, nanoformations, study on the surface of diamonds
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Чантурия В.А. - академик, директор Учреждения Российской Академии наук Института проблем комплексного освоения недр РАН, Трофимова Э.А. - кандидат технических наук, вед. научный Сотрудник, Богачев В.И. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Учреждение Российской Академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН (УРАН ИПКОН РАН).
Диков Ю.П. - доктор геолог-минералогических наук, вед. научный сотрудник Учреждения Российской Академии Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН).
