Особенности агломерирования ультрадисперсного золота при импульсном и непрерывном лазерном воздействии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

© Н.А. Леоненко, А.П. Кузьменко, И.В. Силютин, Г.Г. Капустина, Н.Л. Швец, 2009

УДК 622.7.016.3:535.2

Н.А. Леоненко, А.П. Кузьменко, И.В. Силютин,

Г.Г. Капустина, Н.Л. Швец

ОСОБЕННОСТИ АГЛОМЕРИРОВАНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ЗОЛОТА ПРИ ИМПУЛЬСНОМ И НЕПРЕРЫВНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

И я оследние годы характеризуются необыкновенным инте-

-Щ-А. ресом к объектам ультрадисперсного, наноразмерного масштаба. Свойства наноиндивидов отличаются от свойств их макрогомологов. Связано это с зависимостью удельной поверхности частиц от их размера и, следовательно, с несравнимо более высоким структурным совершенством и с поверхностными эффектами. Такими свойствами являются тепловые, электрические, магнитные, высокая агрегативная устойчивость. Это обстоятельство имеет особое значение для решения минералого-технологических задач, в разработке приемов извлечения ультрадисперсных минералов и наночастиц, рассеянных в минеральной матрице [1].

Для дезинтеграции упорного золотосодержащего сырья исследуются способы, основанные на нетрадиционных энергетических воздействиях, таких как электрохимическое окисление, СВЧ-нагрев, облучение ускоренными электронами, а также мощными электромагнитными импульсами [2]. Известно, что тонкое и коллоидно-дисперсное золото при обогащении золотосодержащих руд и россыпей не амальгамируется, не цианируется и не извлекается при гравитационном обогащении [3,4]. Таким образом, разработка современных технологий комплексного извлечения ценных компонентов из труднообогатимых руд и техногенных месторождений, возможна на базе новейших достижений фундаментальных наук, комбинировании физико-химических, обогатительных и металлургических процессов.

Исследование быстропротекающих термических процессов в ультрадисперсных золотосодержащих средах и выявление фазовых переходов в них с целью разработки новых нетрадиционных мето-

дов извлечения труднообогатимых ценных компонентов из минерального сырья вполне может быть перспективным и актуальным.

Теоретические и экспериментальные исследования показали возможность укрупнения частиц благородных металлов при обработке лазерным излучением с учетом их свойств [5]. В работе применены два источника инфракрасного лазерного излучения (ЛИ): «Квант - 15» - импульсный твердотельный YAG:Nd3+ -

миллисекундной длительности (от 10 мкс до 100 мс), с частотой повторения импульсов до 5 Гц с пиковой мощностью от нескольких МВт до 1.2 ГВт, а так же иттербиевая лазерная установка с волоконной системой передачи лазерного излучения ЛС-06. Мощность 600 Вт. Режим работы непрерывный, модуляция до 3 кГц. Спектральная ширина 10 нм. Длина волны Х= 1070 нм.

Исследовано воздействие ЛИ на минеральные алюмосиликат-ные среды (объекты россыпных месторождений), содержащие ультратонкодисперсное золото 70 - 20 мкм, не извлекаемое гравитационными технологическими методами. В результате лазерного воздействия по данным микроскопического анализа зарегистрировано образование укрупненного золота сферически агломерированных форм. Вместе с тем, при отработке параметров иттербиево-го лазерного источника (мощность излучения, фокусировка) отмечено скопление субмикронного золота пластинчатой, игольчатой форм на силикатной матрице образцов. На рис. 1, а-в представлены цифровые изображения, полученные на оптическом микроскопе Discovery V12, визуализация объектов осуществлена с помощью программного обеспечения AxioVision, фигурными стрелками обозначены области концентрирования золота.

Электронно-микроскопические исследования образцов проведены на растровом электронном микроскопе “LEO EVO 40HV” (Карл Цейс, Германия), оснащенном энергодисперсионным анализатором “INCA-ENERGY”.

Исследование минералогических объектов с использованием детектора вторичных электронов (SE-детектор) позволило получить информацию о топографии образцов. Дополнительно к детектору вторичных электронов (SE-детектор) применен детектор обратно рассеянных электронов (QBS-детектор).

в

С помощью QBS-детектора фазы с более высоким средним атомным числом при получении изображений отражаются в контрасте более ярко по сравнению с фазами с меньшим атомным числом. Поскольку разность атомных весов золота и минералов, содержащихся в исследуемых минералогических объектах, велика, получается более контрастное изображение, позволяющее визуально выявлять золото. Выявлено рельефное отличие агломерированных поверхностей золота при воздействии импульсного и непрерывного энергетического ЛИ.

Для проведения локального качественного и количественного химического анализа минералогических объектов применен энергодисперсионный спектрометр (EDX) “INCA-ENERGY”. Чувствительность метода составляет ~ 0,1%. Ширина электронного пучка ~ 20-30 нм. Глубина проникновения электронного пучка ~ 1 мкм.

Агломерирование золота подтверждено локальным спектральным анализом. Выявлены качественные и структурные различия

рельефа поверхностей рис. 2, 3 при импульсном и непрерывном режимах работы источников лазерного излучения соответственно.

Такие различия, по-видимому, связаны с газодинамическими процессами, происходящими при короткоимпульсном воздействии миллисекундной длительности и при более длительном временном воздействии от непрерывного источник ЛИ: от 1 до 10 с. Рельеф поверхности агломерированного золота при импульсном воздействии имеет менее шероховатую поверхность (рис. 2, в - ж - ув. от 95 до 2000), в отличие от поверхности агломерированного золота, (рис. 3, б - е - ув. от 40 до 5960), образованного в экспериментах с непрерывным источником ЛИ. Вместе с тем, очевидно, что при быстропротекающих термических воздействиях лазерного излучения и в том, и в другом случае происходят газодинамические процессы, приводящие к разрыву сплошности среды на агломерированных поверхностях золота. Но форма таких разрывов имеет различия. При импульсном воздействии - разрывы неправильной формы (рис. 2 - ув. 250, 2000). По краям газовых отверстий выявлено присутствие ожелезненных алюмосиликатов с нанометриче-скими золотосодержащими включениями (рис. 2 - ув. 2000, 11000;).

Необходимо отметить, что при импульсном воздействии исследована проба с россыпи Амурской области. Для россыпей этого региона свойственно нахождение золота в природных сплавах с серебром, что наблюдается по энергодисперсионному химическому анализу. Наличие серебра подтверждено пробирным анализом фракции - 50 мкм данной пробы: Ag - 4,6 г/т, Аи - 2,3 г/т. Стехиометрическим расчетом выявлены следующие соотношения элементного состава в определяемых областях рис. 1, а, - Au3Ag5C46, в нанометрической области, рис. 1, и - Au2Ag3Fe6K8Sil2All2O2lC27.

Представляет определенный научный интерес нахождение углерода, выявленное при анализе агломератов энергодисперсионным методом после лазерной обработки проб (рис. 2, б, к, 3, а, ж-и).

В эксперименте, проводимом на иттербиевом оптоволоконном источнике непрерывного лазерного излучения ЛС-06, образующиеся поверхности "золотых" агломератов имеют сложную структуру. Состоят из полусферических агломератов

а - 700мкм

в-95х

Іолная шкала 939 имп. Курсор: 0.000

1 Элемент Бесовой % Атомный%

СК 4.45 42.14

AgL 5.58 5.89

AuM 89.97 51.97

1 Итоги 100.00

Stig X Only = Stig Y Only =

Stig X Only = Stig Y Only =

г - 250х

д - 707х

Рис. 2. Растровые изображения агломерированного золота сферической формы и исследованные участки ее поверхности после воздействия импульсного источника лазерного излучения "Квант-15": а - изображение агломерата размером 700 мкм, с отмеченной областью элементного анализа; б - спектрограмма и данные элементного энергодисперсионного анализа области, отмеченной на изображении а; в - з - изображения различных поверхностей агломерата золота при соответствующих увеличениях; и - изображения нанометрических объектов с отмеченной областью элементного анализа; к - спектрограмма и данные элементного энергодисперсионного анализа области, отмеченной на изображении и.

Риски: 500 мкм - а, 100 мкм - в, 20 мкм - г, 10 мкм - д, 2 мкм - е, 1 мкм - ж, 200 нм -з, 5 мкм - и

а - 1210х

г-194х

д - 1210х

г-5960х

Рис. 3. Растровые изображения агломерированного золота сферической формы и исследованные участки ее поверхности

после воздействия непрерывного источника лазерного излучения ЛС-06

Риски: 400 мкм - а, в, 300 мкм - ж, з, 100 мкм - б, 60 мкм - и, 20 мкм - г, 2 мкм - д, 1 мкм - е

з

и

с размерами порядка 300 - 100 мкм и менее. Визуально видна сильная шероховатость поверхности агломерированного золота (рис 3, г

- ув. 194, 1210), Отмечается возникновение разрывов поверхности сферических золотин с размерами порядка 1 мкм (рис. 3). Образование разрывов, видимо, обусловлено выносом газов из сферических агломератов золота в процессе скоростного лазерного переплава. Вместе с тем, наблюдается структурная упорядоченность образовавшейся гофрированной поверхности агломерированного золота в виде складок с шагом 2^4 мкм (рис. 3. е - ув. 5960).

Энергодисперсионным анализом золотосодержащих агломератов, образованных при исследовании воздействия непрерывного источника ЛИ также выявлено наличие углерода в исследуемых областях: рис. 3: а - АиС^; в - Аи; ж - АиС^ з -Fe5Cr5S8C22, и - АиС^. Размер золотосодержащего агломерата, исследуемого в нанометрической области, рис. 3, и - 500 нм.

Таким образом, при лазерной обработке золотосодержащего минерального сырья различными источниками ЛИ, установлен характер быстропротекающих процессов, приводящий к образованию различных структурных поверхностей золота, а также выявлены общие закономерности агломерирования и концентрирования ультрадисперсного золота, не извлекаемого гравитационными методами. Очевидно, что под воздействием внешних потоков энергии большой мощности минеральная матрица с частицами золота становится открытой неравновесной системой, описание основных закономерностей поведения которой возможно с использованием принципов синергетики. Синергетическое описание процессов структурного изменения с самоорганизацией различных подструктур в таких сильнонеравновесных системах связано с тем, что структурные неустойчивости начинают нарастать при критических значениях внешних параметров. При этом возникновение локальной упорядоченности в изначально неупорядоченной системе является основным признаком самоорганизации. В качестве таких локально упорядоченных структур можно рассматривать объединение ультрадисперсных частиц (коалесценция) золота в более крупные агломераты, возникающее на поверхности алюмосиликатной минеральной матрицы, а так же структурную упорядоченность гофрированной поверхности агломерированного золота.

Способ лазерной агломерации запатентован [6] и вполне может иметь практическое значение для решения минералого-

технологических задач. Его применение отличается от существующих технологий высоким уровнем экологической безопасности, позволит вовлечь в промышленный оборот техногенные месторождения и новообразования, что в свою очередь уменьшит экологическую нагрузку на окружающую среду.

---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Наноминералогия. Ультра- и микродисперсное состояние минерального вещества // Под ред. акад. Н.П. Юшкина, чл.-кор. РАН А.М. Асхабова, д-ра. геол.-минер. наук В.И. Ракинаю. - СПб.: Наука, 2005. - 581 с.

2. Чантурия В.А., Гуляев Ю.В., Лунин В.Д. и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // ДАН. -1999. - Т. 366. - № 5. - С. 680-683.

3. Моисеенко В.Г., Остапенко Н. С., Миронюк А. Ф. Нетрадиционный подход к отработке техногенных золотосодержащих россыпей // Горный журнал. - 2006. -№ 4. - С. 66-68.

4. Галустян Л.А. Технология извлечения коллоидного золота из производственных и сточных вод золотоизвлекательных фабрик // Горный журнал. - 2003. -№ 2. - С. 61-62.

5. ЛеоненкоН. А., Кузьменко А.П., ПетерсонМ.В., КузьменкоН.А. Лазерная агломерация ультрадисперсного золота из минеральных и техногенных ассоциаций высокоглинистых песков // Записки горного института. - СПб., 2007. - Т. 171.

- С.113-116.

6. Шевкун Е.Б., Кузьменко А.П., Леоненко Н.А и др. Способ лазерного формообразования и обогащения благородными металлами минеральных ассоциаций. Патент РФ №2255995 от 04.12.03. Опубликован 10.07.05 Бюл. № 19. nsrj=i

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Леоненко Н.А. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории "Проблем освоения месторождений открытым способом", E-mail: leonenko@igd.khv.ru

Кузьменко А.П. - доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник,

Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.

Силютин И.В. - директор ЦКП Лазерные и оптические технологии Капустина Г.Г. - преподаватель кафедры "Физика", аспирант ИГД ДВО РАН,

Швец Н.Л. - преподаватель кафедры "Физика", аспирант ИГД ДВО РАН

Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск.

E-mail: ivans66@mail.ru E-mail: g.kapustina@mail.ru