CC BY
38
--© Г.В. Секисов, А.П. Кузьменко,
Н.А. Леоненко, Н.А. Кузьменко, 2006
УДК 622.016.24:549
Г.В. Секисов, А.П. Кузьменко, Н.А. Леоненко, Н.А. Кузьменко
ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МИНЕРАЛЬНЫЕ АССОЦИАЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Семинар № 16
лагородные металлы, в частно-Л.М сти, золото обладают целым рядом уникально выгодных сочетаний физико-химических свойств по сравнению с силикатными, сульфидными и прочими минералами россыпных и рудных месторождений [1]. Выделим из многообразия свойств наиболее значимые применительно к воздействию лазерного излучения на минеральные объекты, содержащие благородные металлы. Так золото обладает наибольшим коэффициентом отражения и пренебрежимо малым коэффициентом поглощения на длине волны 1,06 мкм. Наряду с этим для золота, также как и других металлов этой группы, характерна, наряду с достаточно невысокой температурой плавления (Тпл = 1063 °С), большая температура кипения (Тк = 2807 °С), высокая химическая устойчивость. Совокупность всех этих свойств является хорошей предпосылкой для исследований воздействия ЛИ на длине волны 1,06 мкм на золотосодержащие минеральные объекты. При выборе цели настоящей работы также принималось во внимание то, что имеется достаточно обширный класс минеральных продуктов, включающих не извлекаемое традиционными (пирометал-лургическими, гравитационными и другими) методами золото, находя-
щееся в ионном, ультра-, тонко - и коллоидно-дисперсном видах.
Согласно принятой классификации самородного золота по размерам его частиц и скоплений, к тонкодисперсному относится золото представленное частицами размером от 1 до 10 мкм, к ультра тонкодисперсному - 0,1^1 мкм, к коллоидно-дисперсному - менее 0,1 мкм [2]. Границы между ними, в известной степени чисто условны. Скопления ''невидимых'' зерен золота по своим размерам, близким к коллоидам, нередко оказываются ''видимыми'', даже невооруженным глазом. По мнению исследователей, сульфидные руды всех типов содержат тонкодисперсное и коллоидно-дисперсное золото. Тонкое золото в существенных количествах присутствует также в рудах многих сульфидно-кварцевых месторождений. Коллоидное золото не амальгамируется, не цианиру-ется, не выделяется при гравитационном обогащении и не осаждается в ловушках, таким образом, вскрытое в процессе измельчения свободное золото, размеры частиц которого сопоставимы с коллоидами, не извлекается при обогащении золотосодержащих руд и сбрасывается с хвостами фабрик в отвалы.
Сравнительный анализ электронных микрофотографий коллоидов золота в промышленных и модельных растворах позволил выявить идентичность форм
нахождения золота и определить размеры коллоидов золота в промышленных растворах - от 0,1 до 0,01 мкм. Как показано в [2] коллоидная частица золота в водной среде образует комплекс - коллоидную мицеллу. Ядро мицеллы имеет положительный заряд на границе твердой и жидкой фаз и вследствие этого окружено отрицательно заряженными гид-роксильными ионами, образующими плотную оболочку вокруг частиц золота. Устойчивый отрицательный заряд мицелл гидрозолей золота препятствует их коагуляции и осаждению.
Как показал гранулометрический анализ исследуемых нами исходных золотосодержащих минеральных объектов, размеры золотин изменяются в широких пределах (0.001^20 мкм), и имеют сложно профильную, пластинчатую или игольчатую форму (рис. 1, а, 2, а, 3, а). Задача извлечения такого золота имеет очевидный практический смысл, так как в большей мере именно в таком виде оно содержится в техногенном минеральном сырье. К примеру, тонкодисперсное и ультра-тонкодисперсное золото практически не извлекается из глинистых минеральных продуктов достаточно широко распространенных россыпных месторождений. Глинистые минералы имеют пластинчатый габитус со слоистым типом решетки. Следует учесть, что в процессе естественно-природ-ных циклов замораживания и оттайки в них отмечается увеличение расстояния между отдельными слоями. В результате структурной перестройки такого типа наблюдается ослабление ионной связи между алюмосиликатом и золотом, возможно, сопровождаемое изменением ее полярности и даже разрывом [2]. Однако содержащееся в глинах в таком виде ультрадисперсное золото промышленно не извлекается. Еще большие трудности возникают при извлечении коллоидно-ионного
золота и ультрадисперсного золота из руд сульфидно-кварцевых месторождений. Эти обстоятельства обусловливают дополнительное обострение экологических проблем за счет роста объемов используемых химических реагентов.
Для исследования процессов взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с такими золотосодержащими минеральными ассоциациями был приме-нен импульсный твердотельный лазер на основе иттрий алюминиевого граната, активированного неодимом (УАв:Ш3+). Плотность мощности и длительность импульсов излучения данного источника ЛИ могла плавно варьироваться в пределах до 1 МВт/см2 (при средней мощности ЛИ до 10 кВт) и от 150 мкс до 1 мс, соответственно. Длительности импульса порядка 1 мс соответствовало энергии в импульсе до 1 Дж. Пиковая мощность ЛИ при этом несколько превышала 1 ГВт. При этом фокусировка ЛИ в пятно диаметром 100 мкм давала плотность мощности до 1 МВт/см2. Частота следования импульсов изменялась до 100 Гц, что существенно расширяло возможности для исследования процессов взаимодействия концентрированного электромагнитного излучения с золотосодержащими минеральными средами. Во всех случаях энергия в импульсе ЛИ позволяла плавить исходные минеральные продукты. Подбирался такой режим лазерной обработки, чтобы исключить испарение. Это обеспечивалось уменьшением плотности мощности либо за счет снижения выходной мощности излучения, либо за счет расфокусирования пучка ЛИ [3].
Предварительные оценки параметров ЛИ, выполненные на основе уравнений теплового баланса, позволяли оптимизировать режимы лазерного воздействия, чтобы имел место только режим стационарного плавления. С учетом граничных условий может быть получено упрощенное уравнение теплового баланса:
Рис. 1. Фотографии исходной золотосодержащей глины до (а) и после (б) лазерной обработки
Ы = ад^ь + + + С(Жбк - 70)), (1)
в котором, помимо нагрева материала, учтены также теплота испарения (¿и) и скрытая теплота плавления (£пл). Здесь 10, А, р, С - интенсивность ЛИ, по-глощательная способность, удельная плотность и теплоемкость обрабатываемой среды, соответственно. Из (1) удается получить стационарную скорость перемещения фазовой границы плавления в глубь материала под действием ЛИ:
¥ёк = /0А|р(^ь + Ьёк + С(% - 70)) (2)
Реально достижимая величина этой скорости в стационарном режиме плавления составляет несколько сотен м/с. Следует иметь в виду, что с ростом плотности мощности скорость плавления может существенно возрасти, достигая звуковой скорости, что вызовет нарушения условий стационарности плавления. Эти выводы позволяют заключить, что при обработке минеральных продуктов импульсным ЛИ мы, очевидно, имеем дело с замкнутой системой.
Исходные золотосодержащие минеральные продукты в насыпном виде помеща-
лись в специальную графи-
Рис. 2. Фотографии исходного минерального продукта, содержащего шлиховое золото до (а) и после (б) лазерной обработки
товую кювету с открытым для ЛИ входом. Диаметр расфокусированного излучения задавался с учетом технологической целесообразности: воздействие на наибольшее количество минерального сырья с включениями золота при минимальных его потерях на испарение. Использование коротко импульсного лазерного воздействия позволяло достигнуть высокой термолизации (без испарения) благородных металлов. В результате, как и ожидалось, имело место ускорение химических реакций до скоростей, при которых окислительные процессы будут заведомо отставать от восстановительных реакций.
Для определения оптимальных режимов лазерного воздействия на указанные соединения изменялись: энергия, длительность и частота следования импульсов ЛИ, а также фокусное расстояние и время воздействия. Наибольший эффект был достигнут при воздействии
расфокусированным ЛИ (с диаметром пятна 4^5 мм) с частотой следования импульсов 5 Гц в течение 40 с. Исходная золотосодержащая минеральная смесь представляла частицы с размерами, изменяемыми от менее 1 мкм и до 200 мкм. В 1 г модельного образца исходной глины содержалось менее 10 мг золота (рис. 1, а). Шлиховое золото имело пластинчатую или игольчатую форму (рис. 2, а). Размеры коллоидно-ионного золота было значительно меньше микрона и сложную форму (рис. 3, а). Исходные минеральные продукты равномерным слоем толщиной 13 мм помещались в графитовую кювету.
После лазерной обработки проводились рентгенофазовый и микроскопический анализы. В результате лазерного воздействия по данным микроскопического анализа было зарегистрировано образование обоженных достаточно правильной формы сфер из глинистых, алюмосиликатных частиц. Их диаметр варьировался в пределах 500-1500 мкм. Одновременно с этим было зарегистрировано осаждение на этих поверхностях частиц расплавленного золота также сферической формы с размером от 100500 мкм. Это иллюстрируется фотографией, представленной на рис. 1, б.
Для построения качественной физической модели процессов, протекающих при лазерном воздействии на такие соединения, были учтены температуры плавления и испарения, а также коэффициенты поверхностного на-
Рис. 3. Фотографии исходного минерального продукта, содержащего коллоидно-ионное золото до (а) и после (б) лазерной обработки
Сравнительные данные коэффициентов поверхностного натяжения для расплавленных металлов
Химический элемент Температура плавления, °С Коэффициент поверхностного натяжения, дин/см
И 1773 1820
Аи 1103 1100
РЬ 350 453
№ 290 290
Б 160 59
тяжения (о), входящих химических составляющих [3]. Учитывалось также уменьшение коэффициента поверхностного натяжения с ростом температуры, определяемое правилом Этвиша о = о0(Т - Тс). Известные значения коэффициента поверхностного натяжения и температуры плавления для некоторых металлов и неметаллов, родственных входящим в алюмосиликатные и им подобные соединения, представлены в таблице. Как показывает анализ этих данных, наибольшая величина коэффициентов поверхностного натяжения характерна именно для благородных металлов. В частности, у платины и золота он достигает наибольших значений. Это обстоятельство должно приводить при плавлении таких металлов к формированию сферических поверхностей с меньшими радиусами, так как Е= с$.
На начальной стадии лазерного оплавления минеральных продуктов, очевидно, происходит процесс фор-
мообразования из расплавов поверхностей материалов с минимальной энергией, которой является сферическая поверхность, что, согласуется с фотографиями, представленными на рис. 1, б^3, б.
В этих условиях золото в силу уникальности своих свойств, о которых говорилось выше, вплоть до достижения температуры плавления может выступать в качестве поверхностно-активного вещества по отношению к уже расплавившейся массе сопутствующих минеральных продуктов. При визуальном анализе реализовался следующий сценарий. Частицы ультрадисперсного золота, подобно броуновским частицам, совершали неупорядоченные движения по поверхности уже возникшей сферы из легкоплавких включений вплоть до момента их оплавления (при температуре порядка 1000 °С). Далее за счет эффекта смачивания происходила агломерация этих мицелоподобных расплавленных ультрадисперсных частиц золота. В процессе их оплавления также действовали гидродинамические силы поверхностного натяжения, что сопровождалось образованием поверхностей с минимальной энергией, то есть сферических поверхностей, как это демонстрируют фотографии рис. 1, б, 2, б и 3, б.
Эти результаты можно объяснить и из термодинамических соотношений, если ввести величину поверхностной энтропии: дст/дТ. Тогда с учетом ее вклада внутренняя энергия, описываемой системы, может быть представлена в виде выражения: и = ст- Тдст/дТ. Из этого соотношения следует, что для минимизации величины внутренней энергии расплавившейся массы минеральных продуктов, содержащих золото (или другие благородные включения) энергетически выгод-
ной становится агломерация золота в виде сфер.
Обнаруженный процесс агломерации золота из минеральных ассоциаций, включая техногенные отвальные породы, при действии на них ЛИ, сопровождаемый образованием сферических гранул с субмиллиметровыми размерами, на наш взгляд, может вполне иметь практическое значение. Наблюдаемые изменения формы, структуры и гранулометрического состава минеральных золотосодержащих ассоциаций после лазерной обработки создают условия для выделения из них золота обычными гравитационными методами, что, действительно, свидетельствует в пользу их практической значимости. На этой основе может быть предложен достаточно эффективный и экологически безопасный способ укрупнения частиц благородных металлов, не извлекаемых традиционными методами, основанный на их лазерной обработке, учитывающей оптические и теплофизические особенности благородных металлов, для последующего извлечения
традиционными способами [3].
Выводы:
При воздействии лазерного излучения на тонкодисперсное минеральное сырье, содержащее трудно извлекаемое игольчатое, пластинчатое и коллоидно -ионное золото обнаружен процесс его агломерации с образованием укрупненных частиц золота каплевидной формы с размерами частиц на один два порядка большими исходных.
Предложена качественная физическая модель, объясняющая наблюдаемый процесс агломерации золота, описывающая его в рамках гидродинамической модели расплавов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика / Под ред. Дортман Н.Б.М.: Недра. 1984. 456 с.
2. Галустян Л.А. Технология извлечения коллоидного золота из производственных и сточных вод золотоизвлекательных фабрик. Горный журнал. 2003. № 2. С. 61-62.
3. Zhukov E.A., Kuz'menko N.A., Nikolenko S.V., Kuz'menko A.P., Leonenko N.A. Laser ablation ZrO2 on a surface (111) silicone and treatment raw mineral containing superdispersed Au // "4th Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics", Proceeding 13-16 September, Khabarovsk, 2004, P. 74 - 77.
— Коротко об авторах -
Секисов Г.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Проблем освоения месторождений открытым способом»,
Леоненко Н.А. - старший научный сотрудник лаборатории «Проблем освоения месторождений открытым способом»,
Институт горного дела ДВО РАН,
Кузьменко А.П. - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника»,
Кузьменко Н.А. - старший преподаватель кафедры «Физика» Хабаровский государственный университет.
© В.Г. Черкасов, 2006
УДК 622.75 В.Г. Черкасов
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ДВОЙНОГО РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА В ТОНКОСЛОЙНЫХ (КАНАЛЬНЫХ) АППАРАТАХ
Семинар № 19
последнее время в обогатительной практике для выделения тонкодисперсной твердой фазы из гидровзвеси всевозрастающее применение находят тонкослойные (канальные, полочные, многоярусные) аппараты (ТА), в которых разделительный процесс базируется на прохож-
дении массопотока через систему наклонных параллельных каналов, образующих тонкослойное пространство. Такое "многоэтажное" осаждение относится к энергосберегающей технологии и позволяет резко сокращать производственные площади и время разделения. По технологической
