CC BY
30
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МИНЕРАЛЬНЫМИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ СРЕДАМИ
© Капустина Г.Г.*, Леоненко Н.А.*, Швец Н.Л.*
Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск
Исследовано воздействие лазерного излучения на минеральные среды, содержащие ультрадисперсные среды, не извлекаемые гравитационными методами. Установлено формирование новых структурных поверхностей золота с увеличением размеров до субмикронного уровня.
Золотопромышленность занимает важное место в экономике России. При разработке россыпных месторождений значительная часть ценных минералов теряется, уходя в хвосты переработки и обогащения, создаются техногенные россыпи промышленной переработки. Проблема техногенных месторождений - это распознавание и извлечение мелкого (0,25-0,1 мм) и тонкого (< 0,1 мм) драгоценного металла, в частности, золота. Большая доля трудноизвлекаемых тонкодисперсных частиц золота в техногенных россыпях по морфологическим признакам имеют чешуйчатую, пластинчатую или игольчатую форму, и при традиционном гравитационном методе эти частицы не извлекаются.
Создание новых эффективных технологий и технических средств, для извлечения полезных компонентов из исходного сырья и продуктов его переработки, является одной из важнейших задач в настоящее время. Для дезинтеграции золотосодержащего сырья исследуются способы, основанные на нетрадиционных энергетических воздействиях, таких как электрохимическое окисление, СВЧ-нагрев, облучение ускоренными электронами и мощными электромагнитными импульсами [1]. Одним из энергетических воздействий является взаимодействие лазерного излучения с минеральными средами, в основе которого лежит способность создания на малом участке поверхности высокой плотности теплового потока, достаточного для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связанно с термическим эффектом поглощения излучения непрозрачными твердыми телами.
Методика эксперимента
Для исследования были подготовлены минеральные алюмосиликатные среды - высокоглинистые пески с россыпей дальневосточного региона и
* Старший преподаватель кафедры «Физика» ТОГУ.
* Старший научный сотрудник Института горного дела ДВО РАН, кандидат технических наук. " Преподаватель кафедры «Физика» ТОГУ.
модельные образцы с введением ионно-коллоидного золота. По сравнению с силикатными, сульфидными и прочими минералами, содержащимися в образцах, золото обладает существенно отличающимися физико-химическими свойствами, например, низкой температурой плавления (1063 0С) и высокой температурой кипения (2807 0С), что позволяет надеяться на их различное поведение при воздействии лазерного излучения на золотосодержащие минеральные объекты. Электронные изображения (с различным увеличением) представлены на рис. 1, элементный состав минералов, составляющих основу исходных образцов, получены с помощью электронного микроскопа «LEO EVO 40HV» (Карл Цейс, Германия), оснащенном энергодисперсионным анализатором «INCA-ENERGY».
в) 3000х г) 124х
Рис. 1. Электронные изображения минеральных образцов: а - алюмосиликатная глина, б, в - модельные образцы с внесенным коллоидным и ионным золотом, г - данные элементного анализа
Исследование минералогических объектов с использованием детектора вторичных электронов ^Е-детектор) позволило получить информацию о
топографии образцов. Дополнительно к детектору вторичных электронов (8Б-детектор) применен детектор обратно рассеянных электронов (QBS-детектор), который позволяет получить информацию о фазе образца. 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 чисел золота и минералов, содержащихся в исследуемых минералогических образцах велика, то получается более контрастное изображение, позволяющее визуально выявлять золото.
Источником мощного потока энергии служил иттербиевый оптоволоконный лазер ЛС-06 непрерывного действия, с длиной волны X = 1070 нм и мощностью излучения 600 Вт. В ходе эксперимента мощность излучения варьировалась от 60 до 300 Вт.
Для исследований золотосодержащие высокоглинистые алюмосили-катные образцы в рассыпном виде, с толщиной слоя 2-3 мм, помещались на специальную графитовую подложку. Над графитовой подложкой размещалась оптическая головка лазера, благодаря которой создавалась возможность задавать параметры расфокусированного излучения. Лазерное излучение, пройдя по иттербиевому оптоволокну, и через оптическую головку, размещенную вертикально и жестко закрепленную на штативе, попадало на исследуемые образцы. Движение подложки осуществлялось со скоростью 1 мм/с. Диаметр расфокусированного излучения подбирался эмпирически и составлял 5-7 мм [4].
Результаты и обсуждение
Процесс лазерного воздействия на минеральные среды протекает в несколько этапов. На первом этапе происходит оплавление более легкоплавких минеральных продуктов с образованием неоднородных силикатных спеков, на поверхности которых наблюдаются обожженные агломераты из глинистых и алюмосиликатных частиц. Размер агломерата зависит от толщины насыпного слоя минерального образца и диаметра расфокусированного лазерного пятна.
На втором этапе происходит плавление ультрадисперсных частиц золота. Расплавленное золото, охлаждаясь, оседает в виде капель на поверхности алюмосиликатных спеков. Образование наночастиц золота на алюмосиликатных спеках после лазерного излучения представлены на рис. 2.
Согласно электронно-дисперсионному и атомно-силовому анализу размер оплавленных частиц больше, чем размер частиц в исходных образцах.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями [5, 6] показана возможность укрупнения частиц благородных металлов при обработке лазерным излучением с учетом свойств золотосодержащих дисперсных образцов.
Рис. 2. Изображения алюмосиликатных спеков после лазерного излучения: а - модельного образца с внесенным коллоидным золотом, б - алюмосиликатной глины с данными элементного состава
Эффективность процесса лазерной агломерации субмикронного золота определяется тепловым воздействием лазерного излучения, под действием которого температура материала может превысить температуру возможных фазовых превращений, что приведет к изменению его структурно-фазового состояния. Температурное поле, формирующееся в минеральной среде при лазерном облучении, можно оценить с учетом условий теплопередачи в твердых телах за счет теплопроводности. Решение уравнения теплопроводности с заданными начальными и граничными условиями позволяет определить температуру объекта воздействия и скорость ее изменения, оптимальные режимы лазерного воздействия для получения частиц золота максимального размера, что облегчит их последующее извлечение.
* * *
Процесс агломерации дисперсного золота из минеральных сред под действием лазерного излучения может иметь практическое применение. На основе обнаруженного эффекта могут быть предложены эффективные и экологически чистые методы предварительной концентрации благородных металлов для дальнейшего их извлечения традиционными гравитационными методами.
Список литературы:
1. Чантурия В.А., Гуляев Ю.В., Лунин В.Д. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // ДАН. - 1999. - Т. 366, № 5. - С. 680-683.
2. Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 52 с.
3. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под редакцией В.Я. Панченко. - М.: Физматлит, 2009. - 664 с.
4. Леоненко Н.А., Ванина Е.А., Гальцов А.А., Капустина Г.Г. Лазерная термоактивация ультрадисперсного золота и математическое описание процессов взаимодействия лазерного излучения с минеральными средами // Проблемы комплексного освоения георесурсов: материалы IV Всероссийской научной конференции. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2011. - Т. 1. -С. 348-352.
5. Леоненко Н.А., Ванина Е.А., Гальцов А.А., Капустина Г.Г., Селю-тин В.И. Терморадиационная активация и формирование упорядочных структур в дисперсных минеральных средах при лазерном воздействии // Физика и химия обработки материалов. - 2011. - № 2. - С. 23-26.
6. Пат. 2413779 Российская Федерация, МПК С 22 В 11/02, В 22 F 1/00. Способ извлечения дисперсного золота из золотосодержащего высокоглинистого минерального сырья / Н.А. Леоненко, А.П. Кузьменко, И.В. Силю-тин, И.Ю. Рассказов, Г.В. Секисов, М.А. Гурман, Г.Г. Капустина, Н.Л. Швец; заявитель и патентообладатель Институт горного дела ДВО РАН, Тихоокеанский государственный университет. - № 2010113683/02; заявл. 07.04.10; опубл. 10.03.11. Бюл. № 7.
