CC BY
107
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
© О.В. Шестаков, В.Ф. Чурбаков, 2001
УДК 622.765
О.В. Шестаков, В.Ф. Чурбаков ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ КВАРЦЕВЫХ ЗЕРЕН ОТ ПРИМЕСЕЙ
В
процессах обогащения кварцевых песков для нужд стекольной промышленности особую роль играет поверхность кристаллических зерен, поскольку большая часть примесей приурочена к дефектам поверхности [1, 2]. Именно на поверхности зерна наблюдаются сростки посторонних минералов и оксидных пленок. Удаление такого рода примесей производится механическим путем (отмывка- дезинтеграция глинистых и некоторых других минералов- примесей в виброакустическом поле)
[3].
Однако такая дезинтеграция позволяет удалять с поверхности зерна не все загрязняющие минеральные фазы, часто необходимо применять наряду с механической - физико-химическую активацию поверхности.
Частицы кварцевого песка характеризуются определенной степенью разупорядоченности поверхности и внутренних областей кристаллической решетки. В условиях механической обработки степень неупорядоченности может быть резко увеличена. Нарушение первичной структуры (размеров первичных кристаллитов и аморфных областей), а также вторичной структуры (измене-ние размера частиц, удель-
ной поверхности, формы зерен) зависит от таких условий механической обработки: способ обработки, интенсивность и продолжительность механического воздействия. Решающее значение при этом имеют различные механизмы создания напряжений, возникающих в тех или иных измельчающих устройствах.
[5, 6].
В момент столкновения частицы с поверхностью твердого тела в области контакта в зоне субмикроско-пической деформации происходит квазиадиабатическое аккумулирование энергии и появляются т.н. "сгустки энергии". Образуются на очень короткое время высшие возбужденные состояния, значительно ослабляется решетка, возникают разрушения структуры, связанные с выбросом из нее атомов и электронов, а также с возбуждением фотонов. Эти аспекты систематизированы в феноменологической модели "магма-плазмы", которая схематически представлена на рис. 1 [4].
Механическая обработка приводит к уменьшению размеров первичных кристаллов, а также к амор-физации кварцевых зерен. В процессе измельчения достигается почти полная аморфизация кварца, а размеры первичных кристаллов при
этом не превышают 10 нм. Видоизмененная структура механически активированного кварца, рассматривавшаяся до настоящего времени как аморфная часть или аморфная фаза материала, давно служила объектом многочисленных исследований ввиду ее значения как фактора, определяющего реакционную способность. Присутствие воды в процессе механической обработки также существенно влияет на образование аморфной фазы и толщину ее слоя. Удельная поверхность при влажном измельчении возрастает сильнее, чем при сухом, однако доля аморфной фазы, образующейся при обработке и толщина аморфного слоя гораздо меньше при влажном размоле, чем при сухом (2 нм по сравнению с 15-16 нм) [8].
В целом структура кварцевого зерна, активированного в условиях взаимодействия частиц при измельчении, может быть описана моделью, представленной на рис. 2, причем предполагается, что между ядром зерна и поверхностным слоем нет никакой дискретной границы [5].
Рис. 1. Модель "магма-плазмы", объясняющая процессы при ударе летящей частицы о твердую поверхность: 1 - экзоэмиссия; 2 - неискаженная структура; 3 - плазма; 4 - разупорядоченная структура
Морфологические исследования области удара показали, что образуется ярко выраженная частично разупорядоченная структура (аморфная фаза). В экспериментах по травлению было доказано, что дислокации из области удара мигрируют внутрь твердого тела. Вследствие этого за зоной первичного возмущения следует так называемая зона вторичного возму-
щения, представляющая собой менее нарушенную область. Изменение структуры кварца, в частности образование аморфной фазы, приводит к снижению плотности. Кроме того, структурные и электронные дефекты в кварце обеспечивают возрастание избыточной энтальпии. Дефекты, главным образом в виде аморфной фазы, образование которой сопряжено с
Рис. 2. Модель влияния ударной нагрузки на кварцевое зерно:
а - начальное зерно с областями когерентного рассеяния, б - зерно после снятия механического напряжения
Рис. 3. Зависимость содержание оксида железа от частоты колебания поршня
Рис. 4. Зависимость содержания оксида железа от соотношения Т:Ж в пульпе
возрастанием избыточной свободной энтальнии, приводят также и к возрастанию реакционной способности кварца. Механически обработанный кварц обнаруживает такую же химическую активность, как и аморфные типы диоксида кремния, например кремневая кислота и силикагель. Однако в аморфных фазах диоксида кремния нет никакого градиента структурной упорядоченности по направлению от поверхности зерна внутрь, тогда как в зернах механически обработанного кварца упорядоченность возрастает от поверхности к внутренним слоям [5,
7].
Описанный механизм механической обработки объясняет значительное снижение примесей при измельчении кварцевых зерен в процессе механической оттирки.
Кроме механического воздействия на зерно кварца при измельчении рекомендуется применение комбинированных методов, таких как виброакустическая промывка и оттирка с реагентами. Основным объектом воздействия в процессах промывки кварцевого сырья являются глинистые породы, представляющие собой естественные сложноструктурные дисперсные системы, большей частью полимине-ральные и полидисперсные осадочные образования, обладающие целым рядом специфических свойств, обусловленных как их генезисом, так и природными и технологическими факторами в процессе добычи и переработки песка. Влияние перечисленных факторов на эффек-
тивность процесса обогащения может быть весьма существенным [3].
Примеси посторонних минералов (в частности пленки оксидов железа) на внешних и внутренних поверхностях кристаллического зерна создают неоднородности в распределении поверхностной энергии. Такие участки обладают повышенной сорбционной активностью, адсорбируя ионы растворенных веществ, причем наиболее интенсивно эти процессы происходят в порах,
трещинах и других дефектах поверхности кристаллического зерна. В кислой среде наиболее интенсивно происходит Н- ионный обмен, что создает заметный эффект очистки кварца от катионных примесей.
Ниже приводятся экспериментальные данные по изучению виб-роакустического воздействия на кварцевые стекольные пески Раменского ГОКа (такие как частота колебания поршня, время обработки, соотношение твердого к жидкому в
1. Чурбаков В.Ф. Горный информационно- аналитический бюллетень, М., Изд-во МГГУ, № 3, 1998.
2.Чурбаков В.Ф. и др. Известия АН СССР. Неорганические материалы, т.10, №5, -М., 1987.
3. Карбачинский В.М. и др. Патент Японии. №1425628. Ш С12 ВОШ, 15/02.
4. Шестаков О.В. Активация поверхности кварцевого зерна при механических воздействиях. Неделя горняка. -М, МГГУ., 2001.
5.ХайникеГ. Трибохимия: Пер. с англ.- М.: Мир, 1987.
Рис. 5. Зависимость содержания оксида железа от времени обработки
пульпе). Графические зависимости строились по относительному содержанию количества пленок оксида железа на поверхности обрабатываемого песка, переменные параметры- время обработки, частота колебания поршня и соотношение Т:Ж (рис. 3, 4 ,5).
Заключение
Рассмотрены механизмы появления напряжений в кварцевых зернах при механической обработке. В результате механического воздействия с поверхности зерна минеральные примеси переходят в аморфную фазу, приобретают дополнительную энергию и могут быть отделены от кварца.
Обоснована необходимость применения химических реагентов в жидкой фазе для удаления примесей с поверхности кварцевого зерна при механической активации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Бутягин П.Ю. Разупорядочение структуры и механо-химические реакции в твердых телах.- Успехи химии, 1984, т.53, № 11.
7. Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии неорганических веществ.- Новосибирск: Наука, 1983.
8. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов.- Новосибирск: Наука, 1986.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шестаков Олег Васильевич — аспирант, кафедра «Обогащение полезных ископаемых», Московский государственный горный университет.
Чурбаков Виктор Федорович — профессор, доктор технических наук, кафедра химии, Московский государственный горный университет.
