Наноразмерные исследования материалов лазерной агломерации ультрадисперсных включений в минеральном и техногенном сырье

Храпов, Игорь Валерьевич

Наноразмерные исследования материалов лазерной агломерации ультрадисперсных включений в минеральном и техногенном сырье тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Храпов, Игорь Валерьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Наноразмерные исследования материалов лазерной агломерации ультрадисперсных включений в минеральном и техногенном сырье»

Автореферат диссертации на тему "Наноразмерные исследования материалов лазерной агломерации ультрадисперсных включений в минеральном и техногенном сырье"

На правах рукописи

ХРАПОВ Игорь Валерьевич

Наноразмерные исследования материалов лазерной агломерации ультрадисперсных включений в минеральном и техногенном сырье

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

31 С!(Т 2013

005536755

Курск 2013

005536755

Работа выполнена в Юго-Западном государственном университете на кафедре «Нанотехнология и инженерная физика» и Региональном центре нанотехнологий

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Кузьменко Александр Павлович

Официальные оппоненты:

Емельянов Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор, Юго-Западный государственный университет, руководитель НОЦ «Наноэлектроника»

Жуков Евгений Александрович,

доктор физико-математических наук, Тихоокеанский государственный университет, кафедра «Электротехника и электроника»

Ведущая организация:

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Защита состоится 21 ноября 2013 г. в 13.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, ауд. Г-8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета, по адресу г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Автореферат разослан 18 октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.105.04, кандидат

физико-математических наук ^ ^ Рослякова Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Характерной особенностью настоящего момента является тот факт, что в условиях все более обостряющейся проблемы, в значительной степени обусловленной истощением в географически доступных зонах стратегических запасов благородных металлов, возникает острая необходимость введения в промышленный оборот месторождений, содержащих наноразмерное, ультрадисперсное и тонкое золото, входящее в сульфидные соединения и структурно-сложные сростки, что резко ограничивает уровень извлечения (его величина не превышает 50%).

При добыче вся последовательность технологических операций реализуемых в процессе обогащения благородных металлов из минеральных продуктов имеет очевидную направленность — повышение эффективности извлечения ценных компонентов. Вполне естественной становится задача снижения затрат на эти цели, что фактически недостижимо в рамках действующих горнодобывающих предприятий, занятых добычей, в частности, благородных металлов, основанной на использовании традиционных, сложившихся технологий. Наиболее существенный прирост извлечения таких благородно-метальных включений достигается при воздействии мощными наносекундными электромагнитными импульсами, пучками ускоренных электронов, ультразвуковой обработки, воздействий СВЧ-излучения, электроимпульсных, магнитно-импульсных, электрохимических, электродинамических и ударно-волновых. Интенсивное развитие и создание новых поколений лазерной техники (эффективные полупроводниковые лазерные источники на гетер о структур ных переходах с промышленно значимой выходной мощностью излучения, иттербиевые волоконные лазерные источники с мощностями до нескольких десятков киловатт) открывает новые горизонты их практического применения, делает целесообразными работы по изучению лазерного взаимодействий с минеральными соединениями, содержащими нано- и ультрадисперсные благородно-метальные включения.

Предварительно полученные результаты в этом направлении позволили обнаружить явление лазерной агломерации нано- и ультрадисперсных включений [1], предложить на его основе способ обогащения [2]. Построение качественной физической модели, описывающей всю совокупность взаимосвязанных процессов иниции-

руемых лазерным излучением в весьма сложных многокомпонентных, гетерогенных и гетерофазных системах, установление рациональных режимов и параметров лазерной обработки минеральных соединениях, содержащих нано- и ультрадисперсные включения благородных металлов и платиноиды с целью их эффективного извлечения, представляет актуальную научную и экономически востребованную задачу.

Цель диссертационной работы

Целью данной диссертационной работы являлось изучение инициируемых лазерным излучением процессов дефрагментации, термокапиллярного извлечения и агломерации ультра- и нанодисперсных металлических включений в составе минерального и техногенного сырья.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс технологических решений для использования типовой лазерной технологической установки по исследованию лазерного воздействия на минеральные и техногенные системы.

2. Отработать методики комплексных структурных, элементных и фазовых исследований составов, и структуры для сквозного контроля до- и после лазерной обработки минерального сырья и техногенных продуктов, содержащих ультра- и нанодисперсные металлические включения.

3. Установить особенности и закономерности характеризующие процессы лазерной обработки модельных материалов с известным уровнем содержания ультра-и нанодисперсных включений благородных металлов.

4. Построить качественную физическую модель процессов, инициируемых в минеральном сырье и техногенных продуктах, содержащих ультра- и нанодисперсные включения благородных металлов.

5. Провести комплекс исследований по лазерной обработке минерального сырья и техногенных отходов горнодобывающих производств Курской области.

6. Разработать практические рекомендации по внедрению результатов исследований на горно-обогатительных производствах, в геологоразведочных экспедициях.

Научная новизна работы

1. Доказано, что при лазерном воздействии на минеральные и техногенные системы доминирующим является термокапиллярный механизм, обусловливающий извлечение ультра- и нанодисперсных металлических включений.

2. Установлено, что при лазерной обработке в минеральных и техногенных составах инициируются процессы в следующей последовательности: дефрагментация исходных материалов, термокапиллярное извлечение и агломерация ультра- и нано-дисперсных металлических включений.

3. Экспериментально доказано, что при воздействии на минеральное сырье и техногенные продукты лазерным излучением с мощностью в диапазоне (100 - 300 Вт) влиянием окислительно-восстановительных термохимических реакций можно пренебречь, так как их время протекания, определенное в соответствии с законом Аррениуса, более, чем на порядок превышает время обработки - 30 с.

Положения, выносимые на защиту

1. Механизм термокапиллярного извлечения металлических включений, в частности, благородных металлов и платиноидов, инициируемый лазерным излучением.

2. Параметры и режимы лазерной обработки минерального сырья и техногенных продуктов, содержащих металлические включения, в том числе, благородные металлы и платиноиды, при которых вызывается последовательно: дефрагментация, термокапиллярное извлечение и агломерация.

3. Результаты исследований процессов и продуктов лазерной обработки модельных и природных минеральных и техногенных соединений, содержащих нано-и ультрадисперсные включения благородных металлов, и платиноидов, подтверждающие ее эффективность.

Практическая значимость работы

Полученные результаты, установленные рациональные параметры и режимы лазерного воздействия, последовательность протекающих при этом процессов: «дефрагментация—термокапиллярное извлечение — агломерация» позволили разработать способ выделения ультра- и нанодисперсных благородных включений из минерального сырья и техногенных продуктов и предложить установку для его осуществления, которые могут использоваться как для определения содержания благородно и платиноидных включений в минеральном сырье и техногенных продуктах на этапе геолого-разведочных поисковых работ при оценке промышленно-значимых вновь открываемых месторождений, так и для практической реализации в условиях действующего горно-добывающего производства.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечена обоснованностью используемых методов и воспроизводимостью, проведено на представительном количестве экспериментальных данных, получено с ис-

пользованием современных методик исследования (конфокальная, атомно- силовая, сканирующая электронная микроскопии, энергодисперсионный и ренггенофазовый анализы, ИК-Фурье спектроскопия и рамановская микроспектрометрия), на основе качественной физической модели получены адекватные оценки основных параметров лазерной обработки.

Апробация результатов работы: Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Белгород, 16-20 ноября 2009г., «Международный Форум по Нанотехнологиям 09», Москва, 6-8 октября 2009 г., «Проблемы комплексного освоения георесурсов» IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых, Хабаровск, 27-29 сентября 2011 г., «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» II Междунар. науч.-практ. конф., посвященной Междунар. году химии, 17 - 20 мая 2011г., Юго-Зал. гос. ун-т. Курск, «Современные инструментальное методы, информационные технологии и инновации» VIII межд. науч. конф. Юго-Зап. гос. ун-т. Курск. 2011., «Modem laser physics and laser-information technologies for science and manufacture» 1st International Russian-Chinese conference, September 23-28.2011. Suzdal/Vladimir (Russian).

Работа по тематике исследований поддерживалась Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (грант П547 «Механизмы самоорганизации в наномаспггабных системах по структурным и химическим данным»).

Личный вклад автора

Автором работы получены основные результаты, установлены рациональные параметры и режимы лазерной обработки исследованных минеральных соединений и техногенных продуктов, проведен анализ и идентифицированы полученные данные, предложена качественная физическая модель процесса извлечения благородных и платиноидных металлических включений (Письма в ЖТФ. 2009. 35(18), Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2011. № 6) разработан способ и установка для практической реализации предлагаемой технологии обогащения (Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012 № 3).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование лазерного излучения на минеральные соединения и техногенные продукты,

содержащие ультра- и нанодисперсные включения благородных и платиноидных металлов. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 4 и 7 паспорта специальности: «Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ» и «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния»

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из списка сокращений и обозначений, введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 152 станицы, включая 32 рисунка и 21 таблицы. Список цитируемой литературы включает 155 наименований. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 12 научных трудах, из них 4 - в рецензируемых научных журналах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая значимость работы, положения, выносимые на защиту; отмечено, что работа была представлена на Международных конференциях с участием специалистов, как в области физики конденсированного состояния, так и занятых проблемами обогащения и добычи трудноизлекаемых полезных ископаемых, поддерживалась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (грант П547).

В первой главе обоснован выбор темы исследований по изучению процессов инициируемых лазерным излучением в минеральном сырье и техногенных продуктах для повышения уровня извлечения металлических, в том числе, благородных включений. Проведен анализ и детально рассмотрены существующие методы излечения нано- и ультрадисперсных металлических, в том числе, благородных включений. Среди них выделена обработка лазерным излучением.

Проведен качественный анализ физико-химических процессов в дисперсных гетерогенных и гетерофазных материалах, инициируемых лазерньм излучением (ЛИ), среди которых доминирующими являются теплофизические, так как лазерное излучение выступает в качестве источника тепла, обеспечивающего высокие скорости разогрева (106 — 108 град/с) вплоть до плазмообразования. Приведено теоретическое описание явления капиллярной термоконцентрационной неустойчивости, возникающие в гетерогенных и гетерофазных системах при лазерной обработке [3].

Во второй главе проанализированы технические возможности применяемого для исследований технологического оборудования и лазерных источников, с указа-

нием роли и порогов влияния на режимы обработки, как оптико-физических параметров (мощности, модового состава, поляризации, угловой расходимости), так и характеристик технологического оборудования, в частности, заданной скорости сканирования излучения, которая играет важную роль в определении рациональных режимов обработки.

Проведена всесторонняя характеризация объектов исследования благородных металлов и платины, отмечено, что к наиболее важным параметрам этих металлов относится потенциал ионизации, которые определяют их устойчивость к химическим воздействиям, а также проявлению металлической связи. Представлена сложившаяся классификация распределения по размерам благородных и платиноидных металлов. Детально описан элементный, минералогический состав, данные спектрального и пробирного анализов отобранных для исследований образцов из месторождений Курской области. Описаны методики подготовки образцов для исследований, и технологическая оснастка для осуществления лазерной обработки, что для наглядности продемонстрировано на рис. 1. Процессы лазерной обработки изучались на технологических комплексах на Курском ОАО «Прибор».

а б

Рис. 1. Схема обработки лазерным излучением: 1 - графитовая кювета, 2 -

обрабатываемые материалы, 3 - пучок ЛИ, 4 - ход лучей Во всех случаях интенсивность лазерного излучения вызывала переплав исходных продуктов. Это достигалось либо варьированием частоты следования импульсов в пределах от 1 до 100 Гц, длительности импульсов от 100 мкс до 1 мс, при энергии лазерного излучения вплоть 100 мДж —в импульсном режиме с твердотельным лазерным источником на основе YAG: Nd3+ с генерацией на X = 1064 нм (твердотельный лазер JITA4 - 1), либо непрерывным излучением с мощностью до 300 Вт, импульсной модуляцией выходной мощности с частотой 2 кГц и временем включения/выключения изменяемым до 100 мкс (оптоволоконный лазер активированный иттербием JIC — 1).

- .

Отмечается, что лазерная обработка дисперсных гетерогенных и гетерофазных материалов, к которым относятся исследуемые объекты, в полной мере, не может быть описана аналитически, однако это не исключает возможности оценить некоторые параметры процесса лазерной обработки. К примеру, на основании закона Ар-рениуса, определяющего количество прореагировавшего материала: ¿Мо/ = К]\К)ехр(-Ел1кТ), где Ы- концентрация реагирующего вещества, К-коэффициент, определяющий скорость протекания химических реакций, учитывающий частоту столкновений реагирующих частиц, ДЛ^ - функция, соответствующая механизму реакции, Е„-энергия активации, к- постоянная Больцмана, Т— температура. При условии, что Еа - Е >0, которое выполнимо практически для всех изучаемых соединений, может быть определено максимальное количество реагента на выходе, когда/АО = 1: N = А'(Гмах), что достигается при Т= Гтах ~ Тпл .

Отсюда можно оценить верхнюю границу времени протекания такой реакции -Гр: /р = ЩТмах) ехр{-Ел1кТ)1К, что составляет сотни секунд. Это указывает на невозможность в процессе лазерной обработки прямого восстановления металлов. В этой связи, благородные металлы в виде самородков, не образующие устойчивые природные химические соединения, в результате лазерной обработки вполне могут выделяться из минеральных сросток после дефрагментации исходных соединений.

Здесь же описаны аналитические возможности каждого из используемых методов исследования: поверхностные структурные - конфокальной, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии; химической структуры - инфракрасной спектроскопии и комбинационного рассеяния света; фазового анализа - метод порошковой рентгеновской дифрактометрии. Отмечено, что анализ исследуемых образцов проводился в режиме сквозного контроля: входной контроль - до лазерной обработки и выходной контроль - после обработки.

Третья глава содержит основные результаты по лазерной дефрагментации, термокапиллярному извлечению и агломерации нано- и ультрадисперсного золота из минерального сырья и техногенных продуктов. Для установления основных особенностей и закономерностей, сопровождающих процесс лазерной обработки исследуемых материалов, построения на основе полученных результатов качественной физической модели, были специально подготовлены модельные образцы с включениями ультрадисперсного, коллоидно-ионного и наномасштабного золота с разной изоморфностью, как по составу, так и по структуре, не извлекаемые традиционными методами. На рис. 2 схематично представлена температурно-временная развертка процессов, протекающих при лазерной обработке нано- и ультрадисперсного золота из минерального сырья, и техногенных продуктов.

Т-20* С

примеру, алюмосиликаты

145-20 Т-1100'С

«-26-Ис Ш Т»1100-1200'С

Лазерноешлучение^

и и

Дефрагментация4! >=5-10сек Т=800К^

Термокапиллярное извлечение^ ¡§=10-15 сек Г=1100-120<Щ

Агломерация^ ;15-3 0 сек Г=1300-1200К|

Рис. 2. Иллюстрация развития процесса лазерной агломерации (коалесценции)

Микроскопический анализ топологии поверхности образцов столь сложных минералогических объектов до - (Рис. 3) и после лазерной обработки (Рис. 4) был проведен методом вторичных электронов (8Е1-детектор), который обеспечивает качественную регистрацию существенно различающихся по атомным весам элементов, в частности, золота. Помимо этого, проводился элементный энергодисперсионный анализ, результаты которого приведены в табл. 1. Выявлено количественное изменение проявлений золота в продуктах лазерной обработки в зависимости от мощности излучения, что было использовано для определения рациональных режимов и параметров лазерной обработки.

В самом общем виде дифференциальное уравнение, учитывающее вклад наиболее значимых процессов, сопровождающих лазерную обработку столь сложных систем, может быть представлено в следующем виде [4]:

д(8Г)/81 + Г/(рСу)(др/дТ)рУг = + рЛ^симреаг )/рсу, (1)

где р — давление Г—температура среды, от которых зависит плотность р = р(р, Т), 6р, 5р ,57- и их изменения, вызванные нагревом среды ЛИ и выделяемой теплотой химической реакции, су - теплоемкость при постоянном объеме, ¿V - количество тепла в единице объема, выделяемое при поглощении излучения, ¿/химрсаг -количество тепла, выделяемого единичной массой при химических реакциях, V-скорость движения теплового фронта, которая совпадает со скоростью движения частиц в расплаве.

«к»''***«,»

Таблица 1

Элементный состав образцов тяжелого концентрата после лазерной обработки по данным энергодисперсионного анализа

№ п/п Название образования Элементный весовой состав, %

С А2 Аи О А1 К Ре

1 Золотины сферические 4.45 5.58 89.97

42.14 5.89 51.97

2 Алюмосиликат Аи и Ай 16.30 1.73 55.28 17.63 0.84 6.42 0.69 1.11

44.45 0.73 9.19 36.10 1.01 7.49 0.58 0.65

3 Аи и Ag 8.46 3.39 46.52 29.81 0.92 10.69 1.21

21.58 0.68 7.24 57.12 1.04 11.67 0.67

4 Алюмосиликат Си Ag 13.37 2.64 29.05 13.73

30.48 0.64 49.73 13.39

Рис. 3. Растровое электронное изображение структуры глинистого золото-

содержащего образца после лазерной обработки

Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение продуктов лазерной обработки:

слева - общий вид, справа - элементный анализ в выбранной точке

Для упрощения анализа сложных и многостадийных процессов, возникающих в гетерогенных и гетерофазных соединениях под действием ЛИ последовательно рассмотрена роль первичных процессов, таких как нагрев, механическая дефрагмен-тация, плавление, испарение, горение, термоокисление, ионизация и плазменное образование, с последующей кристаллизацией и переходом в конденсированное состояние, а также вторичные эффекты типа оптического пробоя, поглощения излучения плазмой и механической деформации.

Предлагается учитывать нормированный по массе вклад каждого из физических параметров перечисленных процессов: коэффициента поглощения - а, а также всех других физико-химических параметров, удельной теплоемкости, теплоты плавления, испарения, коэффициентов температуропроводности и теплопередачи, других характеристик происходящих процессов. К примеру, накопление теплоты описывается известным выражением: = cm AT, где в качестве удельной теплоемкости берется с = kiCi + к2с2 +... + АлС„, где к} = m^m ,..., К = mn/m. Аналогично и для других параметров. Общий вид уравнения теплового баланса:

2лаз ист. бцшст. = бнагр. Qwi. бисп. бтеплоперед. (2)

Вводя таким образом теплофизические параметры, в соответствии с их аддитивным вкладом в исследуемых соединениях: X, L, т| — теплоты плавления, испарения и теплопроводности:

2лаз ист. = стАТ+ Яти + L/Иисп. + TyxdiTnn. - TmHIUI), (3)

может быть проведен анализ (3) на предмет наиболее практически значимых параметров лазерной обработки: скорости распространения волны плавления вглубь обрабатываемых продуктов — v,„. и время проплавления насыпного слоя —Л Здесь Г™. = {Т\т + Ггш,. +... + rnml. )!п - усредненная температура плавления, а величина Гнияпл. - Мт{Гпл.}. Для этого запишем (3) в виде уравнения, учитывающего коэффициент поглощения — а и начальную интенсивность лазерного излучения —/0 без учета в силу малости Qmn = Lmmn:

/оа = p(£™ + с(ГШ1- Го)), (4)

из которого может бьггь оценена v^ :

V„ = /о«/р( ¿ш, + ЦТп - То)) ~ 300 м/с. (5)

Видно, что величина меньше усредненной скорости звука

(Ущ, « V„ ~ 2* 103 м/с), характерной для обрабатываемых соединений, а значит процесс их плавления является стационарным (у™.« V3,~ 2><103 м/с). С учетом %-температуропроводности усредненной для всех составляющих материалов, и /щ, — толщины насыпного слоя материала для обработки примерно равного его поперечному размеру можно определить второй важный параметр обработки — время проплавления насыпного слоя:

I = Хя((р 1тС{Тт - Г„)/(2/0/,пл))2~ МГЧНГ6 с. (6)

Из (6) следует, что эффективной и экономически оправданной будет импульсная лазерная обработка (с длительностями не менее сотни мкс). Помимо чисто теплового механизма дефрагментации исходных смесей действует газоструйный механизм разрушения, как это видно из электронно-микроскопического изображения (Рис. 5) поверхности, сформировавшейся в процессе лазерной агломерации золотой пленки (толщиной не более нескольких мкм). На ней отчетливо обнаруживаются каналы выхода газовых струй. Диаметр таких каналов лежит в пределах 1 мкм (Рис. 5, б).

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение поверхности тонкой золотой фольги со следами газоструйного разрыва Очевидно, что при переходе к жидкофазному состоянию обрабатываемых ЛИ соединений следует учесть гидродинамические явления, для описания которых необходимо совместное решение уравнений неразрывности: 35/dt + pVv = 0 и гидродинамики: dbv/dt + V8p/p = 0, что весьма проблематично в силу гетерогенности и гетерофазности исследуемых систем. Наблюдаемые структурные перестройки преимущественно обусловливаются изменениями энтропии и объема продуктов лазерной обработки, а изменения количеств вещества (вследствие испарения) или зарядов (в процессе плазмообразования) несущественны. Полная внутренняя энергия (U) в таких условиях описывается известным уравнением Гиббса-Гельмгольца: U = [ст + qs]S, где а и qt — поверхностное натяжение и теплота образования единицы поверхности - S. Такой подход обоснован тем, что в жидком виде благородные металлы и платина обладают наибольшей поверхностной энергией, которая для Pt и Au составляет 1.82 и 1.1 Дж/м2, соответственно, тогда как, к примеру, для РЬ ее величина составляет 0.453 Дж/м2.

В работе проведен анализ опытно наблюдаемых краевых углов (углов смачивания) между жидким золотом и остальной расплавленной массой (Ср. рис. 3 и рис. 4). В соответствии с принципом аддитивности (правило Антонова): ai2 = ctj — с2, где üi2, <ть а2 - поверхностные натяжения отдельных фаз, Ci жидкофазного тяжелого концентрата (рис. 4) лишь незначительно меньше а2 для расплава агломерированного золота, что вызывает частичное смачивание - угол смачивания значи-

тельно больше я/2, тогда как для алюмосиликатного глинистого соединения поверхностное натяжение оказывается уже существенно меньше (cti « сг2) и угол смачивания меньше гс/2.

Как видно из рис. 5, б толщина золотой фольги, образующейся при агломерации ультра- и нанодисперсного золота, не превышает нескольких микрон. В соответствии с критерием Марангони [3] по величине числа Бонда это указывает на доминирующую роль термокапиллярного механизма при его извлечении, так как:

^Еонда = PSX^4/ct<1. (7)

Здесь g - ускорение свободного падения, % - температуропроводность, h - толщина слоя и ст - поверхностное натяжение среды. Изображения, представленное на рис. 4, указывают на то, что образования макроскопических агломератов из золота на поверхностях оплавления распределяются равномерно, независимо от направления силы тяжести, что также свидетельствует в пользу сделанных выводов и оценок. Большой перепад температур и градиент поверхностного натяжения, вызовет термокапиллярный дрейф вдоль лазерного излучения при dddT> 0, а за счет термофо-реза ему навстречу при da/dT < 0 [5].

Лазерная агломерация (коалесценция), по сути, выступает в качестве завершающего результата действия градиента силы поверхностного натяжения, когда движения ультра- и нанодисперсных частиц золота к поверхности оплавления сопровождается формированием реально наблюдаемой тонкой фольги.

В четвертой главе приведены результаты по лазерной агломерации и извлечению переходных и редкоземельных металлов под воздействием лазерного излучения на образцы минеральных пород, предоставленных ОАО «Югозапгеология» (г. Курск) по месторождениям Курской области, с низким содержанием An и Ag, а также образцов Михайловского железорудного месторождения с повышенным содержанием благородных металлов, платиноидов и редкоземельных элементов. Исследования проводились с использованием технологической установки ЛТА4 — 1 с импульсным твердотельным лазерным источником на основе YAG: Nd3+ с генерацией на X = 1064 нм и на технологической установке ЛС - 1 с источником непрерывного излучения на основе оптоволоконного лазера, активированного иттербием, на длине волны излучения в пределах X = 1065 - 1080 нм в режиме импульсной модуляции выходной мощности (Курское ОАО «Прибор»).

Для изучения изменений, инициируемых ЛИ, осуществлялся сравнительный анализ данных полученных разными аналитическими методами исследований на образцах, как в исходном состоянии, так и после обработки, то есть осуществлялся входной и выходной контроль, который ранее был апробирован на модельных образцах. Предварительно все образцы до — и после обработки анализировались на конфокальном микроскопе, далее проводился растровый электронно-

микроскопический (с энергодисперсионным элементным анализом) и атомно-силовой микроскопический анализ. Установлено, что и исходные продукты и их лазерные спеки обладают значительной неоднородностью, как морфологической, так и фракционной. Гранулометрический анализ изображений внутренних и внешних оболочек, получаемых спеков, в конфокальном и атомно-силовом микроскопе А1з1-ЭТ показал, что размеры частиц варьируются в широком диапазоне 1-7-500 мкм, а эффективная лазерная обработка достигается при мощности, задаваемой в диапазоне ЮО-гЗОО Вт в зависимости от состава образцов.

Анализ результатов сквозного контроля изменений фазовых составляющих, сопровождающих лазерную обработку изучаемых гетерофазных и гетерогенных систем, осуществляемый по данным рентгенофазового анализа, комбинационного (ра-мановского) рассеяния и ИК-поглощения света, позволил установить наиболее рациональные параметры и режимы их лазерной обработки.

В разделе 4.1 этой главы представлена схема установления таких параметров и режимов лазерной обработки на примере образца кварцевой жилы с пиритом. С этой целью последовательно проводится идентификация спектров ИК-поглощения, рентгенограмм и спектров комбинационного рассеяния света, учитывающая данные элементного анализа. Комплексное использование данных аналитических методов позволяет установить минеральный и химический состав. Лазерная обработка, как правило, вызывает формирование аморфных структур, когда диапазон, допустим ИК-поглощения, значительно возрастает (см. табл. 3, образец №5). Так именно верхняя граница мощности лазерного воздействия, при которой еще сохраняется пиритная фаза с нано и ультрадисперсным сульфидным золотом, соответствует ее рациональной величине. В таблице 2, в качестве примера, приведены данные элементного энергодисперсионного анализа по агломерату железорудного концентрата, которые демонстрируют обнаружение традиционно не извлекаемого нано- и ультрадисперсного золота.

В целом, полученные результаты были положены в основу поданной заявки на Патент РФ (раздел 4.2), подготовленной с учетом результатов Патентного поиска. Изобретение относится к методам высокоэффективного извлечения ультрадисперсных и коллоидно-ионных включений из минерального сырья и техногенных продуктов, основанного на гидродинамических процессах при высокоскоростном плавлении минеральных и техногенных соединений, под управляемым воздействием лазерного излучения.

Предложено техническое решение в виде установки и способа выделения ультрадисперсных и коллоидно-ионных благородных включений из минерального сырья и техногенных продуктов в процессе лазерной дефрагментации, термокапиллярного извлечения и агломерации величина которого, достаточна как для точного

определения, так и последующего обогащения традиционными гравитационными методами. На этой основе существенно расширяется минерально-сырьевая база за счет вовлечения в отработку техногенных дражных полигонов и отвалов действующих добывающих производств, с преимущественно мелким золотом, месторождений, не разрабатываемых из-за отсутствия технологий значимого выделения такого золота и других благородных металлов, с характерной для них аномально высокой величиной поверхностного натяжения. Режим работы, скорость подачи продуктов обработки на подложку и скорость ее перемещения в области лазерного воздействия зависит от уровня наиболее полного переплава исходных продуктов, определяемого по яркости цифровых изображений регистрируемых поперечных профилей рассеянного излучения.

В предлагаемом комплексе оборудования осуществляется автоматическое управление скоростями подачи и перемещения продуктов обработки, а также интенсивностью ЛИ, а за счет действия, вновь открытого, термокапиллярного механизма, достигается высокоуровневое (до 90 %) извлечение, а также агломерации нано и ультрадисперсных благородных включений. После лазерной обработки продукты (с размерами свыше 20 мкм) могут выделяться экологически безопасными гравитационными методами.

Таблица 2

Данные энергодисперсионного анализа по агломерату железорудного

концентрата

EDAX ZAF Quantification (Standardl Element Normalized SEC Table : Default

Element

wt %

At %

K-Ratio

С К

о к

Mg К А1К SiK S К К К СаК FeK AuL Total

16.14 31.62 0.0297

19.61 28.83 0.0648

О.95 0.92 0.0056

16.42 14.32 0.1143

15.05 12.61 0.1065

1.12 О.82 0.0084

1.17 О . 7О О . ОЮЗ

О.84 О.49 О.0078

2 О.7 5 8.74 0.1878

7.96 О.95 0.0542

ЮО.ОО ЮО.ОО

Таблица 3

Пример данных об ИК-спектрах для образцов из месторождений Курской области

№ об раз ца Состояние образца, обработка, Вт Диапазоны ИК-поглощения, см"'

1 2 3 4 5 6 7

2 исходный 1200+820 836+664 645 623+229 217+170

100 1264+843 824+633 525+241

3 исходный 1233+840 824+712 695 615+402 400+383 380+276

150 1300+860 850+753 512+402

4 исходный 1567+1310 1207+840 818+706 694 608+401 384+267

100 1277+831 512+411

150 1277+831 512+411

5 исходный 1582+1364 1224+840 817+710 694 566+405 400+272

100 1277+858 845+762 694 543+408 400+352

150 1277+858 845+762 694 543+408 400+352

6 исходный 1558+1364 1240+843 824+710 694 571+408 402+383 384+270

100 1290+854 830+716 694 546+404 405+381 381+352

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты и выводы:

1. С учетом оценок тепло- и оптико-физических параметров, характеризующих режимы и параметры лазерного воздействия на гетерогенные и гетерофазные минеральные и техногенные соединения предложен комплекс технологических решений, обеспечивающих рациональное оплавление исходных исследуемых материалов.

2. Отработаны методики комплексных исследований, как исходных, так и обработанных лазерным излучением минеральных и техногенных соединений, содержащих ультра- и нанодисперсные металлические включения, позволившие реализовать схему сквозного контроля изменений структурных, элементных и фазовых параметров.

3. Установлены особенности и закономерности характеризующие лазерную обработку модельных материалов с известным уровнем содержания ультра- и нано-дисперсных включений благородных металлов, которые инициируются лазерным излучением в виде неразрывной последовательности процессов: дефрагментации, термокапиллярного извлечения и агломерации.

4. Построена качественная физическая модель ультра- и нанодисперсных металлических включений, адекватно описывающая процессы, инициируемые воздействием лазерного излучения на минеральное сырье и техногенные продукты, содержащие ультра- и нано-дисперсные включения благородных металлов

5. Проведен комплекс исследований по лазерной обработке минерального сырья и техногенных отходов горнодобывающих производств Курской области, в которых доказана практическая значимость результатов и выводов, следующих из качественной физической модели, основанной на установленном механизме термокапиллярного извлечения для прецизионного определения содержания металлических включений, представленных в ультра- и нанодисперсном виде.

6. Разработана и предлагается для практического применения автоматизированная установка, основанная на применении лазерного излучения для выделения нано- и ультрадисперсных благородных включений из минерального сырья, и техногенных продуктов, работа которой основана на неразрывной последовательности процессов: дефрагментации, термокапиллярного извлечения и агломерации.

Список цитируемой литературы

1. Zukov, Е.А. Laser ablation Zr02 оп a surface (111) silicone and treatment raw mineral containing superdispersed Au. [Текст] / Е.А. Zukov, A.P. Kuz'menko, N.A. Kuz'menko, S.V. Nikolenko, N.A Leonenko // Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. —2005. —T. 5851. —C. 62 — 65.

2. Способ лазерного формообразования и обогащения благородных металлов в минеральных ассоциациях / Шевкун Е.Б., Кузьменко А.П., Леоненко H.A., Ятлукова Н.Г., Кузьменко H.A. // N 2003135458/02(037974) от 04.12. 2003 на Патент РФ №2255995 от 04.12.2003. МПК 7 С 22 В 11/00, 1/00.

3. Зуев, А.Л. Особенности концентрационно-капиллярной конвекции [Текст] / А.Л. Зуев, К.Г. Костарев // УФН. — 2008. — №178. — Вып. 10. — С. 1065 -1085.

4. Карлов Н.В., Кириченко H.A., Лукьянчук Б.С. Лазерная термохимия//М.: Наука, 1992.—296 с.

5. Дьяконов, С.Н. Термофорез касающихся твердых сфер вдоль линии их центров [Текст] / С.Н. Дьяконов, Ю.И. Ялмов // ЖТФ. — 1998. — №68. — Вып. 6. — С. 25-313.

Основные публикации по теме диссертации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях: 1. Кузьменко, А.П. Термокапиллярный механизм лазерной агломерации ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота [Текст] / А.П. Кузьменко, H.A. Лео-

ненко, В.И. Харченко, H.A. Кузьменко, И.В. Храпов // Письма в ЖТФ. — 2009. — Т.35. —Вып.18. — С. 1 — 11.

2. Кузьменко, А.П. Термокапиллярный механизм извлечения и лазерной агломерации дисперсного золота из минеральных и техногенных комплексов. [Текст] / А.П. Кузьменко, И.Ю. Рассказов, H.A. Леоненко, Г.Г. Капустина, И.В. Силютин, Цз Ли, H.A. Кузьменко, И.В. Храпов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2011. — № 6. — С. 131 —143.

3. Кузьменко, А.П. Лазерная дефрагментация техногенных продуктов и минерального сырья и термокапиллярное извлечение ультрадисперсного золота [Текст]/ А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, И.В. Силютин, H.A. Кузьменко, И.В. Храпов, Г.Г. Капустина // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012 — № 3. — С.171 —177.

4. Кузьменко, А.П. Лазерная обработка минерального сырья Курской области [Текст]/ А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, И.Ю. Рассказов, И.В. Храпов // Известия Юго-Западного Государственного университета. — 2012. — № 4 (43).Ч.2. — С. 232 — 235.

Другие публикации:

5. Кузьменко, А.П. Лазерная агломерация ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота [Текст]/А.П. Кузьменко, И.В. Храпов // Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов. Всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи. БелГУ. — 2009. — С.86 — 89.

6. Кузьменко, А.П. Наномаснггабные исследования продуктов лазерной агломерации ультрадисперсного и коллоидного золота [Текст]/ А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, И.Ю Рассказов, H.A. Кузьменко, И.В. Силютин, И.В. Храпов // Международный Форум по Нанотехнологиям 09, 6 — 8 октября 2009. — Сборник тезисов докладов участников Второго Международного форума по нанотехнологиям. — 2009, —С. 236 —238.

7. Кузьменко, А.П. Технология лазерной агломерации ультрадисперсных включений золота в составе минерального сырья и техногенных продуктов [Текст]/ А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, С.М. Бурков, И.В. Силютин, H.A. Кузьменко, Цз Ли, И.В. Храпов // Инновационная Россия: опыт регионального развития. Сб. н. тр. (Ред. Кол. С.Г. Емельянов, Л.Н. Борисоглебская, отв. ред. Курск, гос. тех. унив. Курск: — 2009. — С. 285 — 291. ISBN 978-5-7681-0564-4.

8. Кузьменко, А.П. Изменение спектральных зависимостей комбинационного рассеяния золотосодержащих минеральных ассоциаций месторождений курской области [Текст]/ А.П. Кузьменко, H.A. Леоненко, И.В. Сшпотин, И.В. Храпов, П.В.

Абакумов// Проблемы комплексного освоения георесурсов: материалы IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых (Хабаровск, 27 — 29 сентября 2011г.). В 2т. — Хабаровск: ИГД ДВО РАН. —2011. —Т.П. — С. 336 — 342.

9. Кузьменко, А.П. Извлечение ультрадисперсного золота лазерной обработкой техногенных продуктов и минерального сырья [Текст]/ А.П. Кузьменко, Н.А. Леоненко, Н.А. Кузьменко, И.В. Храпов // Актуальные проблемы химической науки, практики и образования, сб. ст. II Междунар. науч.-практ. конф. посвященной Международ. году химии, 17-20 мая 2011г. / Редкол.: Л.А. Егельская (отв. ред.) [и др.]. Курск: ЮЗГУ. — 2011. — С. 111 — 117.

10. Кузьменко, А.П. Инициирование процессов разрушения горных пород, де-фрагментация и агломерация минерального сырья и техногенных продуктов лазерным излучением [Текст]/ А.П. Кузьменко, Н.А. Леоненко, И.Ю. Рассказов, Г.Г. Ка-пистина, Н.А. Кузьменко, И.В. Храпов // Извести Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и Химия. — 2011. — №1. — С. 24 — 31.

11. Храпов, И.В. Механизмы лазерной агломерации техногенных и минеральных продуктов, содержащих золото [Текст]/ И.В. Храпов, А.П. Кузьменко, Н.А. Леоненко // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: матер. VIII межд. науч. конф. в 2 ч. 4.2 / редк. Е.И. Яцун (отв. ред.) [и др]. Юго-Зап. гос. ун-т. Курск: — 2011. — С. 257 — 268.

12. Kuzmenko, А.Р. Laser processing of gold-bearing mineral and technogenic medium / A. P. Kuzmenko, N.A. Kuzmenko, I.V. Khrapov, N.A. Leonenko, I.V. Silutin , M.B. Dobromyslov // MLPLIT. Modern laser physics and laser-information technologies for science and manufacture. 1st International Russian-Chinese conference [Текст]/ Youth school-workshop. September 23-28.2011. Suzdal/ Vladimir (Russian). P. 140-142.

Подписано в печать 16.10.2013г. Формат 60x84/16. Печать офсетная.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 23. Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Храпов, Игорь Валерьевич, Курск

Юго-Западный государственный университет ХРАПОВ Игорь Валерьевич

На правах рукописи

04201364770

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Кузьменко А.П.

Курск-2013

Оглавление

Список сокращений и обозначений.......................................................................4

Введение...................................................................................................................7

Глава 1. Физико-химические методы извлечения ультрадисперсных и коллоидно-ионных благородных и редкоземельных металлов из минерального сырья и техногенных продуктов.................................................12

1.1 Обоснование проблемы комплексной переработки минерального сырья и техногенных продуктов, содержащих трудно извлекаемые благородные включения..............................................................................................................12

1.2 Физико-химические особенности благородных включений в минеральных и техногенных образованиях месторождений Курской магнитной аномалии 14

1.3 Методы излечения мелко-, ультрадисперсных и наноразмерных благородных металлов..........................................................................................17

1.4 Лазерная обработка материалов....................................................................20

1.5 Физико-химические процессы в дисперсных гетерогенных и гетерофазных материалах, инициируемых лазерным излучением..................25

Глава 2 Режимы и способы лазерной обработки, методы подготовки и исследования образцов.........................................................................................36

2.1 Источники лазерного излучения....................................................................36

2.2 Выбор и подготовка образцов........................................................................46

2.3 Лазерная обработка дисперсных гетерогенных и гетерофазных материалов.............................................................................................................53

2.4 Аналитические методы исследования образцов до - и после лазерного воздействия............................................................................................................55

2.4.1 Метод порошковой рентгеновской дифрактометрии...............................57

2.4.2 Метод сканирующей (растровой) электронной микроскопии и энергодисперсионного элементного анализа.....................................................59

2.4.3 Метод ИК-Фурье спектроскопии................................................................62

2.4.4 Конфокальная микроскопия и комбинационное рассеяние света..........64

2.4.5 Метод атомно-силовой микроскопии........................................................66

Глава 3 Лазерная дефрагментация, термокапиллярное извлечение и агломерация ультрадисперсного золота из минерального сырья и техногенных продуктов........................................................................................69

3.1 Дефрагментация минерального сырья и техногенных продуктов.............69

3.2 Процессы, инициируемые лазерным излучением в гетерогенных и гетерофазных материалах.....................................................................................74

3.3 Лазерная агломерация (коалесценция) мелко — и ультрадисперсных включений благородных металлов......................................................................82

3.4 Качественная физическая модель термокапиллярного извлечения...........94

Глава 4. Лазерная агломерация и извлечение переходных и редкоземельных металлов...............................................................................................................104

4.1 Лазерная агломерация минерального сырья месторождений Курской области..................................................................................................................104

4.2 Способ и установка для практической реализации лазерной дефрагментации, термокапиллярного извлечения и агломерации минеральных и техногенных продуктов...........................................................122

Заключение...........................................................................................................132

Список литературы.............................................................................................134

Список сокращений и обозначений Список сокращений

СВЧ-излучение - сверхвысокочастотное излучение БМиП - благородные металлы и платиноиды ЛИ - лазерное излучение ЭАА - экстракционно-атомно-абсорбционный ПАА - пробирно-атомно-абсорбционный

МС ИСП - масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой

РСА - рентгеноструктурный анализ

РФА - рентгенофазовый анализ (XRD - X-ray Diffraction)

РСМА/ЭДА — рентгеноспектральный микроанализ/энергодисперсионный

анализ с волновой дисперсией (EDX/WDX - Energy/Wave Dispersive X-ray

Microanalysis)

РЭМ/СЭМ - растровая/сканирующая электронная микроскопия (SEM -Scanning Electron Microscopy)

СЭМ ОРЭ - сканирующая электронная микроскопия от обратно -рассеянных электронов

СЭМ ВРЭ - сканирующая электронная микроскопия от вторичных электронов

SEI - Second Electron Irradiation (детектора вторичных электронов) BES - Back Electron Scattering (детектор обратно рассеянных электронов) СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия (AFM - Atomic Force Microscopy)

МСМ - магнитно-силовая микроскопия (MFM - Magnetic Force Microscopy)

ИКС - инфракрасная Фурье спектроскопия

КРС - комбинационное рассеяние света

МУРР - малоугловое рентгеновское рассеяние

КМ - конфокальная микроскопия

ICDDPDF-2 - база данных соединений для рентгенофазового анализа (International Center for Diffraction Data)

FWHM — полная ширина пика на половине высоты (полуширина) (Full Width on Half Maximum)

Hi IB О - нарушенного полного внутреннего отражения

РЦН - Региональный центр нанотехнологий

НИУ - научно-исследовательский университет

ЦКП - центр коллективного пользования

к.п.д. - коэффициент полезного действия

Список обозначений

А - лапласиан;

i — мнимая единица;

а, Ь, с - кристаллографические оси;

х, у, z (х, у, z) — оси координат (координаты);

9, ф - полярный и азимутальный углы в сферических координатах;

i,j, к, I — тензорные (векторные) индексы, пробегающие значения х, у, z\ или

обобщенных координат;

С - удельная теплоемкость;

Е - вектор напряженность электрического поля и его модуль;

fn - фокусное расстояние линзы;

/p,q,n - круговая частота, Гц;

h - толщина пластины;

I- интенсивность излучения;

п - показатель преломления;

Р - мощность излучения;

R, Rw - коэффициенты отражения по интенсивности и плотности энергии; s - скорость звука, si, st - продольная и поперечная скорости звука; Т - температура; /-время;

tu — длительность импульса;

V- скорость;

IV— плотность энергии на единицу площади;

(Ж) - энергия импульса лазерного излучения;

Жу- плотность энергии на единицу объема (энерговклад);

ос - коэффициент поглощения излучения;

Рт- коэффициент теплового расширения;

9о - угол между попутными волнами;

- дифракционная расходимость; 9В -уголБрэгга; X — длина волны;

%т ~ коэффициент теплопроводности;

р - плотность;

Т]— время термализации;

X - коэффициент температуропроводности;

со - угловая частота.

Введение

Уникальность физико-химических свойств золота, серебра, платины и других платиноидов всегда находилось в области пристального интереса исследователей. Интерес к этим металлам имеет устойчивую тенденцию роста, что в значительной мере обусловлен на всех этапах от добычи и до практического применения. На последнем уровне, в связи с развитием нанотехнологий, открылись новые горизонты применения наноразмерных благородных металлов [1]. Методами молекулярного моделирования проводятся теоритические исследования процессов структурирования [2]. Характерной особенностью настоящего момента является тот факт, что в условиях все более обостряющейся проблемы, в значительной степени обусловленной истощением в географически доступных зонах стратегических запасов благородных металлов, возникает острая необходимость введения в промышленный оборот месторождений, содержащих наноразмерное, ультрадисперсное и тонкое золото, входящее в сульфидные соединения и структурно-сложные сростки, что резко ограничивает уровень извлечения (его величина не превышает 50%). При добыче вся последовательность технологических операций реализуемых в процессе обогащения благородных металлов из минеральных продуктов имеет очевидную направленность - повышение эффективности извлечения ценных компонентов. Вполне естественной становится задача снижения затрат на эти цели, что фактически недостижимо в рамках действующих горнодобывающих предприятий, занятых добычей, в частности, благородных металлов, основанной на использовании традиционных, сложившихся технологий. Наиболее существенный прирост извлечения таких благородно-метальных включений достигается при воздействии мощными наносекундными электромагнитными импульсами, пучками ускоренных электронов, ультразвуковой обработки, воздействий СВЧ-излучения, электроимпульсных, магнитно-импульсных, электрохимических, электродинамических и ударно-волновых [3 — 8]. Интенсивное развитие и

создание новых поколений лазерной техники [9] (эффективные полупроводниковые лазерные источники на гетероструктурных переходах с промышленно значимой выходной мощностью излучения, иттербиевые волоконные лазерные источники с мощностями до нескольких десятков киловатт) открывает новые горизонты их практического применения, делает целесообразными работы по изучению лазерного взаимодействий с минеральными соединениями, содержащими нано- и ультрадисперсные благородно-метальные включения. Предварительно полученные результаты в этом направлении позволили обнаружить явление лазерной агломерации нано- и ультрадисперсных включений [10], предложить способ обогащения, защищенный патентами [11 — 12]. Построение качественной физической модели, описывающей всю совокупность взаимосвязанных процессов инициируемых лазерным излучением в весьма сложных многокомпонентных, гетерогенных и гетерофазных системах, установление рациональных режимов и параметров лазерной обработки минеральных соединениях, содержащих нано- и ультрадисперсные включения благородных металлов и платиноиды с целью их эффективного извлечения, представляет актуальную научную и экономически востребованную задачу.

Цель диссертационной работы

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс технологической оснастки для использования в типовой лазерной технологической установке, позволяющей осуществить комплекс исследований для установления рациональных параметров и режимов лазерного воздействия на минеральные и техногенные системы.

2. Отработать методики комплексных структурных, элементных и фазовых исследований составов и структуры для обеспечения сквозного контроля до и после лазерной обработки минерального сырья и техногенных продуктов, содержащих ультра- и нанодисперсные металлические включения.

3. Установить особенности и закономерности характеризующие процессы лазерной обработки модельных материалов с известным уровнем содержания ультра- и нанодисперсных включений благородных металлов.

Научная новизна работы

2. Установлено, что при лазерной обработке в минеральных и техногенных составах инициируются процессы в следующей последовательности: дефрагментация исходных материалов, термокапиллярное извлечение и агломерация ультра- и нанодисперсных металлических включений.

определенное в соответствии с законом Аррениуса, более, чем на порядок превышает время обработки — 30 с.

Положения, выносимые на защиту

3. Результаты исследований процессов и продуктов лазерной обработки модельных и природных минеральных и техногенных соединений, содержащих нано- и ультрадисперсные включения благородных металлов, и платиноидов, подтверждающие ее эффективность.

Практическая значимость работы

Полученные результаты, установленные рациональные параметры и режимы лазерного воздействия, последовательность протекающих при этом процессов: «дефрагментация - термокапиллярное извлечение - агломерация» позволили разработать способ выделения ультра- и нанодисперсных благородных включений из минерального сырья и техногенных продуктов и предложить установку для его осуществления, которые могут использоваться как для определения содержания благородно и платиноидных включений в минеральном сырье и техногенных продуктах на этапе геолого-разведочных поисковых работ при оценке промышленно-значимых вновь открываемых месторождений, так и для практической реализации в условиях действующего горно-добывающего производства.

экспериментальных данных, получено с использованием современных методик исследования (конфокальная, атомно- силовая, сканирующая электронная микроскопии, энергодисперсионный и рентгенофазовый анализы, ИК-Фурье спектроскопия и рамановская микроспектрометрия), на основе качественной физической модели получены адекватные оценки основных параметров лазерной обработки.

Апробация результатов работы: Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Белгород, 16-20 ноября 2009г., «Международный Форум по Нанотехнологиям 09», Москва, 6 - 8 октября 2009 г., «Проблемы комплексного освоения георесурсов» IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых, Хабаровск, 27-29 сентября 2011 г., «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» II Междунар. науч.-практ. конф., посвященной Междунар. году химии, 17 — 20 мая 2011г., Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011, «Современные инструментальное методы, информационные технологии и инновации» VIII межд. науч. конф. Юго-Зап. гос. ун-т. Курск. 2011., «Modern laser physics and laser-information technologies for science and manufacture» 1st International Russian-Chinese conference, September 23-28. 2011. Suzdal/Vladimir (Russian).

Работа по тематике исследований поддерживалась Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (грант П547 «Механизмы самоорганизации в наномасштабных системах по структурным и химическим данным»).

Глава 1. Физико-химические методы извлечения ультрадисперсных и коллоидно-ионных благородных и редкоземельных металлов из минерального сырья, и техногенных продуктов

1.1 Обоснование проблемы комплексной переработки минерального сырья и техногенных продуктов, содержащих трудно извлекаемые благородные включения

Известный американский экономист Пол Пильцер еще 15 лет назад писал: «...Богатство — это продукт не только естественных ресурсов, но и технологии. Из этих двух слагаемых технология неизмеримо важнее». Основы современной человеческой цивилизации строятся на не возобновляемых минерально-сырьевых ресурсах, однако существующие технологии обеспечивают не более 10% уровень их использования и переработки [4]. Сокращение ресурсной базы запасов благородных металлов в географически доступных зонах, диктует необходимость как введения в промышленный оборот месторождений, содержащих тонкое, сульфидное и входящее в структурно-сложные сростки золото и платиноиды (Р1;, Рс1 и др.), так и повышение уровня их извлечения, которое при существующем уровне извлечения не превышает 50%. В ряду причин сложности извлечения благоро�