ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДИСПЕРСНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДИСПЕРСНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Научная статья

Капустина Г.Г.^1, *, Крамарь Е.И.², Леоненко Н.А.³

^{1, 2} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия;

³ Хабаровский Федеральный исследовательский центр, Институт горного дела ДВО РАН, Хабаровск, Россия

* Корреспондирующий автор (g.kapustina[at]mail.ru)

Аннотация

В работе рассмотрена возможность использования лазерных технологий для переработки минерального сырья. Проанализировано взаимодействие лазерного излучения на природные минералогические образцы россыпного месторождения алюмосиликатной матрицы, содержащие в виде примесей частицы металлов, в том числе золото. В результате лазерного облучения на рассматриваемый материал установлено образование оплавленных объектов – конгломератов. Методом атомной и растровой электронной микроскопии установлено, что после лазерной обработки пробы представляли собой поверхностно микронеоднородные силикатные спеки, на поверхности которых выявлено формирование агломерированных кристаллических структур золота, размером от 300 нм до 30 микрон.

Ключевые слова: лазерное излучение, ультрадисперсное и коллоидно-ионное золото, лазерная агломерация, электронная и атомно-силовая микроскопия.

LASER PROCESSING OF DISPERSED MINERAL FORMATIONS

Research article

Kapustina G.G.^1, *, Kramar E.I.², Leonenko N.A.³

^{1, 2} Pacific National University, Khabarovsk, Russia;

³ Khabarovsk Federal Research Center, Institute of Mining of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Khabarovsk, Russia

* Corresponding author (g.kapustina[at]mail.ru)

Abstract

The paper considers the possibility of using laser technologies for processing mineral raw materials. The article analyzes the effect of laser radiation on natural mineralogical samples of a placer deposit of an aluminosilicate matrix containing metal particles, including gold, in the form of impurities. As a result of laser irradiation on the material under study, the research establishes the formation of fused objects — conglomerates. Atomic and scanning electron microscopy reveals that after laser treatment, the samples were surface-microheterogeneous silicate specks, on the surface of which the formation of agglomerated crystal structures of gold, ranging in size from 300 nm to 30 microns, was revealed.

Keywords: laser radiation, ultrafine and colloidal-ion gold, laser agglomeration, electron and atomic force microscopy.

Введение

Ключевым моментом за полувековой период является интенсивное развитие научных исследований и внедрение готовых технологий для обеспечения высокоэффективного взаимодействия лазерного излучения с веществом, в том числе в области взаимодействия лазерного излучения с горным породами. В данной области исследования выполнялись с конца шестидесятых годов в США, СССР [1], [3], [4] и в ряде других стран. Большая часть таких исследований проводилась с лазерами мощностью 0.5-1.0 кВт.

С 1997 по 1999 гг. осуществлен двухлетний российско-американский проект по установлению взаимодействия лазерного излучения с горными породами, характерными для нефтеносных полей [5], с использованием инфракрасных СО и СО²-лазерных установок. Проектом дана оценка возможности создания лазерных буровых установок. Вместе с учеными Горного университета штата Колорадо (Colorado School of Mines), Институтом технологии газа (Gas Technology Institute (GTI)) в реализации проекта участвовали и российский ученые [6] из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (лаборатории газовых лазеров); а также Московского государственного горного университета [7], [8]. При этом для нефтяных месторождений – песчаника, известняка, сланца и гранита было экспериментально исследовано взаимодействие излучения импульсных СО и СО²-лазеров.

Плотность энергии лазерного излучения на поверхности минеральных образцов составляла до 1 кДж/см², а интенсивность 10⁷ Вт/см². С помощью метода высокоскоростной фотографии фиксировался процесс формирования лазерного факела на поверхности образцов, что и давало возможность измерять скорость распространения фронтов лазерного факела и установить различия процессов, протекающих в силикатных минеральных матрицах под действием излучения СО и СО²– лазеров. Авторами [9] проанализированы инфракрасные спектры отражения и поглощения поверхности горных пород до и после лазерной обработки. В работе [10] обсуждаются возможности, которые могут быть использованы для разработки неклассических источников света с большим потоком фотонов, и их будущие перспективы в нелинейной оптике.

В последние годы при добыче полезных ископаемых все чаще в разработке используются месторождения вкрапленных и тонко вкрапленных руд, в которых доминирует количество мелких частиц. При извлечении этих частиц технологические потери значительно увеличиваются благодаря наличию мелких и ультрамелких выделений благородных металлов и тонких взаимных прорастаний парагенными минералами. Рассмотрев результаты исследований переработки золотосодержащих россыпей, было установлено, что потери золота наблюдаются в классах крупностью менее 0,5мм, и особенно это заметно в классах менее 0,25мм. При промывке песков потеря золота такой крупности вызывает образование техногенных россыпей. В качестве примера подобных золотосеребряных месторождений можно назвать Карамкенское и Дукатское в Магаданской области, Многовершинное, Белая Гора, Дурминское и Хаканджинское в Хабаровском крае, Майское и Кумирное в Приморье, Покровское в Амурской области и многие другие. В связи с этим и возникает актуальность проблемы создания новой техники и технологии для уменьшения потерь при извлечении ультрадисперсного золота.

Несомненный интерес вызывают исследования, связанные с воздействием мощных энергетических потоков на природные дисперсные минеральные среды, так как такие исследования связаны в первую очередь с разработкой новых технологических решений переработки минерального сырья [11].

В работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных с помощью оптоволоконного иттербиевого источника лазерного излучения ЛС-06, с длиной волны 1060 нм, непрерывного действия на природные образцы, содержащие субмикронное и ультрадисперсное золото.

В непрозрачных средах взаимодействие света в виде отражения, рассеивания и поглощения происходит в очень тонком поверхностном слое. Известно, что под действием лазерного излучения твердые тела могут нагреваться до высокой температуры 10¹⁰ К, расплавляться и испаряться. Фазовое состояние твердого тела в начальный момент теплового воздействия не успевает измениться.

При взаимодействии световой волны с электронами вещества полученное тепло за счет теплопроводности распространяется во внутрь вещества. Если электроны в твердом теле частично связаны, то часть энергии электромагнитной волны отражается, а часть передается твердому телу, вызывая его нагревание [12].

Известно, что по-разному протекает взаимодействие света с металлами, полупроводниками и диэлектриками. Это можно объяснить разным строением этих веществ. Металлы состоят из кристаллической решетки, в узлах которой расположены положительные ионы. Все излучение, падающее на металлы, может отражаться или поглощаться в очень тонком поверхностном скин-слое (толщиной 10^-5…10^-6 см). Поглощенная энергия у металлов распространяется только за счет электронной теплопроводности.

Диэлектрики и полупроводники характеризуются фононной теплопроводностью. В полупроводниках концентрация свободных электронов мала. Свойства полупроводников в зависимости от энергии поглощенных фотонов могут быть подобны либо со свойствами металлов, либо со свойствами диэлектриков. Если энергия поглощенных фотонов больше ширины запрещенной зоны, то наблюдается внутренний фотоэффект: электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости. Чем выше интенсивность излучения, тем больше становится число свободных электронов, которые переносят энергию внутрь вещества и нагревают его.

Если энергия поглощенного фотона меньше ширины запрещенной зоны, то электроны остаются в валентной зоне и оптические свойства полупроводников схожи со свойствами диэлектриков.

В диэлектриках поглощение света можно объяснить колебательным движением кристаллической решетки, молекул и атомов. В начале лазерного облучения у диэлектриков с большой энергетической щелью за счет обратного тормозного рассеяния поглощение излучения отсутствует. В это время происходит генерация свободных электронов вследствие многофотонного механизма, а, следовательно, развивается процесс лавинной ионизации. Появление большого количества электронов в зоне проводимости приводит к металлизации поверхностного слоя диэлектрика, а значит, коэффициенты поглощения и отражения увеличиваются. При прекращении лазерного воздействия происходят оже-рекомбинация и рекомбинация (захват) электронов в связанное состояние, что приводит к постепенному возвращению диэлектрических свойств [13], [14].

В исследованиях импульсного лазерного воздействия на конденсированные среды важное место в последнее время заняла проблема возникновения упорядоченных поверхностных структур. Несфокусированный пучок импульсного лазера падает на поверхность поглощающего твердого тела; с поверхностью взаимодействует почти плоская световая волна и на освещенной поверхности возникает периодическая модуляция рельефа. Она образуется в процессе взаимодействия (длительность которого изменяется от 10^-3 до 10¹ с) и обычно сохраняется после его прекращения.

Методика эксперимента

Для определения режимов и параметров лазерного воздействия, определения скоростей перемещения продуктов в зону обработки были созданы площадка и многоячейковая подложка из электротехнического графита. При выборе лазерной установки для изучения процессов лазерной агломерации минеральных и техногенных продуктов, содержащих в своем составе ультрадисперсное и коллоидно-ионное золото, принималось во внимание достижение экономической эффективности при ее применении в реальных условиях. Этим условиям оптимально соответствовала лазерная установка на основе иттербиевого волоконного лазера ЛC–06.

Установка обладает следующими основными характеристиками: длина волны излучения 1070 нм; ширина линии излучения практически не зависит от мощности и варьируется в пределах 4 нм; поляризация излучения случайная; режим работы непрерывный; накачка светодиодная, либо непрерывная, либо импульсная с частотой модуляции до 5 кГц; ресурс работы светодиодов не менее 50 000 часов; мощность лазерного излучения изменяется программно через интерфейсы внешнего управления или с помощью дистанционного пульта в пределах 600 Вт; нестабильность выходной мощности не превышает 2% на ее максимальной величине; расходимость пучка на максимальной мощности излучения не превышает 2 мрад; длина выходного волоконного кабеля может изменяться в пределах от 8 до 20 м.

Для исследования подготовлены минералогические образцы алюмосиликатной матрицы с высоким содержанием глины, в состав которых входило золота различного класса крупности с месторождения «Кремень» ОАО старателей «Дальневосточные ресурсы» и с глубокозалегающей россыпи месторождения руч. Гайфон.

На поверхности исходного образца золота не наблюдалось. В результате эксперимента при мощности излучения равном 90 Вт получены ²спеки² в виде цепочечных структур. Оптические исследования таких спеков выявило концентрирование золотин на отдельных участках. При увеличении мощности лазерного излучения от 120 Вт до 270 Вт образуются алюмосиликатные агломераты, внутри которых наблюдаются капельки золота. Размеры оплавленного золота больше, чем в исходных образцах до лазерной обработки. Во всех проведенных экспериментах наблюдается образование самоорганизующихся структур золота на поверхности силикатной матрицы.

Исследования топографических свойств поверхности образцов после лазерной агломерации проведены методами атомно-силовой микроскопии с помощью атомно-силового микроскопа Интегра Прима (метод латеральных сил), с применением полуконтактных методов сканирования кантилевера типа NSG11 с минимальным разрешением 20-30 нм при резонансной частоте колебаний 226 кГц. Контактным методом АСМ изучены рельефы поверхностей, измерены отдельные структуры и положения гетерограниц, была измерена среднеарифметическая шероховатость золотин по всей поверхности сканирования, что позволило установить их кластерное строение. Топографические изображения указывают на различие кластеров по размерам и по форме, которая может быть как почти правильной сферической, так и эллипсоидальной (см. рисунок 1). Установлено, что характерные размеры кластеров колеблются от 10 до 400 нм.

Рис. 1 – Фазово-контрастное изображение алюмосиликатного спека, полученное контактным методом АСМ

 

Электронная микроскопия проведенная с помощью растрового электронного микроскопа “LEO EVO 40HV”(Карл Цейс, Германия) с использованием энергодисперсионного анализатора, позволила выявить фазовую неоднородность образцов. Наномасштабность данных о качественном и количественном распределении химических элементов в исследуемых минералогических объектах измерений обеспечивалась локализацией зондирующего электронного пучка в область диаметром ~ 20 – 30 нм с глубиной проникновения электронного пучка 1 мкм. Чувствительность составляла 0.1%. Исследованиями фазовой микронеоднородности методом растровой электронной микроскопии установлено, что в исходных объектах ионное и коллоидное золото имеет аморфные формы, размером менее 1 микрона, а после лазерной обработки пробы представляли собой поверхностно микронеоднородные силикатные спеки, на поверхности которых выявлено формирование агломерированных кристаллических структур золота, размером от 300 нм до 30 микрон и более (см. рисунок 2) [15], [16], [17].

Рис. 2 – Фазово-контрастное изображение алюмосиликатного спека, полученное методом растровой электронной микроскопией

 

Заключение

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы: при лазерном плавлении техногенных образцов наблюдается поверхностно неоднородные минеральные структуры, на поверхности которых наблюдаются скопление атомов золота.

Условия самоорганизации золота можно объяснить тем, что минеральные образцы являются открытой, неравновесной и нелинейной системой. Наблюдаемые изменения формы, структуры и состава минеральных золотосодержащих ассоциаций после лазерной обработки свидетельствует в пользу практической значимости способа. На этой основе предложен способ укрупнения частиц благородных металлов, не извлекаемых традиционными методами. Данные исследования подтверждают возможность интегрирования источников лазерного излучения в процессы переработки минерального сырья [18], [19].

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.