CC BY
85
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МИНЕРАЛОГИЯ - ОСИПЛА КОМОЛЕКСННГН ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЫРЬЕЛОГО ООТЕНЦИАЛА ЕЛРООЕЙСКОГО СЕВЕРО-ВОСТОКА
В Институте геологии в рамках концепции современной технологической минералогии разрабатываются новые технологии переработки и извлечения полезных ископаемых. Особое внимание уделяется труднообогатимым рудам, улътра-тонкодисперсной составляющей пород, нетрадиционным видам полезных ископаемых.
Стратегические задачи освоения полезных ископаемых Европейского Северо-Востока решаются путем комплексного освоения и глубокой переработки. Крупные запасы угля, нефти, алюминия, титана, флюорита, технического и самоцветного сырья и других полезных ископаемых, близость к европейской части России и промышленному Уралу делают территорию привлекательным полигоном для освоения как добычных, так и перерабатывающих технологий. Основная проблема заключается в объединении потребностей добывающих и возможностей перерабатывающих отраслей различных видов полезных ископаемых. В этих условиях особую значимость приобретают новые методы и подходы переработки минерального сырья с использованием современных концепций технологической минералогии применительно к процессам вскрытия минеральных компонентов и вовлечения в переработку упорных ультратонкодисперсных разновидностей руд, что обуславливает необходимость использования результатов фундаментальных и прикладных исследований целого ряда междисциплинарных научных направлений. Институт геологии давно и плодотворно сотрудничает в этом направлении в России и за рубежом как с геологическими, так и другими научными и производственными
организациями и вузами в рамках научных договоров и программ (ВИМС, ИПКОН, ВСЕГЕИ, С-Пб горный институт, ОАО «Боксит Тимана», Институт нанохимии поверхности Венгерской академии наук и др.). Приоритетные направления исследований координируютя как по линии РАН (в частности, Научным советом РАН по проблемам обогащения полезных ископаемых), так и РМО (в том числе секции по технологической минералогии). В С-Пб издательстве «Наука» вышла монография «Перспективные геотехнологии» (ответственный редактор академик Н.П. Юшкин), в которой изложен полувековой опыт геотехнологических исследований и инновационных разработок Института геологии Коми НЦ УрО РАН, вносящих определяющий вклад в создание минерально-сырьевого потенциала Европейского Северо-Востока. В отведенном объеме статьи возможно только лишь обозначить некоторые направления исследований в области технологической минералогии, проводимые в институте за последние годы.
Вопросы комплексного минералогического анализа тонкодисперсных руд в последнее время рассматриваются в качестве обязательного раздела исследований. Особое значение приобретает использование современных методов анализа и исследова-
ний, при этом следует подчеркнуть, что для каждого объекта необходима своя схема комплексирования методов исследования. Методы исследований - это то направление, которое сегодня бурно развивается и совершенствуется. Это дает возможность специалистам на новом качественном уровне провести минералогические исследования полезных ископаемых на всех стадиях от геолого-разведоч-ных работ до готового товарного продукта. В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН функционируют Центры коллективного пользования, которые позволяют проводить аналитические изыскания и получать научные результаты, апробируемые на международных конференциях.
Установлено, что максимальная эфф ективность горно -обогатительно -го комплекса достигается при выполнении обязательных условий по качеству руд, направляемых на обогащение. Современные аналитические изыскания особенно четко высвечивают проблемы вскрытия минерального сырья, сложного как по вещественным характеристикам, так и по взаимоотношениям входящих минералов. Доля тонких минеральных частиц, сбрасываемых в настоящее время, огромна: в конечном итоге от 20 до 50 % ценных минералов теряется при обогащении многих руд. В Институте геологии можно выделить два
основных направления исследований с целью решения этих проблем:
— механический способ (применение тонкого измельчения и поиск технических решений для раскрытия тонких минеральных частиц- сростков и проблем переизмельчения);
— немеханический способ (для преодоления физической упорности геоматериалов и раскрытия тонко -вкрапленных минеральных систем в последнее время получили развитие немеханические способы энергетического воздействия, при этом реализация процесса селективной дезинтеграции проходит минуя проблему излишнего переизмельчения минералов).
Интересно отметить, что с точки зрения раскрытия разные способы воздействия приводят к различным результатам, связанным с изменениями в структуре руд и отдельных минералов. Ряд структурно-химических изменений рассматриваются как возможности совершенствования методов переработки минерального сырья. Сложно в отведенном объеме статьи изложить все результаты, полученные сотрудниками в этом направлении. Приведем лишь отдельные примеры.
Одной из негативных составляющих при переработке угля является его тонкодисперсная составляющая, угольная пыль. Конкретно для интин-ских энергетических углей отрицательным свойством является их высокая сернистость и зольность. Все это снижает товарную стоимость продукта и нарушает экологию северного региона. В институте разработаны технологии гравитационного обогащения интинских углей, в результате которых происходит обессеривание угля, понижается зольность. При этом параллельно решается проблема улучшения качества высокопарафи-нистых нефтей. В продолжение этих работ ведутся разработки технологий рационального использования энергетического сырья с попутным извлечением благородных металлов и других полезных ископаемых. Эти проблемы достаточно подробно были изложены в докладах недавно проходившего под эгидой РМО семинара по технологической минералогии: И. Н. Бурцева «Технологические исследования углей и горючих сланцев Тимано-Североуральского региона» и О. С. Кочеткова, А. Э. Львова, Е. М. Тропни-кова «Технологические накопления углей и проблема их использования».
В Республике Коми можно выделить следующие объекты как сырье
для производства алюминия: бокситы, высокоглиноземистые сланцы, цеолиты. В Институте геологии алюминиевое сырье является одним из важнейших объектов изучения. Так, разработана методика исследования приповерхностных слоев алюмосиликат-ных комплексов методом рентгеновской рефлектометрии для оценки с высокой точностью их физических и геометрических свойств, а также тонких пленок, наносимых различным способом на алюмосиликатные подложки, для измерения диаметров пор и нанотрубок в малой нанометровой области с целью разработки новых методов модификации свойств минерального сырья. Выявлена зависимость соотношения основных компонентов алюминиевой руды от классов крупности в результате переработки (для бокситов Тимана).
Разрабатывается концепция получения глинозема и алюминия из нетрадиционного алюмосиликатного сырья. Предложена технологическая схема обогащения анальцимсодержа-щих пород, позволяющая получить концентрат с содержанием анальци-ма до 95 %. В ее основу положена методика разрушения по границам минеральных зерен в результате акустического воздействия, которая является эффективным способом раскрытия сростков и получения свободных агрегатов анальцима.
Разработаны приемы и методы модифицирования структуры и свойств анальцима. Например, гидротермальными, расплавными и другими методами изучены фазовые трансформации анальцимолитов, достигнуто значительное возрастание общей пористости, что значительно расширяет использование данного вида сырья для технических задач. Получены значимые результаты по подготовке оборотных и очистке сточных вод с использованием анальцимсодержа-щих пород.
Продолжено детальное изучение вещественного состава медных руд стратиформных месторождений Среднего Тимана, в результате установлено, что ведущая роль в медносульфидной минерализации принадлежит джарлеиту, а не халькозину, как это считалось ранее. Впервые выделены и детально описаны четыре природных типа медных руд. Особого внимания заслуживает факт обнаружения медной минерализации в красно-бурых песчаниках. Впервые в голубых медоносных глинах установле-
но высокое содержание меди (в количестве 3—5 %) в монтмориллонитах, что может стать основой для разработки принципиально новой технологии обогащения сырья. Разработаны схемы обогащения с учетом тонких классов.
Проводятся поисковые технологические исследования, направленные на разработку новых биогеотех-нологических методов добычи и переработки руд цветных и благородных металлов.
Продолжаются исследования по разработке и совершенствованию методов обогащения титанового сырья. Получены РСА спектры нанострукту-рированного диоксида титана.
Можно продолжить перечень полезных ископаемых, для которых разрабатываются новые технологии переработки и извлечения на основе направленного изменения их физикохимических свойств. Для труднорас-крываемых руд при сложной форме границ срастания и высокой энергии связи атомов на границе, механические способы разрушения не обеспечивают эффективного вскрытия минералов. В таких случаях улучшить раскрытие может обработка руды в различных ф изических полях — температурных, электромагнитных, радиационных (или их комбинации).
Большой интерес представляют методы, использующие плазменное состояние вещества. Так называемые импульсные технологии «Pulsed Power» входят сегодня в применяемые технологии горно-перерабатывающей промышленности. В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН также разрабатываются плазменные методы переработки минерального сырья. В частности, установлена возможность наноструктурной трансформации природных углеводородов под действием плазмы. Действие плазмы заключается в эффективном отделении атомных структур природных углеводородов с последующим быстрым рекомбинированием в наночастицы. Например, при воздействии лазерного излучения на нефть (Ярега, Республика Коми) наблюдается изменение электронной плотности поверхности алмазной подложки. Выявление механизмов трансформации углеводородного сырья — основа решения многих технологических проблем, включая извлечение алмазов, покрытых нефтяной пленкой, которую можно не удалять, как это делают, а использовать для наращивания граней алмаза.
В продолжение этих исследований начаты работы по изучению движения частиц в условиях плазмы в электромагнитных полях. Впервые показано, что ускоренные электроны существенно активизируют физикохимические процессы на поверхности и в объеме минералов, за счет чего изменяются флотационные свойства минерального сырья.
Отличительная черта современной технологической минералогии — переход к исследованиям минералов на уровне наноразмерности и формирование технологической наноминералогии.
Достаточно активно развиваются основы структурной модификации, в том числе на наноуровне. В рамках международного проекта с Институтом нанохимии Венгерской академии наук и Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН получены структуры на-нодисперсных образований минералов титана на примере анатаза, для которых выявлены особенности физико-химических свойств, возникшие благодаря структурной реорганизации на наноуровне (топографии поверхности, сорбции, электронных свойств, включая ширину запрещенной зоны, и др.). С вовлечением в переработку наноразмерных частиц минерального сырья с особенностями их физических и химических свойств на межфазных границах возникла необ-
ходимость в исследовании неавтономных фаз — поверхностных образований нанометрового (субмикронного) размера, которые являются продуктами химического модифицирования и структурной реконструкции поверхностных слоев минералов и могут рассматриваться как источники некогерентных элементов и, в частности, ряда полезных компонентов (в том числе Аи, Р1) в сульфидных рудах. На примере титановых минералов удалось показать, что вследствие малой размерности данных фаз (2—3 нм) важную роль играют возникающие квантовые эффекты. На границе валентной зоны и зоны проводимости распределение электронной плотности имеет дискретный характер.
Особенно следует отметить роль поверхности и границ при переработке минерального сырья. В Институте геологии проведены оригинальные исследования свойств минеральных поверхностей и механизмов протекающих процессов, что позволило решить сложные вопросы разделения минеральных компонентов природного и техногенного минерального сырья с учетом вопросов экологии и охраны окружающей среды. Разработаны теоретические основы методов направленного модифицирования тонкодисперсного минерального сырья, в основе которых лежит избирательное взаимодействие поверхност-
ных активных центров с соседней фазой в физических полях, которое обусловлено связью адсорбированной фазы с объемом вещества на молекулярном, атомарном и электронном уровнях. В результате частицы минерального сырья проявляют новые ад-сорбофизические свойства. Разработана установка лабораторного типа, позволяющая проводить доводку тонкодисперсных хвостов золотосодержащих руд.
Литература
Перспективные геотехнологии / Под редакцией академика Н. П. Юшки-на. СПб.: Наука, 2010. 376 с.
Патент № 2371384 ЯП. МПК С01В 31/06. Способ синтеза алмазов / О. Б. Котова, А. П. Петраков, Е. М. Тропников. Опубл. 27.10.2009, бюл. № 30.
Патент № 2296718 ЯП. МПК С02Б 1/28, С02Б 1/64, С02Б 103/04. Способ очистки воды / Д. А. Шушков, О. Б. Котова, И. П. Пальшин. Опубл. 10.04.2007, бюл. № 10.
Белая книга. Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. М., 2006.
Геология и минеральные ресурсы европейского северо-востока России: Материалы ХУ Геологического съезда Республики Коми. В 3 т. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2009.
Д. г.-м. н. О. Б. Котова
