ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ СРЕДЫ

Капустина Галина Григорьевна

аспирант ИГД ДВО РАН, преподаватель ТОГУ г. Хабаровск

Е-mail:

Леоненко Нина Александровна

канд. техн. наук, ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск

Е-mail:

Статья подготовлена в ходе выполнения работ по государственному контракту на выполнение научно-исследовательских работ от 29 апреля 2011 г. № 16.552.11.7027 с Министерством образования и науки России.

Введение

Проблемы эффективного и безопасного освоения минерально-сырьевых ресурсов России выходят за рамки горного производства, они могут быть решены только при совместном сотрудничестве геологов, металлургов, физиков, химиков, биологов и других специалистов. За долгие годы активной эксплуатации рассыпные месторождения значительно истощены. Значительный резерв золотодобычи составляют техногенные россыпи. Это россыпи более сложного строения, менее богатые, с содержанием золота в мелкой фракции. Процесс разработки таких месторождений требует поиска новых технологических решений, основанных на результатах фундаментальных и прикладных исследованиях. В настоящее время широко распространены химические технологии (амальгамация, цианирование, элюирование), биологические технологии (применение бактерий Thiobacillus ferrooxidans для выщелачивания меди, никеля, цинка, золота и других металлов), а так же принципиально новые технологии с использованием физических воздействий.

Одним из направлений таких исследований является энергетическое воздействие на тонкодисперсные минеральные среды. К ним относятся электрохимическая обработка, обработка потоком ускоренных электронов, ультразвуком, мощными электромагнитными импульсами, а также сверхвысокочастотная и магнитно-импульсная обработки и др. [8].

Одним из перспективных методов энергетического воздействия является лазерная обработка материалов, которая обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию.

В основе лазерной обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связанно с термическим эффектом поглощения излучения непрозрачными твердыми телами [3, 5].

Методика эксперимента

Для исследования были подготовлены минеральные алюмосиликатные среды (высокоглинистые пески), содержащие ультрадисперсное золото, не извлекаемое гравитационными методами.

Источником мощного потока энергии служил иттербиевый волоконный лазер ЛС-06 непрерывного действия, с длиной волны λ=1070 нм, [6].

В ходе эксперимента мощность излучения варьировалась от 60 до 270 Вт. В результате лазерного воздействия при мощности излучения 60 – 90 Вт были получены спеки из глинистых алюмосиликатных частиц в виде цепочечных структур (рис. 1а). При дальнейшем увеличении мощности до 270 Вт (и более) эти структуры трансформировались в крупные оплавленные агломераты (рис. 1б).

Рисунок 1. Фотографии образцов после лазерной обработки (а) - при мощности 60 Вт, (б) – при мощности 270 Вт.

а                                          б

Вещественный состав направленного изменения свойств образцов изучен с помощью электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа. Образы исследованы до и после лазерной обработки.

На рис. 2 представлены электронные растровые изображения исходных золотосодержащих алюмосиликатных образцов с ультрадисперсным золотом, полученные с помощью растрового электронного микроскопа “LEOEVO 40HV”(Карл Цейс, Германия), оснащенным энергодисперсионным анализатором «INCA-TNTRGY».

Рисунок 2. Электронные изображения исходных образцов с ультрадисперсным золотом

Изображения электронного микроскопа позволяют сделать вывод, что исходный образец имеет разную фазовую микронеоднородность. Фазы с более высоким средним атомным числом выражены в более ярком контрасте по сравнению с фазами с меньшим атомным числом. Исследованиями фазовой микронеоднородности методом растровой электронной микроскопии установлено, что основной структурной составляющей в исходных образцах являются силикаты в виде кварца, цеолита и глины. Присутствуют тонкодисперсные и ультрадисперсные золотосодержащие частицы с размерами от 10 до 400 нм.

В результате лазерного воздействия на данные образцы наблюдается формирование обожженных сфер диаметром от 500 до 3000 мкм. На этих поверхностях наблюдается формирование частиц золота размером до 300 нанометров, что подтверждается электронной микроскопией (рис. 3).

Рисунок 3. Электронные изображения алюмосиликатных спеков после воздействия лазерного излучения мощностью излучения 60 Вт и 130 Вт.

Помимо микроскопических методов исследования проведены исследования образцов рентгенофазовым методом при различных мощностях лазерного воздействия. Рентгеноструктурные исследования поверхности образцов проводились с помощью дифрактометра ДРОН-7 (НПП «Буревестник»). На рисунке 4а представлена рентгеновская дифрактограмма для исходного образца. Основные пики исходного материала соответствуют кварцу SiO₂. Кроме того, в небольшом количестве присутствуют сложные оксиды алюминия, кальция, железа и кремния.На рентгенограмме после лазерной обработки при мощности излучения 60 Вт, интенсивность пиков уменьшается и часть пиков исчезает, базисная линия становится шире (рис. 4б). С ростом мощности лазерного воздействия на породу (120 Вт) происходит уменьшение интенсивности наиболее выраженных дифракционных отражений, соответствующих кристаллической фазе SiO₂. Одновременно образуется область рентгеновского «гало» (рис. 4в). При мощности 210 Вт (рис. 4г) видно, что пики интенсивности становятся более размытыми, главный максимум интенсивности уменьшился почти в 10 раз и соответствует фазе нового вещества Al2Si2O5(OH)4, базисная линия стала более широкой, а оксид кремния и другие элементы изчезли, так как при большой мощности происходит испарение вещества.

Рисунок 4. Дифрактограмма образца а - исходного; б - после воздействия лазерного излучения мощностью 60 Вт; в - после воздействия лазерного излучения мощностью 120 Вт; г - после воздействия лазерного излучения мощностью 210 Вт.

Наличие выраженного «гало» в области малых и средних углов свидетельствует о высокой степени аморфизации основных составляющих породы. Таким образом, в результате увеличения мощности лазерного воздействия высокоглинистые пески переходят из кристаллической фазы в аморфную [9].

Результаты и обсуждение

Полученные результаты позволяет сделать вывод, что под воздействием лазерного излучения в минеральных средах возникают быстропротекающие процессы, сопровождаемые генерированием механических и электромагнитных волн, которые приводят к изменению физико-механических свойств, деформации и перестройки молекулярно-электронных и кристаллических структур, образуется избыток энергии возбуждения, сконцентрированной, в основном, на границе гетерогенных фаз.

У диэлектриков с большой энергетической щелью в начале лазерного воздействия происходит генерация свободных электронов вследствие многофотонного механизма. Свободные электроны эффективно поглощают энергию лазерного излучения за счет обратного тормозного рассеяния, в результате чего развивается процесс лавинной ионизации. Появление большого количества электронов в зоне проводимости приводит к металлизации поверхностного слоя диэлектрика, что выражается в увеличении коэффициентов поглощения и отражения. По окончанию лазерного импульса с течением времени происходят рекомбинация (захват) электронов в связанное состояние и оже-рекомбинация, что приводит к постепенному возвращению мишени свойств диэлектрика [1, 2, 4].

Для описания динамики нагрева диэлектрика используют следующую форму уравнения теплопроводности с учетом всех каналов баланса лазерной энергии в облучаемом образце [1]:

,

где J – ток электронов, λ – теплопроводность e – заряд электрона, n_e – концентрация электронов, Σ(x,t) – описывает поглощение излучения в образце, выбирается таким образом, чтобы учесть все возможные каналы поглощения лазерной энергии.

Ток электронов может быть представлен в виде суммы дрейфового и диффузионного членов:

,

где D – коэффициент диффузии электронов.

Решение уравнений теплопроводности для компонентов, входящих в состав дисперсных сред, позволяет определить оптимальные условия для варьирования размерами частиц золота, образующихся при лазерном воздействии на минеральные ультрадисперсные среды. Изучение направленного изменения свойств природных дисперсных золотосодержащих минеральных объектов при лазерном воздействии методами электронной, атомно-силовой микроскопии, показало, что по мере увеличения мощности энергетического лазерного воздействия образуются поверхностно неоднородные минеральные структуры. Золото на поверхности алюмосиликатных агломератов находится в виде самоорганизующихся сфероподобных структур [7].

Выводы

Изменение гранулометрического состава минеральных золотосодержащих сред, происходящее вследствие воздействия лазерного излучения, позволит использовать обычные гравитационные методы для извлечения золота. На основе обнаруженного эффекта могут быть предложены эффективные и экологически чистые методы для предварительной концентрации благородных металлов и с последующим извлечением их традиционными средствами.

Список литературы:

1.            Булгаков Л. В., Булгакова Н. М., Бураков И. М. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество. Новосибирск: институт теплофизики СО РАН, 2009, 462 с.

2.            Ванина Е. А., Гальцов А. А., Леоненко Н. А., Капустина Г. Г. Исследование процессов лазерной агломерации ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота. Перспективные материалы. Спецвыпуск (13) . 2011. Материалы XI Российско-Китайского Симпозиума ”Новые материалы и технологии” т.1 - 2011 г. СПб: Интерконтакт Наука, Москва, Россия. С. 144-148.

3.            Вейко В. П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий» // Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. – 52 с.

4.            Гришаев Р. В., Мирзаде Ф. Х., Хоменко М. Д. Численное моделирование нагрева и плавления микрочастицы лазерным излучением // Журнал технической физики, том 75, вып. 12, 2005. – С. 124-143.

5.            Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под редакцией В. Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. – 664 с.

6.            Леоненко Н. А., Ванина Е. А., Гальцов А. А., Капустина Г. Г., Швец Н. Л. Воздействие лазерного излучения на золотосодержащие дисперсные среды и моделирование температурного поля процесса лазерной агломерации.// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 5-2. Орел: Изд-во Орел ГТУ, – 2010. – с. 83-91.

7.            Леоненко Н. А., Ванина Е. А., Гальцов А. А., Капустина Г. Г., Силютин И. В. Терморадиационная активация и формирование упорядоченных структур в дисперсных минеральных средах при лазерном воздействии // Физика и химия обработки материалов. - 2011. - № 2. - с. 23-26.

8.            Чантурия В. А. Современные проблемы обогащения минерального сырья в России. //Горный журнал, 2005, № 12. С. 56-64.

9.            Швец Н. Л., Леоненко Н. А., Силютин И. В. Исследование высокоглинистых песков, подвергнутых лазерной термоактивации./ Проблемы комплексного освоения георесурсов: материалы IV Всероссийской научной конференции. Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2011. Т. 1. – с. 403-408.