книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты

ские процессы, которые характеризуются достаточно высо­ ким сечением взаимодействия с химическими элементами. Раз­ деление минералов при этом основано на различии свойств минералов в интенсивности испускания (эмиссионные мето­ ды) или ослабления (абсорбционные методы) ими излучений.

В настоящее время принципиально возможна сортировка минералов по излучению или поглощению лучей в любой части спектра.

Радиоактивность

Радиоактивность представляет собой превращение неус­ тойчивых изотопов химического элемента в изотопы других элементов с излучением элементарных частиц. Естественной ра­ диоактивностью обладают минералы, в состав которых входят радиационно-неустойчивые изотопы урана, радия, тория, ра­ дона, калия, стронция и др.

Умеренная и слабая радиоактивность пирохлора, монаци­ та и некоторых других минералов может быть вызвана неболь­ шой примесью в них изотопов U, Th, а также других радиоак­ тивных изотопов. Слабая радиоактивность сильвина, микрокли­ на, мусковита и других минералов калия обусловлена обычно постоянной примесью радиоактивного изотопа калия.

Естественная или наведенная радиоактивность, основан­ ная на различной способности минералов поглощать или отра­ жать радиоактивное, у, р, или нейтронное излучение, использу­ ется для разделения радиоактивных и не обладающих радиоак­ тивностью минералов методом авторадиометрической сепара­ ции. Благодаря высокой селективности авторадиометрическая сепарация является основным способом обогащения руд урана.

Люминесценция

Люминесценция является результатом поглощения мине­ ралом энергии, вызывающей электронные переходы с уровней основного состояния на возбужденные уровни и свечение его определенным цветом. Она возникает при вполне определен­ ной величине (несколько эВ) возбуждающей энергии ультра­ фиолетового или видимого света (фотолюминесценция), рент­ геновского и катодного облучения (рентгено- и катодолюминесценция), под воздействием электромагнитного поля (элек-

тролюминесценция), химических реагентов (хемолюминесцен­ ция), при механических деформациях (гриболюминесценция) и изменении температуры (термолюминесценция).

Характер электронных переходов и связанные с ними лю­ минесцентные свойства минералов определяются природой цен­ тров люминесценции, представляющих собой точечные при­ месные или структурные дефекты. Из них чаще всего центра­ ми люминесценции служат ионы переходных металлов, таких, например, как марганец (в кальците, апатите, сподумене и др.), хром (в рубине, изумруде, кианите и др.), редкие земли (в мо­ наците, флюорите, цирконе и др.). Люминесценция при этом связана с электронными переходами между d- или /уровнями, расщепленными кристаллическим полем минерала. В молиб­ датах и вольфраматах кальция (повеллите, шеелите, молибдошеелите) люминесценция обусловлена электронными перехо­ дами в анионных кислородных тетраэдрических комплексах переходных металлов; в некоторых сульфидах (сфалерите, ки­ новари, реальгаре и др.) — рекомбинацией возбужденных до­ норно-акцепторных пар. Каждый примесный или структурный дефект обладает в каждом минерале своей полосой (цветом) люминесценции и это используется для разделения минера­ лов: рентгенолюминесцентным методом (РЛМ) — при обога­ щении алмазсодержащих, флюоритовых, цирконовых, сподуменовых, шеелитовых и других руд, которые содержат мине­ ралы, люминесцирующие в рентгеновских лучах, и фотолюминесцентным методом (ФЛМ) — при обогащении полезных ис­ копаемых, содержащих кальцит, барит, флюорит, гипс, доло­ мит, алмазы, шеелит и другие минералы, люминесцирующие под действием ультрафиолетового излучения (длина волны X = 103—3,8-102 мм). Признаком разделения при этом является световой поток рентгено- и фотолюминесценции.

Взаимодействие минералов с рентгеновским

(А. = 5- 1(Г2— 10 мм) и гамма- (X < 10'2 мм) излучениями

Рентгеновское и гамма-излучение представляют собой элек­ тромагнитные волны, взаимодействие которых с электрона­ ми и атомными ядрами вещества минералов может вызвать фотоядерную реакцию, фотоэффект, эффект Комптона или об­

разование электронно-позитронных пар в зависимости от энер­ гии излучения.

Фотоядерные реакции с образованием нейтронов (типа у, п), протонов (типа у, р) или альфа-частиц (типа у, а) проте­ кают под действием излучения больших энергий. Протоны и альфа-частицы, обладая большой массой и зарядом, практи­ чески не проникают в объем облучаемого вещества. Поэтому для разделения минералов используется только фотоядерная реакция с образованием нейтронов, обладающих большой про­ никающей способностью.

На использовании различий в интенсивности нейтронно­ го излучения, испускаемого при облучении руды гамма-луча­ ми, основан фотонейтронный метод (ФНМ) обогащения. Его применяют обычно для обогащения бериллиевых руд, так как ядра бериллия обладают способностью испускать нейтроны при облучении гамма-лучами сравнительно низкой энергии (Еу > 1,67 МэВ). Он может быть применен также для обога­ щения марганцевых, железных, медных, висмутовых, молиб­ деновых, вольфрамовых, оловянных и других типов руд при Еу > 10—20 МэВ.

В области низких энергий гамма-квантов (0,01—0,50 МэВ) преобладающим видом взаимодействия является фотоэффект. Вся энергия гамма-кванта при этом передается связанному электрону, и он выбрасывается за пределы атома. Освободив­ шееся место на электронной оболочке заполняется электро­ нами с других уровней атома, что сопровождается испускани­ ем характеристического рентгеновского излучения флюорес­ ценции. Сечение фотоэффекта Оф зависит от атомного номера вещества Z и энергии гаммаили рентгеновского излучения. Различия в интенсивности рентгеновской флюоресценции ми­ нералов используются при обогащении полезных ископаемых, содержащих элементы с атомным номером Z > 19, т. е. марган­ цевых, медно-никелевых, ниобиевых, молибденовых, оловянных, цезиевых, бариевых, танталовых, вольфрамовых, свинцово-цин­ ковых и других руд. Если в качестве первичного используется гамма-излучение, то метод обогащения называется гамма-флю­ оресцентным (ГФМ), если рентгеновское излучение — рент­ генофлюоресцентным (РФМ).

При малых энергиях (до 0,1 МэВ) некоторые элементы об­ ладают способностью рассеивать на электронных оболочках атомов падающее рентгеновское или гамма-излучение. Дан­ ное свойство характеризуется массовыми коэффициентами ко­ герентного и некогерентного рассеяния. Различия минералов в интенсивности обратнорассеянного рентгеновского или гам­ ма-излучения может использоваться при обогащении руд, со­ держащих тяжелые элементы, например, железных, свинцо­ во-цинковых, хромовых, ртутных рентгеноотражательным (РМ) или гамма-отражательным (ГОМ) методом.

При промежуточных значениях энергии (0,3— 3 МэВ) пре­ обладает комптоновское рассеяние на электронных оболочках атомов, а начиная с энергии 1,022 МэВ — образуются элек­ тронно-позитронные пары. Линейный коэффициент ослабле­ ния рентгеновского или у-излучения вещества зависит от его плотности, атомного номера Z, атомной массы А и энергии гамма-квантов Ег На различной способности минералов по­ глощать пропускаемое через них рентгеновское или гаммаизлучение основаны рентгеноабсорбционный (РАМ) и гаммаабсорбционный (ГАМ) методы обогащения железных, хромо­ вых, оловянных, бариевых, сурьмяных, цезиевых, свинцово­ цинковых и других руд. Эти методы можно применять также, если разделяемые компоненты полезных ископаемых, мало отличаясь по эффективному атомному номеру, имеют суще­ ственное различие по плотности. Примером может служить разделение угля и сланцев. Признаком разделения во всех этих случаях является интенсивность прошедшего через мине­ ральные зерна рентгеновского или гамма-излучения.

Взаимодействие минералов с бета- (X = 10'3— 10"2 мм) и нейтронным (X = 1 0 2— 1 0 1мм) излучениями

Бета-излучение представляет собой поток электронов. При его прохождении через минерал наблюдается ионизационное торможение и рассеяние на электронных оболочках атомов.

При ионизационном торможении энергия электрона тра­ тится на возбуждение и ионизацию атомов среды, через кото­ рую он проходит, что сопровождается испусканием характе­ ристического рентгеновского излучения флюоресценции.

Спектр его, как и при возбуждении гамма-излучением, оп­ ределяется лишь атомными свойствами облучаемого минера­ ла. Различие минералов в интенсивности возбуждаемой рент­ геновской флюоресценции используется при обогащении руд, содержащих тяжелые элементы с атомным номером Z > 35, на­ пример, молибденовых, оловянных, вольфрамовых, свинцо­ вых и других, бета-флюоресцентным (БФМ) методом.

Различия минералов в интенсивности обратноотраженно­ го бета-излучения при рассеянии его на электронных оболоч­ ках атомов используются при обогащении руд, содержащих тяжелые элементы, бета-отражательным (БОМ) методом.

При столкновении нейтрона с ядром атома происходят его захват или упругое рассеяние.

При захвате нейтрона образуется составное возбужденное ядро, последующий переход которого из возбужденного в бо­ лее низкое энергетическое состояние может происходить пу­ тем распада с испусканием каких-либо частиц или гаммаквантов, или тех и других. Наиболее часто при захвате ней­ трона имеет место ядерная реакция с испусканием характери­ стического спектра гамма-излучения (л, у), называемая радиа­ ционным захватом. Сечение радиационного захвата является небольшим для медленных (с энергией 0,1— 103 эВ) и особенно тепловых (с энергией до 0,025 эВ) нейтронов. Увеличение се­ чения (л, у)-реакции наблюдается также при переходе от лег­ ких к тяжелым элементам. Интенсивность и энергия гамма-из­ лучения (л, у)-реакции являются специфическими для каждого элемента, что используется для разделения минералов нейтрон­ но-радиационным (НРМ) методом. У многих ядер радиацион­ ный захват приводит к образованию нестабильных (радиоак­ тивных) изотопов, излучающих гамма-кванты, электроны или позитроны. Интенсивность наведенной (искусственной) ра­ диоактивности зависит от сечения активации и содержания химического элемента в облучаемых минералах. Различие в плотности потока наведенного излучения у разных минералов используется для их разделения нейтронно-активационным (НАКМ) методом.

Нейтронно-активационный (НАКМ) и нейтронно-ради­ ационный (НРМ) методы целесообразно применять, когда се­

чение взаимодействия нейтронов с полезным компонентом не ниже 1— 3 барн, что необходимо для надежной регистрации вызываемых излучений. Этому условию удовлетворяют руды, содержащие хром, марганец, железо, никель, медь, серебро, зо­ лото, редкоземельные элементы.

При упругом рассеянии нейтрон при встрече с ядром от­ клоняется от первоначального направления, передавая часть своей кинетической энергии ядру. Процесс наиболее вероятен при взаимодействии медленных и тепловых нейтронов с лег­ кими ядрами и ядрами средней массы. На тяжелых ядрах се­ чение рассеяния мало, по сравнению с сечением захвата ней­ трона. Различие в ослаблении потока нейтронов разделяемы­ ми компонентами полезных ископаемых используется при их обогащении нейтронно-абсорбционным (НАМ) методом. При­ знаком разделения при этом является плотность потока ней­ тронов, прошедшего через подвергаемый обогащению объем полезного ископаемого. Метод можно применять для обога­ щения руд, содержащих химические элементы с большим се­ чением захвата нейтронов, например, борных, литиевых, со­ держащих кадмий, редкоземельные элементы.

Взаимодействие минералов с видимым светом (X. = 3,8 • 102 мм) и инфракрасным излучением (X = 7,6-101— 10м мм)

Воздействие электромагнитного поля световой волны на электроны вещества возбуждает их колебания и периодиче­ ские изменения дипольных электрических моментов минера­ ла. При этом излучаются вторичные электромагнитные волны с длиной, равной длине волны падающего света. Первичные и вторичные волны когерентны между собой и могут взаимно интерферировать.

При падении световой электромагнитной волны на по­ верхность минерала образуются отраженная в воздух и пре­ ломленная в минерал волны. Коэффициент отражения, равный отношению световых потоков отраженной и падающей волн, служит оптической характеристикой вещества.

Отражение света складывается из зеркальной и диффуз­ ной компонент. При этом отражение естественного света со­ провождается частичной его поляризацией, в результате ко­

торой какая-то часть отраженного света приобретает опреде­ ленную ориентацию вектора электрической и магнитной на­ пряженности.

Различия минералов по интенсивности светового потока зеркально отраженного света {по блеску) используются для их разделения зеркальным фотометрическим (ЗФМ) методом, а при различии в интенсивности светового потока поляризационно отраженного света — поляризационным фотометриче­ ским (ПФМ) методом. Оба метода целесообразно применять для выделения из рудной массы минералов, обладающих бле­ ском, например, слюды, кварца, галита и др.

Интенсивность диффузного отражения определяется раз­ мером зерен в агрегатах и характером полос поглощения све­ та (цветом) самого минерала, на который влияют химический состав и особенности кристаллической структуры минерала, наличие в нем примесей других элементов, дефектов и вклю­ чений окрашенных веществ.

Различным видам окраски минералов соответствует раз­ ная степень перекрытия видимой области спектра света поло­ сами поглощения самого минерала.

По зонной теории основная полоса поглощения отвечает электронным переходам из валентной зоны в зону проводи­ мости. Положение длинноволнового края этой полосы в оп­ тическом спектре отвечает ширине запрещенной зоны и ми­ нимальной энергии перехода. Ширина запрещенной зоны за­ висит от типа химической связи. У минералов с металлически­ ми или ковалентно-металлическими типами связи (как у ме­ таллов, большинства сульфидов, части окислов) она менее 2 эВ; поэтому основная полоса поглощения полностью перекрыва­ ет видимую область и они непрозрачны, но характеризуются сильным отражением разных цветов и оттенков в связи с не­ одинаковым отражением в разных частях спектра. У минера­ лов с ковалентной связью (части неметаллов, сульфидов и оки­ слов) ширина запрещенной зоны составляет 2—3 эВ, поэтому видимая область перекрыта лишь частично и они имеют яр­ кую окраску. Наконец, у металлов с ионной и ионно-кова­ лентной связями (солей, многих окислов и силикатов) ширина запрещенной зоны больше 4— 5 эВ и основная полоса погло­

щения находится далеко в ультрафиолетовой области. Значи­ тельная часть из них в видимой области прозрачна или бес­ цветна.

На полосы поглощения самого минерала накладываются полосы поглощения электронных переходов: примесей разно­ валентных ионов, образующих донорно-акцепторные уровни в запрещенной зоне; элементов и ионов переходных групп в связи с переходами между уровнями «/-электронов; различных дефектов (анионных вакансий, свободных радикалов, анио­ нов, молекулярных и примесных ионов с аномальным заря­ дом вследствие захвата электрона или дырки), играющих роль электронно-дырочных центров.

Различия минералов в интенсивности светового потока диффузно-отраженного свега (т. е. по цвету) используются дтя выделения талька, гипса, доломита, известняка, каменной со­ ли, а также при обогащении золотосодержащих, баритовых, оловянных, марганцевых, ильменитовых и других руд фото­ метрическим (ФМ) методом.

Мерой интенсивности поглощения или пропускания све­ та, проходящего через кристалл, служат: пропускание Т = ///о,

где /о и / — интенсивность первоначального потока света и прошедшего через кристалл, и оптическая плотность D = МТ В соответствии с законом Бугера— Ламберта: I = h е'“8, где Ô — толщина кристалла, а — коэффициент поглощения, ха­ рактеризующий природу минерала.

Различия минералов по световому потоку, прошедшему че­ рез них {по прозрачности), используются при обогащении по­ лезных ископаемых, у которых выделяемый компонент обла­ дает высокой прозрачностью, как, например, оптический кварц, алмазы, галит, фотоабсорбционным (ФАМ) методом.

Оптические свойства углей — цвет, блеск, прозрачность, преломление света, отражательная способность — тесно связа­ ны с молекулярной структурой их органического вещества и кристаллической структурой минералов. Различие структур ми­ нералов вызывает разнообразие их оптических свойств. Раз­ личные микрокомпоненты углей также имеют различную от­ ражательную способность, возрастающую от лейптинита к витриниту и фюзиниту.

Облучение минералов инфракрасным светом приводит к поглощению ими тепла и последующему испусканию вторич­ ного инфракрасного излучения. Различие минералов в интен­ сивности испускаемого инфракрасного излучения использует­ ся при обогащении полезных ископаемых, у которых раз­ деляемые компоненты отличаются по удельной теплоемко­ сти (например, асбестовые руды), инфраметрическим (ИФМ) методом.

Взаимодействие минералов

срадиоволновым излучением (X = 105— 1014 мм)

Врезультате взаимодействия радиоволнового излучения с минералами может наблюдаться поглощение и отражение ра­

диоволн, перераспределение поля радиочастотного излучения, поляризация диэлектриков и образование токов смещения, на­ магничивание внешним магнитным полем и поглощение энер­ гии магнитного поля. В зависимости от электрических и маг­ нитных свойств минералов это будет приводить к изменению энергии электромагнитного поля, напряженности и энергии магнитного поля, интенсивности радиоизлучения, прошедше­ го через слой обогащаемого материала.

Различие минералов по изменению энергии электромаг­ нитного поля в результате поглощения и перераспределения поля радиомагнитного излучения используется при обогаще­ нии полезных ископаемых, у которых разделяемые компонен­ ты различаются по удельной электрической проводимости, например, сульфидных руд цветных и редких металлов, углей, сланцев, графитовых руд индукционным радиорвзонансным

(ИРМ) методом.

Различие минералов также по изменению энергии электро­ магнитного поля, но в результате поляризации диэлектриков и образования токов смещения используется при обогащении полезных ископаемых, у которых разделяемые компоненты от­ личаются по диэлектрической проницаемости, например, магне­ зитовых, бокситовых, серных, слюдяных, оловянных, вольф­ рамовых и других руд, емкостным радиорвзонансным (ЕРМ) методом.

Различие минералов по интенсивности радиоизлучения, прошедшего через них, вследствие различного поглощения и

отражения радиоволн минералами используется при обога­ щении полезных ископаемых, разделяемые компоненты кото­ рых отличаются по удельной электрической проводимости, например, сульфидных руд цветных и редких металлов, углей и сланцев, радиоабсорбционным (РДМ) методом.

Различная способность минералов изменять напряжен­ ность и энергию магнитного поля в результате намагничива­ ния внешним магнитным полем, поглощения энергии магнит­ ного поля используется при обогащении полезных ископае­ мых, разделяемые компоненты которых отличаются по маг­ нитной проницаемости, например, руд черных и цветных ме­ таллов, магнитометрическим (ММ) методом.

2.2.4. Магнитные свойства минералов

Магнитные свойства минералов возникают и проявляют­ ся в магнитном поле, причем у большинства из них только в сильном магнитном поле с высокой напряженностью.

Магнитная индукция, которую создает магнитное поле, изменяется в присутствии минерала. Мерой ее изменения слу­ жит магнитная проницаемость минералов Цм и связанная с ней магнитная восприимчивость % = Цм - 1, определяющая зави­ симость получаемой в минерале намагниченности М от на­ пряженности магнитного поля Н \ М ~ %Н, или %= MIH.

Магнитная восприимчивость и намагниченность зависят от числа неспаренных электронов, каждый из которых харак­ теризуется определенным магнитным моментом (спином) или магнетоном Бора: Цв - eh ! 4/яя, где е — заряд, т — масса электрона, h — постоянная Планка.

Магнитные свойства определяются в основном химиче­ ским составом и отчасти структурой минералов. Повышенная магнитная восприимчивость всегда свойственна минералам, в состав которых входят железо, никель, кобальт, марганец. При­ чем атомы Fe2+ обусловливают более высокое значение %, чем атомы Fe3+; поэтому с изменением валентности железа в струк­ туре минерала изменяется и значение х. Несколько повышенное значение х наблюдается и для минералов, в состав которых входят хром, ванадий, титан, медь.