Воздействие высоковольтных наносекундных импульсов на сульфидные минералы и их технологические свойства

УДК 622.7+621.373

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА СУЛЬФИДНЫЕ МИНЕРАЛЫ И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

© И.Ж. Бунин, М.В. Рязанцева, И.А. Хабарова

Ключевые слова: мощные наносекундные импульсы; сульфидные минералы; электрические пробои; модифицирование поверхности; флотационные свойства.

Исследовано изменение структурно-химических и флотационных свойств полупроводниковых сульфидных минералов при воздействии высоковольтных наносекундных импульсов с целью повышения селективности разделения сульфидов с близкими физико-химическими и технологическими свойствами.

В настоящее время нетрадиционные (немеханические) способы энергетических воздействий, а именно: электрохимическая, СВЧ-, электроимпульсная, элек-трогидродинамическая, магнитно-импульсная, плазменная, лазерная обработки, воздействие потоком ускоренных электронов и мощными наносекундными электромагнитными импульсами (МЭМИ), рассматриваются как эффективный способ интенсификации процессов переработки труднообогатимого минерального сырья и применяются для повышения селективности дезинтеграции тонкодисперсных минеральных комплексов и контрастности свойств минералов с близкими физико-химическими и технологическими (флотационными) свойствами [1].

В работах [1-3] была показана эффективность применения наносекундных МЭМИ в процессах дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов и извлечения микро- и наночастиц благородных металлов из упорных руд. В [1-4] рассмотрены возможные механизмы селективной дезинтеграции; показано, что электрические пробои могут играть важную роль в технологии наносекундной импульсной обработки измельченных минералов (сульфидов, кварца) с размером частиц от 100 мкм до 2-3 мм, являющихся носителями тонковкрапленного золота и других ценных компонентов.

Электрические разряды в таких минералах сопровождаются нарушениями сплошности в виде каналов пробоя и системы трещин вокруг этих каналов [1-4]. Развитие зон наведенной трещиноватости вокруг каналов определяется давлением испаренного вещества в канале пробоя. При мгновенном энерговыделении в канале (в случае наносекундных разрядов) изменение его поперечного размера, плотности и давления газа в нем определяется, во-первых, радиальным движением волны испарения, во-вторых, радиальным расширением канала, а также истечением разогретого газа из канала [5]. Время расширения вещества вокруг канала определяется динамикой дезинтеграции и развития трещин и может быть сравнимым со временем истечения газа из канала.

При циклическом воздействии состояние газа в канале зависит от соотношения времени истечения и периодичности импульсов воздействия. При выделе-

нии в нем того же количества энергии, что и в первом разряде максимальное давление в канале во время прохождения разрядного тока будет меньше, чем при первом разряде за счет быстрой разгрузки в уже существующий полый канал. Доля энергии, потраченной на разрушения (прежде всего на раздавливание материала) вокруг канала пробоя, будет меньше, чем при камуфлетом взрыве. Это приведет к увеличению температуры и скорости истекающей плазмы, что наблюдалось в экспериментах. В то же время наличие давления в канале будет способствовать развитию трещин вокруг него [4, 5].

Высокоскоростная струя газа переносит импульс. Полный импульс, уносимый струей, - порядка (МЕ)1/2, где М - масса истекающего газа, Е - энергия газа в канале. Если разрядный промежуток генератора наносекундных импульсов заполнен несколькими частицами сульфида, воздействие струй, истекающих из одних минеральных частиц, на соседние приведет к эрозии их поверхности, образованию ударных кратеров, а при наличии между ними электрического поля - к эмиссии электронов с поверхности, что может способствовать развитию пробоя в этих частицах, а также формированию новообразований на поверхности сульфидов в виде оксидов Ме, аллотропических модификаций элементной серы, и других новообразований [1, 6, 7]. Наконец, истечение газа играет важную роль в очищении каналов пробоя от частиц раздробленного вещества [5].

В [5, 6] разработана теоретическая модель истечения разогретого газа из канала наносекундного пробоя, и в результате численных газодинамических расчетов показано, что в процессе МЭМИ-обработки сульфидов на их поверхности за счет конденсации паров Ме (железа) и серы образуются новые нанофазы оксидов железа, меди или никеля (в зависимости от химического состава минерала) и элементной серы, которые обладают специфическими свойствами, характерными для соединений, сформированных наноструктурами [6]. Химический и фазовый состав вновь образованных соединений зависит от дозы электромагнитного излучения (МЭМИ: т(имп) ~10 нс, напряженность электрической компоненты поля ~107 В/м, энергия в импульсе -0,1 Дж, частота повторения импульсов - 100 Гц) и ха-

1695

рактеризуется следующими тремя стадиями протекания процесса структурно-фазовых преобразований поверхности сульфидов [6, 7]:

1) <103 импульсов (<0,1 кДж) - начальная стадия окисления сульфидов с образованием железо-(Ме)дефицитных сульфидов, оксидов (гидроксидов) и сульфатов железа, меди и цинка; формирования на поверхности минералов гидрофобной элементной Б0 и полисульфидной Б„2~ серы;

2) 103^5-103 импульсов (0,1 ^0,5 кДж) - стадия обновления («сульфидизации») поверхности минералов вследствие термического удаления с нее элементной и полисульфидной серы в виде сернистого газа; накопление в поверхностных слоях пирротина, пентландита и халькопирита сульфатов железа и/или меди Ме^ОД, а сфалерита-сульфата ZnSO4 и карбоната ZnCO3 цинка;

3) >104 импульсов (1,0 кДж) - новый этап интенсивного окисления сульфидов с образованием оксидов (гидроксидов) и сульфатов.

Технологические (флотационные) свойства. В [7] для мономинеральной флотации халькопирита и сфалерита установлен оптимальный режим предварительной электромагнитной импульсной обработки сульфидов (диапазон изменения времени воздействия МЭМИ от 5 до 30 с), при котором существенно (в среднем на 10-15 %) повышается флотируемость минералов (рис. 1, кривые 1 и 3) за счет изменения фазового состава поверхности, увеличения электродного потенциала и сорбционной активности минералов. С целью повышения селективности флотационного разделения халькопирита и сфалерита изучали влияние МЭМИ на флотационные свойства минералов в присутствии реагента-депрессора сфалерита (сульфата цинка ZnSO4) при рН = 9,5 (рис. 1, кривые 2, 4). Показано снижение флотируемости сфалерита в присутствии цинкового купороса в результате МЭМИ-обработки минерала. Максимальная депрессия сфалерита достигалась при кратковременном импульсном воздействии (10 с): выход минерала в пенный продукт снижался с 48 % (образец в исходном состоянии) до 25,7 % после обработки МЭМИ, т. е. более чем на 20 %. В тех же условиях флотации заметного влияния импульсной обработки на флотационную активность халькопирита не наблюдалось. Установленный эффект может быть объяснен на основе известной гипотезы о закреплении на поверхности частиц сфалерита гидрофильных тонкодисперсных осадков гидроокиси цинка Zn(OH)2. Обработка минеральных частиц наносекунд-ными МЭМИ вызывает образование дефектов на поверхности сульфидов [1-7], что, по всей видимости, приводит к дополнительному закреплению гидрофильных соединений в местах вновь образованных дефектов и микротрещин на поверхности сфалерита и обусловливает его депрессию. Таким образом, установлено, что предварительная обработка халькопирита и сфалерита наносекундными электромагнитными импульсами и введение при флотации цинкового купороса приводят к повышению селективности разделения сульфидных минералов (рис. 1): Де = 36 % без обработки МЭМИ, ~65 % - МЭМИ (10 с).

Выход, %

NxlO3, имп

Рис. 1. Влияние воздействия МЭМИ на флотационные свойства халькопирита

ЛИТЕРАТУРА

1. Чантурия В.А., Трубецкой КН., Викторов С.Д., Бунин И.Ж. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов. М.: ИПКОН РАН, 2006. 216 с.

2. Чантурия В.А., Гуляев Ю.В., Лунин В.Д., Бунин И.Ж. и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Докл. АН. 1999. Т. 366. № 5. C. 680-683.

3. Бунин И.Ж., Бунина Н.С., Вдовин В.А. и др. Экспериментальное исследование нетеплового воздействия мощных электромагнитных импульсов на упорное золотосодержащее сырье // Изв. АН. Сер. Физическая. 2001. Т. 65. № 12. С. 1788-1792.

4. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т. Механизмы дезинтеграции минеральных сред при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Изв. АН. Сер. Физическая. 2004. Т. 68. № 5. С. 629-631.

5. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т. Роль истечения газа из каналов наносекундного пробоя в процессе электроимпульсной дезинтеграции сульфидных минералов // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2010. Т. 74. № 5. С. 714-717.

6. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Ковалев А.Т., Копорулина Е.В. О процессах формирования микро- и нанофаз на поверхности сульфидных минералов при воздействии наносекундных электромагнитных импульсов // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2012. Т. 76. № 7. С. 846-850.

7. Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Рязанцева М.В., Хабарова И.А. Влияние наносекундных электромагнитных импульсов на фазовый состав поверхностных нанообразований, электрохимические, сорбционные и флотационные свойства халькопирита и сфалерита // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012. № 4. С. 155-164.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (грант МК-1968.2012.5) и ведущих научных школ РФ «Научная школа акад. В.А. Чантурия» НШ-220.2012.5, РФФИ (проект № 11-05-00434-а).

Поступила в редакцию 12 апреля 2013 г.

Bunin I.Zh., Ryazantseva M.V., Khabarova I.A. EFFECT OF HIGH-VOLTAGE NANOSECOND IMPULSES ON SULPHIDE MINERALS AND THEIR TECHNOLOGICAL PROPERTIES Effect of high-power nanosecond (10 ns) electromagnetic pulses on structural, chemical, and flotation properties of semiconductor sulphide minerals with a view to increase the separation selectivity of sulfides are examined.

Key words: high-power nanosecond pulses; sulphide minerals, electrical breakdown; surface modification; flotation.

1696