Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время развитие химии и физики твердого тела находится в такой стадии, когда возможно и необходимо ставить и решать вопрос о сознательном управлении свойствами вещества методами радиационного воздействия, открывающего в этом отношении богатые возможности.
При воздействии ионизирующих излучений в веществе создаются уникальные неравновесные состояния. Исследование этих неравновесных или открытых систем, изучение их эволюции относится ведущими мировыми научными центрами к первым приоритетам фундаментальных исследований.
Заполнение обширных белых пятен в наших знаниях между элементарными актами образования дефектов, их взаимодействия в твердых телах под воздействием радиации и влиянием этих процессов на макросвойства вещества являются одной из важных задач радиационной физики и химии.
Несмотря на существование обширнейшего экспериментального материала в области радиационнохимических процессов в неорганических солях и наличие нескольких фундаментальных обзорных работ, утверждать, что установлены закономерности радиационнохимических превращений в неорганических соединениях, позволяющие прогнозировать поведение сульфидов цветных металлов при воздействии ионизирующих излучений, в частности, гамма-и электронного излучений, не представляется возможным.
В этой связи являются актуальными исследования, посвященные изучению радиационностимулированных физико-химических превращений в сульфидах ряда цветных металлов, установлению взаимосвязи между параметрами радиационного воздействия и изменениями параметров физико-химических процессов, протекающих с участием облученных сульфидов.
В то же время, использование радиационностимулированных физико-химических процессов в сульфидах представляет большой интерес для разработки научных основ эффективных экологически чистых, нетрадиционных технологий переработки минерального сырья.
Достижения физики ускорения заряженных частиц в последние годы позволили разработать и организовать выпуск промышленных ускорителей элек-
тронов, по мощности излучений в сотни раз превышающих источники на основе распада радиоактивных изотопов. На базе таких промышленных ускорителей электронов, стало перспективным создание и развитие крупнотоннажных электронно-лучевых технологий, так как они обладают рядом преимуществ в сравнении с традиционными: высоким КПД использования энергии (КПД преобразования потребляемой электрической энергии в энергию пучка ускоренных электронов для современных промышленных ускорителей составляет ~ 80%, а КПД использования энергии пучка ускоренных электронов при облучении твердых веществ может достигать 90% и выше); большими скоростями радиа-ционнохимических процессов; возможностью автоматизации производств; экологической чистотой и другими.
С учетом критериев новизны, практической важности и приоритетов промышленного развития Республики Казахстан, тема "Радиационно-стимулированные физико-химические превращения в сульфидах ряда цветных металлов", ранее выполнявшаяся по Программе ГКНТ СССР, в 1994 году была включена в программу научных исследований Национального Центра по комплексной переработке минерального сырья РК. В настоящее время, согласно Постановлению № 22 от 24.04.97 г. Коллегии МН-АН РК, данные исследования проводятся по программе НЦ КПМС МН-АН РК "Строение, свойства и закономерности физико-химических превращений неорганических веществ при комплексной переработке металлсодержащего минерального сырья".
По результатам проведенных исследований было принято Постановление Кабинета Министров РК от 19.03.92 г. № 264 "О расширении использования радиационных технологий в процессах переработки минерального сырья", а также Распоряжением № 8-1-Р Зам. Премьер-министра РК от 15.11.94 г. тема "Разработка новейших технологий переработки минерального сырья с применением направленного радиационного воздействия" (исполнитель - КазГУ имени аль-Фараби) была включена в Программу первоочередных работ АО "Технопарк-Степногорск", созданного для разработки и внедрения новых технологий " под ключ".
Основной целью работы является исследование физико-химических [роцессов в сильно неравновесных системах, в частности, в облученных суль-)идах цветных металлов, разработка научных основ и технологических принтов использования гамма- и электронного излучения для повышения эффек-ивносги переработки минерального сырья.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались ледующие задачи:
-
Разработка методической и инструментальной базы для изучения радиационного стимулирования технологических процессов.
-
Исследование влияния гамма- и электронного излучения на структуру и свойства сульфидов цветных металлов.
-
Изучение механизмов физико-химических процессов, протекающих при переработке предварительно облученного минерального сырья.
-
Изучение взаимосвязи между параметрами технологических процессов переработки минерального сырья и параметрами ионизирующего излучения, и, на основании полученных данных, определение оптимальных режимов радиационного воздействия, при которых возможно получение максимального выхода необходимых продуктов.
-
Определение экологической и технологической целесообразности применения радиационного стимулирования процессов переработки минерального сырья.
Научная новизна работы:
. Экспериментально изучены физико-химические превращения, происходящие в сульфидах цветных металлов под воздействием гамма-излучения и ускоренных электронов с энергиями ~ 1 МэВ в широком интервале доз и мощности доз. На основании полученных данных, нами предложен ряд радиационной чувствигельности для такого класса неорганических соединений, как сульфиды цветных металлов [27,31].
. Экспериментально обоснованы, с учетом экономической целесообразности, параметры источников ионизирующего излучения, позволяющие обеспечить экологическую безопасность (т.е. отсутствие наведенной радиоактивности,
6 образования химически токсичных продуктов в облученных пробах и т.д.)
практического применения новых наукоемких технологий [27,29].
3. Впервые установлены закономерности изменения физико-механических
свойств природных сульфидных минералов (твердость, хрупкость, жест
кость, пластичность) в зависимости от параметров радиационной обработки,
на основании которых определены оптимальные условия воздействия иони
зирующих излучений на процессы измельчения сульфидных руд. Обнаруже
ны повышение селективности разрушения облученных минералов, увеличе
ние контрастности физико-механических свойств [ 13-15,18,22].
4. Определены оптимальные режимы флотации радиационно обработанных
руд различного типа: полиметаллических, золото- и медьсодержащих, при
которых получены значительные приросты извлечения металлов (А.с.
№1488011. СССР. Опубл. 27.05.87.).
5. Разработаны методики и новые установки для проведения высокотемпера
турных процессов термического разложения и возгонки сульфидов цветных
металлов, как для условий предварительного облучения, так и осуществле
ния данных процессов в поле излучения (А.с.№ 607114. СССР. Опубл.
10.11.91.).
-
Установлены закономерности протекания радиационностимулированных процессов термического разложения и возгонки сульфидов цветных металлов в зависимости от типа соединений (соединения типа AnBVI, AIVBVI, дисульфиды вольфрама, молибдена, рения) и механизма их испарения. Предложен механизм радиационного стимулирования термического разложения сульфидов [7-10,28].
-
Дана оценка степени чувствительности гетерогенных металлургических систем к воздействию ионизирующего излучения, на основании которой предложены схемы технологического воплощения электронно-лучевого способа интенсификации процессов комплексной переработки определенного вида минерального сырья.
Практическая ценность работы состоит в применении новых наукоемких технологий для интенсификации процессов и производств металлургиче-
ской отрасли, основанных на применении ионизирующих излучений в качестве положительного технологического фактора; предложен экономически обоснованный и экологически чистый способ направленной модификации технологических свойств сульфидов цветных металлов, который, в принципе, может быть использован в других процессах с их участием; получены новые данные по воздействию ионизирующих излучений на гетерогенные системы, позволяющие расширить области применения промышленных ускорителей электронов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Основные закономерности радиационностимулированных физико-химических превращений в сульфидах цветных металлов, результаты комплексных исследований структурных изменений в сульфидах, экспериментальное подтверждение их радиолиза, ряд радиационной чувствительности сульфидов.
-
Механизм радиационного стимулирования процессов зарождения и образования новой фазы в сульфидах; особенности образования новой фазы в кристаллах ионного типа, этапы ее формирования; принцип сравнительного анализа процесса зарождения новой фазы, самопроизвольного и стимулированного повышенной температурой или воздействием ионизирующего излучения.
-
Методы и экспериментальные установки изучения высокотемпературных радиационнотермических процессов; экспериментальные результаты, подтверждающие неаддитивность одновременного и последовательного воздействия температуры и облучения; снижение энергии активации процессов термического разложения и возгонки облученных сульфидов; интерпретация преимуществ высокотемпературных радиационно-термических процессов в неорганических соединениях по сравнению с традиционными термическими.
-
Результаты кинетических и термодинамических исследований влияния предварительной радиационной обработки на термическое разложение и возгонку сульфидов цветных металлов; обобщенный механизм радиацион-
ного стимулирования названных процессов.
-
Радиационностимулированный способ повышения селективности дезинтеграции руд и понижения энергозатрат на измельчение; закономерности изменения твердости, модуля упругости, хрупкости, пластичности, жесткой составляющей твердости природных сульфидных минералов в зависимости от дозы облучения.
-
Теоретическое обоснование условий радиационного стимулирования флотации руд различного типа в диапазоне поглощенных доз, оптимальных как для получения максимального прироста извлечения ценных компонентов, так и для технологического воплощения предфлотационного облучения.
-
Технологические схемы практического использования радиационностиму-лированных процессов при переработке конкретных видов минерального сырья.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Международных конференциях (Международной конференции по прикладным исследованиям мессбауэровской спектроскопии в Будапеште в сентябре 1989 г., на IX и X Международных конференциях по радиационным процессам в Турции (Стамбул) в 1994 году и в США (Аннергейм) в 1997 г., соответственно, на Всесоюзных конференциях и совещаниях по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле; по химической кинетике; по теоретической и прикладной химии (1984, 1986 гг.); на Всесоюзных совещаниях "Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы" (1982, 1984, 1986 гг.); на Всесоюзном семинаре "Энергетическое воздействие в процессах переработки минерального сырья" (1986 г.); на Плаксин-ских чтениях (1987 г.); на Международной конференции "Ядерная и радиационная физика (1997 г.). Технологические аспекты исследований были представлены на Международных выставках: "Цветмет-92" в г.Алматы и в США, штат Калифорния: "Казахстан-95: от взаимопонимания к сотрудничеству" в 1995 году, на Научно-практической конференции "Комплексное использование минеральных ресурсов Казахстана", Алматы, 1997 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 36 на-
учных статьях и тезисах, 2 монографиях и 2 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов. Содержит 308 страниц машинописного текста, 41 таблицу, 58 рисунков. Список цитируемой литературы включает 154 наименования.
