Введение к работе
Актуальность. Процессы сорбции имеют важное научное и практическое значение. Частным случаем таких процессов является сорбция на поверхности тонкодисперсных минеральных фаз - весьма распространенных природных и искусственных сорбентов. Однако в этой области еще много неясного. Главная трудность в построении теории поверхности минералов заключается в асимметрии координационной сферы поверхностных атомов и их взаимодействии с атомами окружающей среды, а также в значительной разупорядо-ченности поверхностной фазы. На поверхности реализуется взаимосвязь процессов на электронном, атомарном и молекулярном уровнях. Доступность поверхности минералов к различного рода внешним воздействиям открывает широкие научные и технические возможности использования поверхностных явлений, поэтому представляется актуальным исследование кристаллохимических и крис-таллофизических процессов в приповерхностной области различных минеральных систем.
Концентрация атомов в поверхностных фазах всегда существенно меньше, чем в объеме исследуемого образца, что требует резкого повышения чувствительности методов анализа (как структурного, так и элементного). С уменьшением размеров частиц в минеральных системах увеличивается удельная поверхность, а вместе с ней- величина поверхностного эффекта, он становится более доступным для исследования. В этом плане перспективными объектами являются тонкодисперсные минеральные системы.
Поскольку среди природных сорбентов преобладают оксидные минералы, изучение адсорбционных процессов на их поверхности является особо актуальным. Исследование состояния и структуры поверхности оксидных минералов является важной составной частью настоящей работы.
В современных технологиях обогащения наблюдается тенденция вовлечения минералов мелких и тонких классов в технологические схемы, поэтому изучение физико-химических и технологических свойств поверхности микро- и нанодисперсного минераль-
ного вещества и возможностей их модифицирования имеет решающее значение для развития теоретической и экспериментальной базы нанотехнологий.
Дели и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы являлось выяснение механизма кристаллохимичес-ких и кристаллофизических процессов в приповерхностной области тонкодисперсных минеральных систем, избирательной способности поверхностных центров взаимодействовать с молекулами газовой фазы и новых свойств тонкодисперсного минерального вещества. Это открывает возможность технологических разработок адсорбофизических методов сепарации тонкодисперсного минерального сырья.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
-
Установление связи между кристаллохимическими и крис-таллофизическими процессами в приповерхностной области тонкодисперсных минеральных систем с помощью тестовых реакций, протекающих с участием поверхностных центров.
-
Выявление общих закономерностей, активизации и блокировки поверхностных центров тонкодисперсных минеральных систем и возможностей их идентификации.
-
Определение роли сорбированного кислорода в создании и активации поверхностных центров тонкодисперсных минеральных систем путем изучения его фотоактивированных форм.
-
Исследование структуры гидроксильного покрова тонкодисперсных минеральных систем и его роли в формировании крис-таллохимических и кристаллофизических свойств.
-
Определение влияния адсорбофизических полей на физические характеристики тонкодисперсных минеральных систем.
-
Разработка основных принципов адсорбофизических методов сепарации тонкодисперсных руд.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института геологии Коми НЦ УрО РАН по темам: "Минерально-сырьевые ресурсы Европейского севера-востока"; "Минералого-технологический анализ основных видов минерального сырья Республики Коми с целью выра-
ботки рациональных и комплексных технологий обогащения"
Методы исследования и Фактический материал. Материалом, используемым в работе, явились как природные минералы, так и синтетические аналоги минералов. Для получения надлежащей воспроизводимости результатов были выбраны синтетические тон-кодисперсные оксидные минералы, которые по структуре аналогичны природным соединениям. Они стали модельными объектами, для которых разработаны надежные и относительно легко доступные способы очистки поверхности, при которых исследуемый образец остается соединением этого же класса с воспроизводимым исходным стехиометрическим составом.
Было выбрано два основных направления экспериментальных исследований:
1) Исследование поверхности тонкодисперсных минеральных
систем тестовыми реакциями в случае "чистых" и регенерируе
мых поверхностей образцов, контролируемого состава газовой фазы
и высокого, стабильного вакуума манометрическими и масс-спек-
трометрическими методами.
Дополнительные сведения о поверхностных центрах исследуемых тестовых реакций и механизме миграции энергии в процессе этих реакций дают спектры фотоиндуцированной адсорболю-минесценции, полученных с помощью универсального вычислительного спектрального комплекса типа КСВУ-12.
2) Исследование поверхности тонкодисперсных минеральных
систем на образцах с "реальной" поверхностью. При получении
изображения поверхности исследованных образцов использовал
ся сканирующий микроскоп JSM-6400 (Jeol). При исследовании
адсорбофизических свойств тонкодисперсных минеральных сис
тем использовалась разработанная в лаборатории технологии ми
нерального сырья Института геологии Коми НЦ УрО РАН уста
новка адсорбоэлектростатического сепаратора.
Магнитные свойства образцов исследовались с помощью магнитного сепаратора СИМ-1 и прибора KLY-2. Научная новизна работы.
1. Впервые установлена возможность активации (модификации)
поверхности тонкодисперсных минеральных систем за счет взаимодействия поверхностных центров с молекулами газовой фазы в физических полях.
-
Установлено, что фотостимулированное дефектообразование способно реконструировать поверхность тонкодисперсных минеральных систем, при этом кислород газовой фазы становится кон-курентноспособным по отношению к подвижным ионам кислорода решетки при захвате энергетически выгодных положений.
-
Впервые для тонкодисперсных минеральных систем установлены механизм и природа поверхностного нескомпенсированно-го заряда Qs. Выявлены минералы (золото, платина и алмазы), для которых Qs=0.
-
Показано влияние адсорбофизических полей на физико-химические параметры тонкодисперсных минеральных систем, которое обусловлено связью адсорбированной фазы и объема на электронном, атомарном и молекулярном уровнях.
-
Выявлены новые свойства минералов при модификации поверхности в процессе нарушения адсорбционно-десорбционного равновесия: адсорбоэлектрические, адсорбомагнитные, адсорбо-оптические, в том числе адсорболюминесцентные.
-
Впервые в результате изучения поверхностных реакций взаимодействия молекул газовой фазы с тонкодисперсными минеральными системами обоснованы основные принципы и предложены адсорбофизические методы сепарации тонкодисперсного минерального сырья.
Практическое значение работы.
-
На основе результатов проведенных исследований приповерхностной области тонкодисперсных минеральных систем, ее активных центров и процессов дефектообразования предложен новый способ модификации (активации) поверхности, по адсорбо-физическим свойствам выделены минералы (золото, алмазы, платина), для которых перспективна разработка адсорбофизических методов сеперации.
-
Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в различных областях минералогии, в том числе технологической,
при моделировании процессов, протекающих в системе газ-минерал, при разработке фотокаталитического получения этилена из метана и создании новых конструкционных материалов.
-
Явление фотоиндуцированной адсорболюминесценции, обнаруженной на тонкодисперсных кристаллах Ga203 и исследованной на ряде других объектов, дает информацию о переносе энергии в процессе взаимодействия молекул газовой фазы с тонкодисперсными минеральными системами.
-
Обоснованы принципы и предложены адсорбофизические методы сепарации тонкодисперсного минерального сырья. Для ад-сорбоэлектростатического метода создана и опробована установка лабораторного типа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Международной конференции "Теплообмен в технологических процессах" (Рига, 1991); 29-м и 30-м Международных геологических конгрессах (Япония, Киото, 1992; Китай, Пекин, 1996); Первой международной конференции "Современная минералогия и минералогические процессы" (Китай, Пекин, 1992); Межгосударственном минералогическом семинаре "Минералы и минеральные ассоциации" (Сыктывкар, 1993); 16-м и 17-м Съездах Международной минералогической ассоциации (Италия, Пиза, 1994; Канада, Торонто, 1998); Международном семинаре "Минералогия и жизнь: биоминеральные взаимодействия" (Сыктывкар, 1996); 5-м Интернациональном конгрессе по прикладной минералогии (Польша, Варшава, 1996); 9-м и 10-м съездах Европейского союза геонаук (Франция, Страсбург, 1997; 1999); 18-м кристаллографическом съезде (Чехия, Прага, 1998); II Международном минералогическом семинаре (Сыктывкар, 1999); Международном совещании "Научные основы, методы и технологии разделения минеральных компонентов при обогащении техногенного сырья" (Плаксинские чтения) (Иркутск, 1999); VHJ и ГХ съездах Всероссийского минералогического общества при РАН (Санкт-Петербург, 1992; 1999); I Уральском кристаллографическом совещании (Сыктывкар, 1990); Всесоюзном совещании "Минералогия кварца" (Сыктывкар, 1990); Всесоюзном совещании "Теория минера-
логии" (Сыктывкар, 1991); Всероссийской конференции "Геология и минерально-сырьевые ресурсы европейского северо-востока России" (Сыктывкар, 1994); Совещании "Благородные металлы и алмазы севера европейской части России" (Петрозаводск, 1995); Всероссийской конференции "Золото, платины и алмазы Республики Коми и сопредельных территорий" (Сыктывкар, 1998); совещании "Минералогия Урала" (Миасс, 1998); Национальной крис-таллохимической конференции (Черноголовка, 1998); совещании "Теоретическая, минералогическая и техническая кристаллография" (Сыктывкар, 1998); совещании "Геология и минеральные ресурсы Европейского Северо-Востока России" (Сыкгьшкар, 1999); Коми республиканском совещании "Проблемы комплексного освоения Ярегского нефтетитанового месторождения" (Сыктывкар, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе две монографии, два отдельных издания, получен патент на изобретение способа извлечения золота.
Все научные выводы диссертации сформулированы автором самостоятельно.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и содержит 294 страницы, включая 8 таблиц, 72 рисунка и фотографий. Список литературы включает 180 наименований.
Благодарности. Выражаю искреннюю признательность соавторам по ряду работ за плодотворное сотрудничество: Б.А.Оста-щенко, И.Н.Бурцеву, Л.Л. Ширяевой, Л. Л.Басову, В.К.Рябчуку.
Благодарю А.М.Асхабова, Б.А.Остащенко, Ю.А.Ткачева, Л.Э.Юдовича, С.К.Кузнецова, А.Б.Макеева, П.П.Юхтанова, оказавшим ценную консультативную помощь в работе, а также И.Н.-Осипову, Р.А.Шуктомова, А.Ю.Перетягина и других сотрудников Института геологии Коми НЦ УрО РАН за помощь при проведении исследований и подготовке рукописи.
Считаю приятным долгом выразить признательность академику Н.П.Юшкину за многолетнее, внимательное и доброжелательное отношение к работе и помощь на всех этапах исследований.
