СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КВАРЦЕВОГО СЫРЬЯ

Изобретение относится к исследованию минерального сырья, в частности, к способам предварительной оценки кварцевого сырья.

Особо чистый кварц является кварцевым сырьем, пригодным для получения различными технологиями обогащения высококачественных концентратов, отвечающих современным требованиям к чистоте, предъявляемым отечественной промышленностью и соответствующим мировому уровню. Рост потребления особо чистого кварца обусловлен развитием высоких технологий в электронной, химической, космической и других отраслях промышленности. Направления использования кварца определяются формой вхождения различных примесей в кварц. Современные технологии позволяют практически полностью удалять пленочные, минеральные и ГЖВ примеси. Однако получение высокочистых кварцевых концентратов в значительной степени определяется возможностью обеспечить удаление структурных примесей - Al, Ti, Ge и др. в процессе обогащения кварцевого сырья. Структурные элементы-примеси в кристаллической решетке, как правило, образуются в процессе кристаллизации кварца за счет изоморфизма - замещения атомов решетки кварца на атомы примесей, и способами традиционных технологий обогащения удаляются в очень незначительной степени. При этом структурные элементы-примеси и структурные дефекты определяют оптические свойства, растворимость, параметры полиморфного превращения и другие физико-химические свойства кварцевого сырья, которые, в конечном итоге, обуславливают его технологичность и направления использования кварца. Обогащение кварца структурными примесями может произойти и в процессе технологического передела кварцевого сырья. В известной мере, это явление носит неизбежный характер, так как в кварце в значительных количествах присутствуют рассеянные (или подвижные) примеси (Раков Л.Т. Рассеянные примеси в кварце // "Структура и разнообразие минерального мира". Материалы Международного минералогического семинара. Сыктывкар. 2008. С.265-266). Они представляют собой атомы различных элементов, захваченные дефектами кристаллической структуры. В процессах обогащения кварца эти примеси диффундируют в дефектных областях кварца. Результатом такой диффузии становится взаимодействие подвижных примесей с другими структурными дефектами. Так, высокотемпературная обработка, широко используемая в процессах очистки кварца, способствует внедрению подвижных элементов-примесей в кристаллическую решетку и делает их недоступными для извлечения (Раков Л.Т. Механизмы изоморфизма в кварце // Геохимия. 2006. №10. С.1085-1096). Из общего количества внедренных при термообработке примесей основная доля (свыше 95%) приходится на алюминий. Поэтому оценка кварцевого сырья на стадии геологического изучения на пригодность получения кварцевых концентратов с минимально возможным содержанием структурных примесей является актуальной.

Из анализа уровня техники известны различные способы предварительной оценки качества природного кварцевого сырья.

Известен способ оценки качества кварцевого сырья, в котором осуществляют отбор монофракций кварца, прокаливают до температуры 350-450°C, снимают спектр рентгенолюминесценции прокаленного кварца в спектральном диапазоне длин волн 350-550 нм и по отношению интенсивности высвечивания при длине волны 360-380 нм к интенсивности рентгенолюминесценции структурнопримесных центров в спектральном диапазоне 420-500 нм оценивают дефектность структуры и качество кварцевого сырья (патент РФ №2400736, 2010 г).

Недостатком известного способа является то, что рентгенолюминесценция относится к качественным методам и не позволяет с достаточной точностью оценивать количественное содержание структурных примесных элементов. Кроме того, способ не позволяет оценивать кварцевое сырье с низкой концентрацией примесных атомов (0,n-0,0000n% - микроизоморфизм).

Известен способ поиска месторождений особо чистого кварца, заключающийся в том, что проводят отбор мономинеральных образцов кварца по разведочной сети, измеряют в отобранных образцах спектральным количественным методом концентрации примеси лития и при их значении менее 0,5 г/т судят о наличии месторождения особо чистого кварца (патент РФ №2145105, 2000 г.).

Недостатком известного способа является использование для оценки малочувствительного спектрального анализа, результаты которого требуют подтверждения данными определения содержания в тех же образцах структурного алюминия, что усложняет процесс оценки качества кварца. Кроме того, определенная спектральным анализом концентрация Li не отражает реальной картины качества кварца, так как Li может входить в состав микроминеральных включений, а не в структуру кварца, что снижает точность оценки качества кварцевого сырья. Способ опробован только применительно к пегматитовому кварцу, используемому для получения термостойкого и технического стекла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ оценки качества кварцевого сырья, основанный на использовании электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), позволяющего измерять содержания структурных примесей в кварце. Согласно известному способу мономинеральную тонкоизмельченную пробу кварца подвергают термической обработке, облучают γ-квантами, дозами, переводящими изоморфный титан и германий в парамагнитное состояние, регистрируют спектр ЭПР и определяют концентрации Ge и Ti-центров. Затем пробу подвергают специальной высокотемпературной обработке (термический отжиг), облучают γ-квантами, регистрируют спектр ЭПР и определяют концентрации Al-O^--центров в кварце. Содержание указанных структурных примесей в кварце определяют на основе максимальных концентраций парамагнитных центров, что позволяет оценивать степень загрязненности кварца изоморфными примесями Ge, Ti и Al и выявлять наиболее чистые виды кварцевого сырья для использования в электронной технике (Раков Л.Т. и др. «Новый метод оценки качества кварцевого сырья. Разведка и охрана недр», 1993, №7, с.36-38).

Недостатком известного способа является то, что он позволяет определять только общее количество изоморфных структурных примесей Al, Ti и Ge, без учета подвижных форм, находящихся во внутренних слоях демпферных зон, и не позволяет дифференцировать примеси на собственно изоморфные и подвижные, что приводит к многократному завышению порога обогатимости и снижению точности оценки качества кварцевого сырья. Кроме того, определение содержания трех изоморфных структурных примесей (Al, Ti и Ge) усложняет процесс оценки и увеличивает его длительность. Проведение специального высокотемпературного отжига делает процесс энергозатратным.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка технологичного и эффективного способа оценки качества кварцевого сырья, позволяющего достоверно на предварительной стадии оценки прогнозировать качество кварцевого сырья и направления его использования.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности и экспрессности, а также упрощение процесса оценки качества кварцевого сырья.

Это достигается тем, что в способе оценки кварцевого сырья, включающем отбор мономинеральной пробы кварца, измельчение, термическую обработку, облучение γ-квантами, регистрацию спектра ЭПР и определение содержания структурных Al-O^--центров в кварце, согласно изобретению, пробу кварца делят на три образца, каждый образец подвергают облучению γ-квантами дозой 10±1×10 Гр, при этом в первом образце после облучения определяют содержание изоморфных структурных примесей Al-O^--центров, второй образец перед облучением подвергают термической обработке при температуре 590-650°C в течение 20-30 мин и определяют полное содержание структурных Al-O^--центров, третий образец перед облучением активируют СВЧ полями мощностью 700-800 Вт в течение 3-5 мин, подвергают температурной обработке при 590-650°C в течение 20-30 мин и определяют содержание подвижных структурных Al-O^--центров, затем определяют показатель обогатимости кварца в мономинеральной пробе по соотношению Р=(C₂-C₃)/(C₂-C₁), где: P - показатель обогатимости кварца, C₁ - содержание изоморфных структурных Al-O^--центров в кварце, С₂ - полное содержание структурных Al-O^--центров в кварце, C₃ - содержание подвижных структурных Al-O^--центров, и при значении показателя обогатимости 0,5-1 судят о высоком качестве кварцевого сырья.

Предлагаемый режим радиационного облучения γ-квантами дозой 10±1×10⁶ Гр дает возможность получить в кварце концентрацию парамагнитных Al-O^--центров, достаточную для надежной регистрации ее методом ЭПР. Режим термообработки кварца при температурах не менее 590-650°C обеспечивает активацию подвижных примесей и внедрение значительной их части в кристаллическую структуру кварца. Измеряемые концентрации Al-O^--центров в образцах кварца отвечают различным состояниям подвижных примесей в кварце. Концентрация Al-O^- -центров в первом образце соответствует нахождению подвижных примесей в потенциальных демпферных зонах, поэтому величина C₁ отвечает исходному содержанию изоморфного Al, накопленному в кварце в природных условиях. Концентрация Al-O^--центров С₂ во втором образце соответствует переходу подвижных примесей в активное состояние и внедрению их в кристаллическую структуру кварца. Концентрация Al-O^--центров C₃, измеряемая в третьем образце, отражает влияние СВЧ-поля на процесс внедрения подвижной примеси Al в кристаллическую структуру кварца. Предлагаемый режим обработки кварцевого сырья, включающий активацию кварца СВЧ полями при низких уровнях микроволновой мощности (700-800 Вт) в течение короткого промежутка времени (3-5 мин), ускоряет диффузию подвижных структурных примесей из внутренних слоев демпферных зон к периферийным, что позволяет дифференцировать структурную примесь алюминия на изоморфную, полную и подвижную формы и определять их количество. Процесс проходит без контакта с металлическими или диэлектрическими элементами устройства, что исключает вторичное засорение кварца примесями. Показатель обогатимости кварца в мономинеральной пробе, определяемый по соотношению (C₂-C₃)/(C₂-C₁), показывает, какая часть активированных подвижных примесей нейтрализуется воздействием энергетического поля и не внедряется в кристаллическую структуру кварца.

При этом в конечном итоге обеспечивается повышение точности оценки качества кварцевого сырья и достоверность предварительной оценки кварца. Экспрессность и упрощение процесса оценки достигается за счет сокращения круга определяемых элементов-примесей в кварце. Экономичность способа обеспечивается исключением из технологического процесса высокотемпературного отжига.

Опробование предлагаемого способа осуществляли на пробах природного кварца из месторождений и проявлений Карелии: Фенькина-Лампи, Восточная Хизоваара, Рухнавлок. Мономинеральную пробу кварца, отобранную на конкретном объекте, массой 200 г измельчают до крупности 0,5 мм, усредняют и отквартовывают 3 образца весом по 2 грамма. Каждый образец подвергают облучению γ-квантами дозой 10±1×10⁶ Гр, после этого регистрируют спектр ЭПР Al-O^--центров, измеряют концентрации парамагнитных Al-O^- центров и на основе их максимальных концентраций определяют содержание структурных Al-O^--центров. Первый образец облучают указанной дозой γ-квантов и определяют содержание изоморфных структурных Al-O^--центров. Второй образец перед облучением γ-квантами подвергают температурной обработке до 590-650°C в течение 20-30 мин и методом ЭПР определяют полное содержание структурных Al-O^--центров в кварце. Третий образец перед облучением γ-квантами активируют СВЧ полями мощностью 700-800 Вт в течение 3-5 мин, подвергают температурной обработке при 590-650°C в течение 20-30 мин и методом ЭПР определяют содержание подвижных структурных Al-O^- центров. Показатель степени обогатимости P определяют по соотношению:

Р=(С₂-C₃)/(С₂-C₁),где:

C₁ - содержание изоморфных структурных Al-O^--центров;

C₂ - полное содержание структурных Al-O^--центров

C₃ - содержание подвижных структурных Al-O^--центров, и при значении показателя степени обогатимости 0,5-1,0 судят о высоком качестве кварцевого сырья.

В качестве эталона сравнения использован контроль - определение содержания структурных Al-O^--центров в природном кварце без активации образцов СВЧ полями. Каждый пример проводили в 10 повторностях. Статистически обработанные данные по содержанию структурных форм алюминия и показатели степени обогатимости Р для кварца разных объектов представлены в таблице.

Из таблицы следует, что высоким качеством кварцевого сырья обладает кварц из месторождения Восточная Хизоваара, имеющий показатель степени обогатимости P=1,0, при котором подвижная форма примеси алюминия полностью «нейтрализована» и в процессе дальнейшей очистки кварцевого сырья не войдет в кристаллическую решетку кварца и может быть удалена традиционными технологиями обогащения.

Кварц месторождения Фенькина-Лампи характеризуется показателем степени обогатимости P=0,53, при котором подвижная форма примеси алюминия нейтрализована частично.

Кварц проявления Рухнаволок с показателем степени обогатимости P=0,4 не является источником высокочистого кварцевого сырья.

Предлагаемый способ оценки качества кварцевого сырья повышает эффективность и достоверность предварительной оценки обогатимости кварцевого сырья и может быть использован для выявления наиболее чистых видов кварцевого сырья для применения в электронной технике, оптике, светотехнике, солнечной энергетике и других отраслях промышленности, где предъявляются высокие требования к чистоте кварцевых концентратов.