Разработка технологии кварцевого концентрата из природного высококремнеземистого сырья

Кремнезем (кварц) — один из самых распространенных минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Практически все семейство минералов кремнезема используется в промышленности, науке и технике. Области его применения определяется вещественным составом, структурой, физическими свойствами и обогатимостью сырья.

Кварцевое (кремнеземистое) сырье относится к стратегическим видам минерального сырья. По сферам использования в промышленности оно подразделяется на плавочное сырье, кварц для варки стекол, шихтовый для синтеза монокристаллов, кристаллосырье — горный хрусталь и морион.

Пьезокварц применяют в качестве стабилизатора частот электромагнитных колебаний, в аппаратуре многоканальной телефонной связи, в приборах для измерения давления, в качестве кварцевых резонаторов.

Наиболее дефицитным является плавочное сырье — высокочистые кварцевые концентраты (особо чистый кварц), которые используются для изготовления однокомпонентного кварцевого стекла. Такое стекло обладает уникальной комбинацией химических, механических, термических и оптических свойств, которые обусловили его широкий спектр применения в различных приборах и процессах, где ему практически нет замены. Плавленый кварц производится путем плавления кварцевой крупки или высокочистого кварцевого сырья электродуговым способом и плазменной плавкой. Одно из направлений плавленого кварца — светотехническая промышленность. Одно из важнейших его применений — волоконно-оптические телекоммуникации и производство волокна.

Основная часть кварцевого сырья используется для варки различных многокомпонентных стекол. Существует большое число сортов стекла, изготовляемых для различных целей. Варка стекла производится на основе кварцевого сырья, в котором доля примесей не превышает 2 — 3%.

Главным потребителем стекла в настоящее время является строительная индустрия, а примерно треть производимого стекла идет на изготовление тары.

Актуальность темы

В связи с увеличением потребности в высококачественном кварце, истощением запасов традиционных его месторождений актуальна задача его получения, оценки качества и перспектив использования в промышленности недефицитного высококремнеземистого (кварцевого) сырья. В результате станет возможным расширение сырьевой базы стекольной промышленности России за счет использования сырья, считавшегося ранее не пригодным.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является разработка технологических схем обогащения высококремнеземистого (кварцевого) сырья месторождений Первомайское, Миллеровское, Мало-Атлымское и Новосво-бодненское, а так же оценка использования полученных кварцевых концентратов в различных областях применения стекла. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— исследовать физические свойства кварцевого сырья из Первомайского, Мил-леровского, Мало-Атлымского и Новосвободненского месторождений;

— определить минералого-петрографический состав кварцевого сырья из Первомайского, Миллеровского, Мало-Атлымского и Новосвободненского месторождений методами микроскопии и минералогического анализа;

— разработать технологию получения высококачественного кварцевого концентрата из сырья Первомайского, Миллеровского, Мало-Атлымского и Новосвободненского месторождений;

— определить наличие собственных и примесных дефектов кварца, находящегося в концентратах, методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Предмет и объект исследования. В качестве объектов исследования было выбрано кварцевое сырье четырех перспективных месторождений России. Это Первомайское месторождение (Липецкая область) — Миллеровское месторождение (Ростовская область) — Мало-Алтымское месторождение (Ханты-Мансийский АО) — Новосвободненское месторождение (Республика Адыгея). Предметом исследования является вещественный состав кварцевого сырья выше указанных месторождений. Практическая значимость.

— разработанная технологическая схема может быть использована для обогащения кварцевого сырья других месторождений с генетическим типом, подобным исследованным;

— полученные кварцевые концентраты исследуемых месторождений пригодно для варки стекла, по своему качеству, не уступающему требованиям промышленности для стекольной тары и парфюмерно-косметической продукции;

— выявленные тонкие особенности кристаллической структуры кварца могут быть использованы для определения генетических условий минералообра-зования исследуемых месторождений, а также при типоморфном анализе;

— дефекты и примеси, обнаруженные в структуре кварца методом ЭПР могут быть использованы в геохимии и геохронологии.

Научная новизна полученных результатов.

1. Определены физические и минералого-технологические особенности кварцевого сырья данных месторождений, отличающиеся по присутствию в них минеральных примесей (глинистые минералы, зернистые, пленочные, газовые и жидкие включения) и гранулометрическому составу.

2. Разработаны технологические схемы получения кварцевого концентрата, отличающиеся в виду специфики исследуемых месторождений от принятой стандартной (промышленной) схемы отсутствием флотации и включением классификации (-0,8 +0,1 мм) и позволяющие получать кварцевый концентрат, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к продуктам для изготовления изделий высокой светопрозрачности и ответственных изделий высокой светопрозрачности, применяемых в электронной технике, стекловолокна для электротехники и др.

3. Методом ЭПР в кварцах, представляющих генетический тип исследуемых месторождений обнаружены и изучены парамагнитные центры Е/,.

02″, Ge /Li и Al-O-, два последних из которых определяют предел обогатимо-сти по структурным примесям Ge и А1.

4. Методом ЭПР изучены стекла сваренные на основе полученных кварцевых концентратов. Обнаруженные линии спектров ЭПР отнесены к парамагнитным центрам Fe3+, S1O2- и 0~ влияющих на светопропускание стекла. На защиту выносится:

— технологическая схема обогащения кварцевого сырья месторождений Первомайское, Миллеровское, Мало-Атлымское и Новосвободненское;

— выявленные минералого-технологические особенности кварцевого сырья перечисленных месторождений;

— данные о моделях парамагнитных центров в кварце, связанных с вакансиями кислорода — Е/, 02~ ион-радикал, а так же примесными ионами А1−0~~ и Ge3+/Li;

— результаты исследования газовых и жидких включений в кварцах;

— данные о моделях парамагнитных центров (Fe3+, S1O2 и О") в стеклах, сваренных из полученных кварцевых концентратов;

— влияние радиационного облучения на кварцевый концентрат и стекло. Личное участие автора. Автор проанализировал состояние проблемы на момент начала исследования, сформулировал его цель, осуществил выполнение экспериментальной работы, принял участие в разработке теоретических основ предмета исследования, обсуждении полученных результатов и представлении их к публикации.

Результаты диссертации опубликованы в 6 работах, из них 5 статей и 1 тезис.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблема освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, 2006 г.), на Международной конференции «Промышленные минералы и научно-технический прогресс» (Москва, 2007 г.), на Международной конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07» (Казань, 2007 г.), на Международной конференции «Стеклоконгресс — XXI» (Орел, 2007 г.), на Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные проблемы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых» (Москва, 2008 г.), на Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» * (Яльчик, 2008 г.), на Международной научно-практической конференции «Обеспечение минеральным сырьем стекольной промышленности России. Состояние и перспективы развития минерально-сырьевой базы. Вопросы обогащения и переработки сырья» (Калуга, 2008 г.).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав. Первая глава посвящена обзору литературных и научных исследований по структуре, свойствам кварца и примесям. Во второй главе рассмотрены постановка задачи исследования, методы исследования, их характеристики и привязка объектов исследования. Третья глава посвящена изучению минералого-технологических особенностей кварцевого сырья различными ме.

ВЫВОДЫ.

В результате проведенных исследований кварцевого сырья из Первомайского, Миллеровского, Мало-Атлымского и Новосвободненского месторождений можно сделать следующие выводы:

1. Установлен вещественный состав кварцевого сырья из Первомайского, Миллеровского, Мало-Атлымского и Новосвободненского месторождений. Оно содержит следующие минеральные примеси: глинистые минералы (от 1,0 до 4,1%), зернистые (песчаник, карбонат, кремень, кварцит, полевой шпат, гидрооксиды железа, слюда, глауконит, магнетит, турмалин, гранат, ильменит, ставролит и др.), пленочные (гидрооксиды железа и марганца), газовые и жидкие включения (СО, СО2, Н2О), содержание кварца составляет от 71 до 96% и он характеризуется присутствием в основном водяно-прозрачных зерен с очень редкими включениями рудных минералов.

2. Методом ЭПР при Т= 300 и 77 К установлены изоморфные формы ионов А1 и Ge в структуру кварца с замещением Si4+, позволяющие определить предел обогатимости сырья по данным элементамв качестве компенсатора Ge выступают ионы Li+ расположенные в каналах структуры кварцавыявлено в кварце наличие парамагнитных центров Е и 0~2 ион-радикала.- присутствующая в спектре ЭПР широкая интенсивная линия в области g = 2,0023 — 2,0036 связана с наличием в кварцевом сырье минералов содержащих Fe3± концентраты вышеуказанных месторождений кварцевого сырья характеризуются одинаковым набором центров, но с различной концентрацией, что позволяет использовать результаты ЭПР исследований для типоморнофного анализа и разработки технологических схем обогащения кварцевого сырья предназначенного для плавки прозрачного кварцевого стеклатонкие особенности кристаллической структуры кварцевых зерен позволяет определить генетические условия минералообразования кварцевого сырья данных месторождений.

3. Разработана технология с получением широкого набора кварцевых концентратов марок ПБ-150−1, Б-100−1, С-070−2, ВС-050−1, ВС-040−1, ВС-030-В и ОВС-025−1.

4. Показана возможность производства стеклянных изделий высокой светопрозрачности и ответственных изделий высокой светопрозрачности из полученных кварцевых концетратов.

5. Методом ЭПР изучены стекла сваренные на основе полученных кварцевых концентратов. При Т=300 К в спектрах ЭПР стекол проявляется.

3*4* лишь линия обязанная примесному Fe в составе шихты с g = 4,3 и замещающего в стекле позицию Si4± тетраэдрахнаблюдаемые в кварце парамагнитные центры Б7! и О'2 в стеклах при данной температуре обнаружены не былиоблучение стекол рентгеновскими лучами при Т=300 К позволило обнаружить спектр ЭПР обязанный наложению линий от двух ион-радикалов SiO" и СТ.

Ill.