Optimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics of diamonds in X-ray luminescence separation

Важным ресурсом повышения эффективности алмазоизвлекающих предприятий является снижение т.н. методических потерь алмазов, связанных с принципиальными и существенными отклонениями параметров сырья от настроек применяемого оборудования. Для рентгенолюминесцентной сепарации причинами методических потерь алмазов являются особенности их состава и строения, влияющие на отсутствие или, напротив, чрезмерную концентрацию дефектов кристаллической решетки или примесей, вызывающих характерное свечение в рентгеновских лучах [1, 2].

Перспективным направлением повышения эффективности рентгенолюминесцентной сепарации алмазов является разработка технологий модифици- https://mst.misis.ru/

2023;8(4):313–326

Chanturiya V. A. et al. Optimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics...

рования их спектральных характеристик с применением люминофорсодержащих реагентов-модификаторов [3, 4]. Разработанная технология направлена на извлечение слабо и аномально люминесцирующих кристаллов, спектральные характеристики которых характеризуются малой интенсивностью рентгено-люминесценции или существенно отличаются от характеристик основной массы алмазов.

Основу реагентов-модификаторов составляют люминофорсодержащие композиции, содержащие неорганические и органические люминофоры, характеристики которых обеспечивают необходимое изменение кинетических параметров сигнала рентгено-люминесценции алмаза [5].

Основным требованием при выборе люминофоров для реализации разработанной технологии является возможность придания алмазам параметров сигнала рентгенолюминесценции, приближающихся к характеристикам природных кристаллов и соответствующих разрешенным диапазонам настроек детекторов в рентгенолюминесцентных сепараторах.

Важным условием повышения эффективности разработанной технологии [3–5] является обеспечение селективного режима закрепления реагентов-модификаторов на кристаллах алмазов, заключающегося в поддержании достаточного уровня закрепления люминофоров на алмазах при минимальном их закреплении на поверхности кимберлита. Реализация поставленного условия, выбранного в качестве основного подхода к решению поставленных задач, достигается экспериментально обоснованным выбором компонентов органических коллекторов, входящих в состав композиции реагентов-модификаторов и характеризующихся способностью как селективно закрепляться на поверхности алмазов, так и удерживать в своем объёме зерна неорганических люминофоров. Для определения селективности закрепления люминофоров на поверхности алмазов и кимберлита была разработана методика визиометрического анализа [4].

Необходимая устойчивость агрегатов алмаз – коллектор – люминофор достигается применением гидрофобизирующей обработки неорганических люминофоров, а также выбором состава используемых в качестве коллекторов органических жидкостей [6]. Оценка адгезионной способности коллектора по отношению к поверхности алмаза, определяющей способность алмазов удерживать на своей поверхности люминофорсодержащую композицию, достигается с применением методики измерения величины трехфазного краевого угла смачивания в системе минерал – капля коллектора – водная среда [7].

Конечной целью исследований был выбор параметров реагентов-модификаторов и режимов их применения, обеспечивающих необходимую селективность процесса рентгенолюминесцентной сепарации. Поставленная цель достигалась путем выбора рациональных составов реагентов, применимых для модифицирования характеристик основных типов неизвлекаемых алмазов, включая определение соста- ва и массовых соотношений люминофоров, коллектора и водной фазы, определение состава органического коллектора и выбор селективных режимов закрепления люминофоров на кристаллах алмазов, включающих применение реагентов-диспергаторов органической фазы и регуляторов закрепления коллектора на минералах кимберлита.

Методики исследований

Обработку алмазосодержащих кимберлитовых продуктов реагентом-модификатором проводили в специальной установке, разработанной и изготовленной в рамках выполнения работ по гранту Российского научного фонда № 21–17-00020.

Интенсивность закрепления люминофоров на алмазах оценивали по величине их поверхностной концентрации, которую измеряли методами люминесцентной и комбинированной (ультрафиолет – видимый свет) микроскопии, обеспечивающими наблюдение и регистрацию изображений элементов люминофорсодержащей композиции с применением эффекта фотолюминесценции [8, 9]. В настоящих исследованиях использован люминесцентный микроскоп «Микромед 3 ЛЮМ».

Влияние реагентов-регуляторов на гидрофобность и олеофильность поверхности алмазов и гидрофобных минералов кимберлита оценивали методом измерения краевых углов смачивания [10], при использовании которого первоначально поверхность минералов обрабатывается исследуемой водной системой, после чего на обработанную поверхность наносится капля органического вещества, и добавками водной фазы обеспечивается повышение уровня раздела фаз вода–воздух. Затем измеряются краевой угол смачивания и размер капли в системе минерал – капля коллектора – водная фаза.

Измерения проводили на установке «OCA 15EC Package 1» с модулем прямого дозирования SD-DM и обработкой результатов измерений при помощи пакета SCA 20.

Эффективность закрепления люминофоров на поверхности алмазов и минералов кимберлита оценивали по изображениям люминесценции исследуемых объектов в ультрафиолетовом излучении с использованием прибора УФК-254/365, оснащенного источниками УФ-излучения с длиной волны 254 и 365 нм. Полученные изображения диагностировали визиометрическим методом анализа, позволяющим оценить концентрацию и характер распределения люминофора на поверхности анализируемых образцов [2, 4].

Для определения спектрально-кинетических характеристик алмазов и кимберлита и извлекаемости алмазов был использован портативный рентгенолюминесцентный сепаратор «Полюс-М», возможности которого полностью соответствовали настройкам промышленных рентгенолюминесцентных сепараторов [11, 12]. Встроенная аналого-цифровая система регистрации сепаратора «Полюс-М» обеспечивала ведение процесса сепарации в «селективном» режиме, предполагающем использование кинетических https://mst.misis.ru/

2023;8(4):313–326

характеристик сигнала рентгенолюминесценции: свертку Sv; постоянную времени затухания τ _з, амплитуду медленной компоненты А_МК, амплитуду быстрой компоненты А_БК, отношение амплитуд компонент К_А [4, 12].

Обсуждение результатов

1. Обоснование технологических параметров применяемых люминофоров и композиций

Особенностью проводимых исследований было применение для специализированной лабораторной установки, обеспечивающей функции обработки алмазосодержащего материала реагентом-модификатором, отделения кондиционной эмульсии и промывки обработанного материала перед операцией РЛС (рис. 1).

Применение вышеописанной установки позволяет проводить обработку и разделение алмазосодержащего материала в условиях, близких к промышленным. Методика проведения экспериментов включала обработку смеси минералов в эмульсии реагента модификатора в течение 1 мин, промывку водой в течение 30 с, подсушивание, визиометрический анализ и снятие спектрально-кинетических характеристик на сепараторе «Полюс-М».

Применяемая установка обеспечивала хороший контакт эмульсии с поверхностью алмазов и закрепление на ней люминофорсодержащей композиции. Результаты исследований процессов распределения и закрепления люминофоров на поверхности кристаллов алмазов, проведенных с использованием микроскопа Микромед-3-Люм, показали, что как на синтетических, так и на природных алмазах наиболее интенсивное закрепление люминофоров наблюдается в области неровностей кристалла (рис. 2, а, б). На поверхности минералов кимберлита наблюдается точечное скопление люминофоров, обусловленное

закреплением органического коллектора на природно-гидрофобных минералах (2, в).

а

Рис. 1. Схема установки для исследования технологии подготовки алмазосодержащих продуктов к процессу РЛС с использованием реагентов-модификаторов, где 1 – узел приготовления композиции; 2 – узел приготовления эмульсии; 3 – приспособление для нагревания эмульсии; 4 – загрузочное приспособление; 5 – узел обработки алмазосодержащего материала эмульсией; 6 – валковый привод; 7 – перфорированный участок для отвода кондиционной эмульсии;

8 – приемник эмульсии; 9 – перфорированный участок для отделения промывной воды; 10 – распределитель промывной воды; 11 – приемник промывной воды;

12 – рентгенолюминесцентный сепаратор

б

в

Рис. 2. Изображения в комбинированном освещении поверхности исследуемых минералов с закрепившимся люминофором (люминофор – зеленый): а – синтетический алмаз, б – природный алмаз, в – зерна кимберлита

2023;8(4):313–326

Chanturiya V. A. et al. Optimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics...

В качестве основного технологического критерия при выборе композиций люминофоров и коллектора была принята возможность придания алмазам необходимых для их обнаружения спектрально-кинетических характеристик. Критерием оптимальности состава люминофорсодержащей композиции был принят уровень приближения формы сигнала рентгенолюми-несценции к форме сигнала природного алмаза. Принятое условие иллюстрируется графиками на рис. 3, где показано, что применение реагентов модификаторов различного состава (МЛА-1 – на основе ФЛ-530; МЛА-3 – на основе Э-515-115) придает кинетическим кривым сигнала рентгенолюминесценции отличающуюся форму, при этом в рассматриваемых условиях получаемые характеристики приближаются к характеристикам природных нормально извлекаемых алмазов.

Выбор люминофоров для исследуемых композиций учитывал необходимость требуемого изменения спектральных характеристик обоих типов неизвлекаемых алмазов (слабо и аномально люми-несцирующих), для которых ранее была показана перспективность применения люминофоров на основе ортосиликата цинка и сульфидов цинка и кадмия [6]. В настоящем исследовании ставилась задача подтверждения и оценки эффективности выбранных составов реагентов-модификаторов для рассматриваемых типов неизвлекаемых алмазов.

Время, мкс

1 '      2        3         4

Рис. 3. Спектрально-кинетические характеристики алмазов до и после обработки: 1 и 2 – исходные нормально и аномально люминесцирующие алмазы соответственно; 3 и 4 – аномально люминесцирующие алмазы после обработки реагентами-модификаторами МЛА-1 и МЛА-3 соответственно

Таблица 1

Изменение спектрально-кинетических характеристик алмазов при обработке реагентами-модификаторами различного состава

№ Минерал Компонента До обработки После обработки Прирост КА до обработки КА после обработки МЛА-1 (ФЛ-530-Г3 в ТГКК и ДТФ) 1 Алмаз слабо люминесцирующий АМК 109 574 465 3,88 1,27 АБК 423 730 307 2 Алмаз аномально люминесцирующий МК 287 688 401 21,01 9,23 АБК 6030 6353 323 МЛА-2 (ФЛ-530-Г3 и антрацен в соотношении 25–40 : 1 в ТГКК и ДТФ) 3 Алмаз слабо люминесцирующий АМК 102 545 443 4,20 2,01 АБК 428 1095 667 4 Алмаз аномально люминесцирующий МК 287 810 523 21,25 8,66 АБК 6100 7011 911 МЛА-3 (Э-515-115-Г5 в ТГКК и ДТФ) 5 Алмаз слабо люминесцирующий АМК 100 488 388 4,00 4,80 АБК 400 2340 1940 6 Алмаз аномально люминесцирующий МК 347 720 383 17,64 10,18 АБК 6120 7330 1210 МЛА-4 (ФК-110-Г5 в ТГКК и ДТФ) 7 Алмаз слабо люминесцирующий АМК 110 455 345 3,83 4,29 АБК 421 1954 1533 8 Алмаз аномально люминесцирующий МК 326 647 321 18,53 10,83 АБК 6040 7008 968 МЛА-5 (ФК-1 в ТГКК и ДТФ) 9 Алмаз слабо люминесцирующий АМК 109 425 316 3,65 5,09 АБК 398 2163 1765 10 Алмаз аномально люминесцирующий МК 339 695 256 17,55 10,10 АБК 5950 7020 1070 https://mst.misis.ru/

2023;8(4):313–326

Результаты исследований влияния состава используемых люминофоров на результирующие спектрально-кинетические характеристики алмазов, представленные в табл. 1 и на рис. 4, позволили оценить технологическую возможность и эффективность применения основных типов реагентов-модификаторов в цикле обработки алмазосодержащего материала перед процессом РЛС.

Как видно из представленных данных, в отношении слабо люминесцирующих алмазов наилучшие результаты показали композиции люминофоров реагентов модификаторов МЛА-3 и МЛА-4 на основе сульфидов цинка, что подтверждается диаграммой рис. 3, из которых следует, что результирующие спектрально-кинетические характеристики слабо люми-несцирующих алмазов после обработки существенно смещаются в область обнаружения за счет прироста амплитуд быстрой и медленной компонент.

Лучший результат в отношении аномально лю-минесцирующих алмазов наблюдается для реагентов МЛА-1 и МЛА-2 (на основе ортосиликата цинка). Однако результирующий сигнал обработанных реагентом МЛА-1 алмазов по соотношению быстрой и медленной компонент на слабо люминесцирующих алмазах лежит вблизи границы зоны обнаружения (см. рис. 4, линия 4).

При одновременном присутствии в исходном алмазосодержащем продукте алмазных кристаллов обоих типов наиболее эффективными для целенаправленного модифицирования их люминесцентных свойств будут реагенты МЛА-2 и МЛА-3, поскольку обеспечивают алмазам спектрально-кинетические характеристики, лежащие в глубине разрешенных значений зоны идентификации системы детектирования (см. рис. 4).

Отдельный цикл исследований посвящен экспериментальному обоснованию оптимального фракционного состава органического коллектора, обеспечивающего максимальное закрепление люми-нофорсодержащей композиции на алмазах. Для выявления закономерностей влияния фракционного состава органического коллектора на основе ТГКК и ДТФ на эффективность закрепления люминофоров и обоснованного выбора состава реагента был проведен комплекс физико-химических исследований, включающий измерение адгезионной активности коллектора как основного воздействующего фактора. Для оценки и сравнения адгезионной активности использовались результаты измерения краевого угла смачивания в системе алмаз – капля коллектора – водная фаза.

Анализ результатов исследований показал, что увеличение доли ДТФ в коллекторе вызывает рост

Амплитуда медленной компоненты А МК , мВ

1       2        3      4       5       6        7       8

9        10       11     12      13

Рис. 4. Диаграмма изменения амплитудных спектрально-кинетических характеристик неизвлекаемых алмазов после обработки люминофорсодержащими реагентами-модификаторами:

1 – нижняя граница области положительной идентификации алмазов по К_А; 2 – верхняя граница области положительной идентификации алмазов по К_А; 3 – граница области положительной идентификации алмазов по А_МК; 4, 6 , 8 , 10 , 12 - смещение характеристик слабо люминесцирующих алмазов; 5, 7, 9 , 11 , 13 - смещение характеристик аномально люминесцирующих алмазов после обработки: 4, 5 - МЛА-1; 6 , 7 - МЛА-2; 8 , 9 - МЛА-3; 10 , 11 - МЛА-4;

12, 13 -МЛА-5;     - область положительной идентификации (обнаружения)

Таблица 2

Изменение физико-химических характеристик и эффективности закрепления на алмазах при варьировании его фракционного состава органических коллекторов

№ Доля ДТФ в компаундном коллекторе Краевой угол смачивания, град Плотность, г/см3 Динамическая вязкость измеренная, мПа с, 24 °С Средний размер капли на алмазе, мм Поверхностная концентрация люминофора, % 1 0 (только ТГКК) 85 965,0 167,0 1,5 16,9 2 5 87,5 961,1 154,5 1,65 21,7 3 10 90,0 957,2 133,0 1,62 24,4 4 15 92,0 951,3 110,3 1,33 24,5 5 20 93,3 947,4 92,1 0,96 22,1 6 25 94,3 942,5 72,0 0,75 20,4 7 30 95,0 937,6 64,1 0,65 18,6 8 100 97,5 867,0 3,64 0,4 15,5 https://mst.misis.ru/

2023;8(4):313–326

Chanturiya V. A. et al. Optimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics...

величины краевого угла смачивания, характеризующего его адгезионную активность. Однако, несмотря на увеличение краевого угла смачивания, при росте массовой доли ДТФ в компаунде выше 15 % происходит уменьшение размера капли коллектора, сохраняющейся на поверхности алмаза после подъема уровня жидкости (табл. 2).

Такой результат обусловлен в основном следующими факторами: снижением вязкости коллектора и, соответственно, уменьшением гистерезисного эффекта, а также снижением плотности и, соответственно, увеличением силы отрыва при подъеме уровня жидкости.

Экстремальная форма зависимости интенсивности закрепления люминофора от массовой доли ДТФ в органическом коллекторе согласуется с аналогичным характером зависимости размера удерживаемой капли коллектора на поверхности минерала от состава компаунда (см. табл. 2). Вероятной причиной такой закономерности является определяющая роль количества органического коллектора, закрепляющегося на поверхности алмаза. Чистый ТГКК характеризуется меньшей адгезионной активностью по отношению к поверхности алмаза, чем компаунды с ДТФ, что обусловливает меньшее количество закрепленной композиции и, соответственно, меньшее количество люминофора на алмазе. Повышение доли ДТФ в коллекторе более 15 % ведет к отрыву капли с поверхности алмаза как вследствие увеличивающейся разности плотностей относительно водной фазы (плотность ДТФ – 0,867 г/см3, плотность ТГКК 0,965 г/см3, воды – 1 г/см3), так и за счет уменьшения вязкости (на 45–58 %), что снижает гистерезисную устойчивость агрегатов минерал – коллектор в турбулентной среде.

2. Выбор режимов повышения селективности закрепления люминофоров на поверхности алмазов и минералов кимберлита

Для решения задачи повышения селективности закрепления люминофоров на поверхности алмазов было исследовано применение реагентов класса полифосфатов, силикатов, природных органических полимеров, лигносульфонатов, способствующих по-

давлению закрепления аполярных и слабо полярных реагентов на гидрофобных минералах [13, 14]. Выполнено экспериментальное обоснование и проведен выбор параметров водной фазы эмульсии реагента-модификатора (рН среды, минерализация, Eh), способствующих более селективному закреплению аполярных и слабо полярных реагентов на минералах [15, 16].

Применение в настоящих исследованиях для диспергирования органической фазы реагента модификатора поверхностно-активных веществ (алкилсульфаты, алкилсульфонаты) обусловлено механизмом их влияния на свойства поверхности алмазов. Согласно положениям физико-химии растворов гетерополяр-ные молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз алмаз – вода и коллектор – вода, ориентируясь аполярным радикалом в гидрофобную фазу и полярной группой в водную фазу, и уменьшают величины межфазных поверхностных натяжений твердое-жидкое с _т ж и вода-коллектор о _ж-к, что в соответствии с уравнением Юнга [17] ведет к уменьшению краевого угла смачивания, то есть поверхность твердого тела смачивается раствором ПАВ сильнее по сравнению с чистой водой. Такой эффект был подтвержден экспериментально в системе минерал – органический коллектор – водная фаза. Было показано, что добавки алкилсульфоната приводят к снижению гидрофобности поверхности минералов (рис. 5, а ) [18]. Напротив, для гидрофильных минералов, вследствие обратной ориентации молекул ПАВ, возможна гидро-фобизация поверхности [19], что является негативным фактором вследствие увеличения олеофильности минералов кимберлита, способствующей закреплению на них люминофорсодержащей композиции.

Действие полифосфатов на дисперсную систему минерал – водная фаза – коллектор происходит иначе. Основой действия полифосфатов является их закрепление на поверхности природно-гидрофильных минералов по механизму катионного обмена, когда образуется прочная химическая связь с двухзарядными катионами минерала (кальций, железо, магний) [20, 21]. Эффективное действие полифосфатов натрия также объясняется интенсивной адсорбцией поли-

2023;8(4):313–326

фосфат-ионов на границе слоев кремнекислородных тетраэдров (например, природно-гидрофобных слоистых алюмосиликатов), что обусловлено сходством строения и размеров анионов триполифосфата и кремнекислородных тетраэдров глинистых минералов [22]. Полифосфаты позволяют также гидрофили-зировать поверхность фосфатных минералов.

Результаты исследований показали принципиально иное влияние гексаметафосфата на поверхностные свойства минералов в сравнении с алкилсульфатами. Уменьшение величины краевого угла смачивания на алмазе выражено в существенно меньшей степени и, напротив, наблюдается весьма интенсивная гидрофи-лизация поверхности флогопита (рис. 5, б ). Гидрофо-бизации и повышения олеофильности природно-гидрофильных минералов кимберлита при добавках гексаметафосфата не происходит (капля органической жидкости отрывается от минерала).

Органические полимеры, например карбокси-метилцеллюлоза (КМЦ), проявляют регулирующие свойства в отношении как поверхности алмаза, так

и гидрофобных минералов кимберлита, что вытекает из существенного снижения краевого угла смачивания (на 10–23º) на этих минералах при увеличении концентрации реагента до 3 г/л (рис. 6, а ). Более перспективны реагенты группы алкилфосфонатов. Измерения краевого угла смачивания показали, что в интервале концентраций от 0 до 1 г/л эти реагенты (на примере оксиэтилендифосфоновой кислоты – ОЭДФ) способствуют существенному снижению гидрофобности (олеофильности) флогопита, в то время как состояние поверхности алмаза изменяется в существенно меньшей степени (рис. 6, б ). Во многом эта особенность может быть следствием образования координационной связи между анионами реагента и катионами Ca и Mg кристаллической решетки минералов.

Полученные результаты позволили сделать вывод о целесообразности применения реагентов-диспергаторов, не содержащих в своей структуре значительного аполярного радикала и взаимодействующих с минералами кимберлита посредством образования химических или координационных связей.

Рис. 5. Влияние концентрации алкилсульфата ( а ) и гексаметафосфата ( б ) на краевые углы смачивания алмаза ( 1 ) и флогопита ( 2 )

б

Рис. 6. Влияние концентрации в водной фазе эмульсии реагента-модификатора КМЦ ( а ) и ОЭДФ ( б ) на краевой угол смачивания алмаза ( 1 ) и флогопита ( 2 )

б

Таблица 3

Влияние реагентов-диспергаторов на поверхностную концентрацию и селективность закрепления люминофоров на поверхности алмазов и кимберлита

№	Реагент-диспергатор	Поверхностная концентрация люминофора на алмазе СЛА, %		Поверхностная концентрация люминофора на кимберлите СЛК, %		Селективность закрепления СЗЛАК, доли ед.
		При концентрации реагента, г/л
		0	1,5	0	1,5	0	1,5
1	Триполифосфат	38	21,8	7,5	1,5	0,03	0,95
2	Гексаметафосфат	39,3	23,5	7	1,6	0,29	1,03
3	ОЭДФ	38,3	25,5	7,1	1,9	0,19	1,07
4	Кукурузный крахмал	38	20,4	6,9	2,2	0,23	0,63
5	КМЦ	37,4	18,5	6,7	1,8	0,26	0,63
6	Сульфонол	37,8	19,5	7,1	1,8	0,15	0,70
7	Метасиликат натрия	39,4	22,5	7,9	2,1	-0,01	0,80
8	Лигносульфонат	38,9	20,3	7,6	2,2	0,06	0,62

Таблица 4

Результаты визиометрического анализа влияния температурного режима на эффективность закрепления люминофоров на поверхности алмазов и кимберлита

№	Состав органического коллектора	Температура, ° C
		20	25	30	35	40	45
		Покрытие поверхности алмаза люминофором, %
3	ТГКК (85%) ДТФ (15%)	17,4	28,4	33	34,1	36,2	35,7
		Покрытие поверхности кимберлита люминофором, %
6	ТГКК (85%) ДТФ (15%)	2,4	2,6	2,8	2,9	3,2	3,5
		Селективность закрепления, усл. ед.
9	ТГКК (85%) ДТФ (15%)	0,43	1,03	1,27	1,31	1,35	1,21
		Извлечение алмазов,%
12	ТГКК (85%) ДТФ (15%)	80	85	90	95	95	95
		Выход кимберлита,%
15	ТГКК (85%) ДТФ (15%)	1,0	1,1	1,3	1,3	1,3	1,3

Примечания: ТГКК – тяжелый газойль каталитического крекинга; ДТФ – дизельная техническая фракция.

2023;8(4):313–326

Chanturiya V. A. et al. Optimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics...

Проверка выбранных диспергаторов в лабораторных условиях показала их эффективность. Наилучшие результаты при расходе реагента 1,5 г/л (наибольшая селективность закрепления люминофоров) установлены для оксиэтилендифосфоновой кислоты (ОЭДФ), гексаметафосфата, метасиликата и триполифосфата натрия (табл. 3).

Селективность закрепления рассчитывалась по уравнению

СЗЛ^ = С ЛА - С К .

АК 15    3

Обозначения переменных в уравнении приведены в табл. 3.

3. Выбор температурного режима обработки алмазосодержащих продуктов реагентами-модификаторами

Температура среды в операции приготовления и обработки алмазосодержащего материала реагентом-модификатором в существенной мере влияет на интенсивность и селективность закрепления люминофоров на поверхности алмазов и кимберлита. При-

чиной существенного влияния температуры является изменение физико-химических характеристик органических жидкостей, представляющих собой продукты нефтепереработки сложного состава [23]. Температура среды влияет на энергию границы раздела фаз и смачиваемость минералов в дисперсных системах, на вязкость коллектора и его способность растекаться по поверхности, а также на устойчивость закрепления в турбулентной среде [24, 25].

Для выбора оптимального температурного режима были проведены исследования по обработке алмазосодержащих кимберлитовых продуктов эмульсиями реагентов-модификаторов, в которых в качестве коллекторов применялись нефтепродукты различного фракционного состава.

Эффективность закрепления люминофоров оценивалась по поверхностной концентрации закрепившихся люминофоров, определяемой визиоме-трическим способом. В отличие от исследований, описанных в работе [17], обработанный алмазо-минеральный продукт после обработки был направлен на процесс рентгенолюминесцентной сепарации, проведенный в сепараторе «Полюс-М». Результаты прове-

2023;8(4):313–326

денных исследований подтвердили, что увеличение температуры с 15 до 40 ° C усиливает закрепление люминофора на алмазах и кимберлите для всех составов органического коллектора (табл. 4). Результаты исследований показали, что при повышении температуры среды более 40 ° C эффективность закрепления люминофора на алмазах незначительно снижается.

Анализ данных расчета селективности закрепления люминофора показывает, что максимальная селективность закрепления люминофора на алмазе и кимберлите наблюдается при температуре обработки от 30 до 45 ° C. Анализ результатов рентгенолюминесцентной сепарации алмазосодержащего кимберлитового продукта подтвердил данные визио-метрического анализа и показал возможность максимального извлечения алмазов в диапазоне температур от 30 до 45 ° C (см. табл. 4) без существенного увеличения выхода кимберлита. Полученные результаты позволили рекомендовать проводить процесс обработки алмазосодержащих продуктов при повышенной температуре.

4. Выбор компонентного состава эмульсии реагентов-модификаторов спектрально-кинетических характеристик алмазов

Базовыми технологическими параметрами режимов селективного модифицирования спектрально-кинетических характеристик алмазов являются следующие характеристики реагента-модификатора: соотношение люминофор – коллектор; соотношение коллектор – водная фаза и концентрация реагента-диспергатора. Учитывая возможность наличия взаимного влияния факторов и необходимость поиска области экстремума для определения оптимального состава реагента-модификатора, был применен метод факторного эксперимента второго порядка. Исходная матрица ПФЭ (ортогональный центрально-композиционный план второго порядка) составлялась по стандартной методике с дополнением нулевой и звездных точек [26]. Экспериментальный массив составил 15 опытов.

Результаты математической обработки результатов эксперимента, проведенные в среде Excel, позволили определить область оптимальных соотношений между компонентами реагента модификатора МЛА-3 в рабочей эмульсии. Для соотношения вода : коллектор выбрано соотношение 90 : 1. Оптимальная концентрация ГМФ – 1,5 г/л (рис. 7). Оптимальное значение соотношения коллектор : люминофор – 9 : 1. Выбранные параметры близки к значениям, которые были выбраны по результатам лабораторных исследований и использовались как координаты центра матрицы (10 : 1, 60 : 1 и 1,5 г/л).

Результаты показали, что применение водной эмульсии реагентов-модификаторов МЛА-1 на основе люминофора ФЛ-530-Г3-Г5 и МЛА-3 на основе люминофора Э-515-115-Г5 с выбранными параметрами компонентного состава эмульсии реагента-модификатора и с применением в качестве реагента-диспергатора гексаметафосфата натрия приводит

к требуемому изменению спектрально-кинетических характеристик слабо и аномально люминесцирующих алмазов (табл. 5).

Результаты испытаний, проведенных на сепараторе «Полюс–М», показали высокую эффективность разработанных реагентов модификаторов и режимов обработки, обеспечивающих возможность извлечения более 80–95 % слабо и аномально светящихся алмазов в концентрат рентгенолюминесцентной сепарации без существенного возрастания выхода в концентрат кимберлита (см. табл. 5).

Таким образом, результатами проведенных исследований подтверждена эффективность выбранной технологии подготовки алмазосодержащих продуктов к процессу РЛС, определены оптимальные состав реагента-модификатора и параметры процесса обработки алмазосодержащих кимберлитовых продуктов.

СЗ Отношение масс водной фазы и коллектора В : К

а

Концентрация ГМФ в водной фазе, г/л

б

-4–-3   -3–-2    -2–-1   -1–0   0–1   1–2

Рис. 7. 3D-графики ( а ) и сечения ( б ) зависимостей селективности закрепления люминофора (СЗЛ_АК) от соотношения масс водной фазы и коллектора (В : К) и концентрации гексаметафосфата (ГМФ)

2023;8(4):313–326

Chanturiya V. A. et al. Optimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics...

Выводы

В результате выполненных исследований определены эффективный состав и режим применения реагентов-модификаторов в технологии подготовки алмазосодержащего материала к процессу рентгенолюминесцентной сепарации.

Установлена возможность целенаправленного модифицирования спектральных характеристик слабо и аномально светящихся алмазов, одновременно присутствующих в алмазосодержащем материале, за счет применения люминофоров на основе ортосиликата цинка и сульфидов цинка (МЛА-1 и МЛА-3), обеспечивающих алмазным кристаллам спектрально-кинетические характеристики, находящиеся в глубине зоны идентификации системы детектирования.

Выбраны состав коллектора кристаллов (85 % ТГКК и 15 % ДТФ) люминофорсодержащей композиции и температурный режим обработки (30-45 ° C) алмазосодержащего продукта, обеспечивающие интенсивное и селективное закрепление люминофоров на поверхности алмазных кристаллов.

Результатами математической обработки с использованием критерия селективности закрепления

люминофорсодержащей эмульсии на алмазах и минералах кимберлита, рассчитываемого по величинам измеренных поверхностных концентраций люминофоров на минералах, определены оптимальные соотношения основных компонентов в эмульсии реагента-модификатора, составляющие: вода : коллектор = 90 : 1; коллектор : люминофор = 9 : 1 при концентрации ГМФ – 1,5 г/л.

Выбраны реагенты-диспергаторы (оксиэтилендифосфоновая кислота, гексаметафосфат, метасиликат и триполифосфат натрия), обеспечивающие селективное закрепление люминофоров на алмазах за счет снижения закрепления люминофоров на поверхности зерен кимберлита.

Результатами испытаний, проведенных на сепараторе «Полюс–М», подтверждена высокая эффективность реагентов модификаторов разработанного состава и режимов их применения для обработки алмазосодержащего материала, обеспечивающих извлечение в концентрат рентгенолюминесцентной сепарации слабо и аномально светящихся алмазов на уровне 80–95 % без увеличения выхода в него кимберлита.

Таблица 5

Результаты испытаний реагентов-модификаторов на основе люминофоров ФЛ-530 (МЛА-1) и Э-515-115 (МЛА-3) на алмазосодержащих кимберлитовых продуктах

№	Состав композиции	Минерал	Sv	Т 3, мс	АМК, мВ	АБК - Ав, мВ	КА	Извлечение, %
1	Без использования люминофоров	Алмаз (сл)	0,15	4,3	120	564	5,7	40
		Алмаз (ан))	–	0,1	Не изм.	1022	≥50	20
		Кимберлит	–	–	Не изм.	Менее 50	-	0,75
2	МЛА-1 (ФЛ-530 + ТГКК + ДТФ)	Алмаз (сл)	0,22	1,6	329	1216	4,7	80
		Алмаз (ан)	0,17	0,6	275	1469	6,3	90
		Кимберлит	–	–	Не изм.	Менее 50	–	0,9
3	МЛА-3 (Э-515-115-Г5 + ТГКК + ДТФ)	Алмаз (сл)	0,26	2,3	258	1105	5,0	95
		Алмаз (ан)	0,18	0,5	168	1465	9,9	90
		Кимберлит	–	–	Не изм.	Менее 50	–	0,5
4	Условия селективного режима РЛС	Алмаз	0,1–1	0,1–10	Более 100	–	0,2–12	Извл

Примечания: сл, ан – слабо и аномально люминесцирующие алмазы соответственно, А_В – амплитуда быстрой компоненты сигнала рентгенолюминесценции воздуха (фон); Не изм. – не измеряется.

2023;8(4):313–326

2023;8(4):313–326

Informational and Analytical Bulletin. 2022;(6–2):161–174. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_20 22_62_0_161