СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КВАРЦЕВОГО СЫРЬЯ Российский патент 2010 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к области геологии, разработки и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на ранних этапах геолого-разведочных работ для предварительной оценки качества кварцевого сырья.

Важнейшими качественными показателями кварцевого сырья, пригодного для получения высокочистых кварцевых концентратов, являются содержание элементов-примесей и коэффициент светопропускания. Мировой рынок предъявляет высокие требования к качеству кварцевых концентратов. В то же время пока не разработано оценочных параметров для исходного природного кварца, пригодного для получения концентратов высокой химической чистоты. Проблема состоит в том, что для их разработки необходима информация о типах и содержании структурных примесей в кварце. Известно, что кварц характеризуется большим разнообразием структурных примесей или примесных дефектов (Al, Ge, Ti, ионы щелочных металлов, гидроксильные группировки и др.) и собственных дефектов. Изучению структурного несовершенства кварца с помощью спектроскопических методов, включая люминесцентные, посвящено немалое количество работ таких исследователей, как В. Балицкий, С. Вотяков, М. Самойлович, Л. Силинь, А. Таращан, А. Трухин, И. Матросов, Ю. Погорелов и др.

Известен способ поиска и оценки месторождений особочистого кварца люминесцентными методами, включающий отбор образцов кварца из исследуемых жил или объектов, установление в них примесей люминесцирующих минералов, определение в отобранных образцах содержаний и характера распределения люминесцирующих минералов, по которым судят о чистоте кварца (Бушев А.Г. и др. "Поиск и оценка месторождений горного хрусталя и сверхчистого кварца люминесцентными методами". Методические рекомендации № 98, Москва, ВИМС, 1995, с.24). Недостатком данного способа является то, что он эффективен только для выявления минеральных примесей, но не структурных.

Известен способ поиска месторождений особочистого кварца, заключающийся в том, что проводят отбор мономинеральных образцов кварца, подвергают их термической обработке, облучают гамма-квантами дозой, переводящей изоморфный алюминий в парамагнитное состояние, измеряют методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) концентрации структурных алюминиевых центров в отобранных образцах и по их значениям ниже значения концентрации, установленной из технических требований к особочистому кварцу, судят о наличии особочистого кварца (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 включает ряд сложных операций: облучение образцов кварца гамма-квантами, измерение методом ЭПР концентраций структурных алюминиевых центров, высокотемпературную обработку образцов и значительные затраты исследуемого материала.

Известен способ поиска месторождений особочистого кварца, включающий отбор мономинеральных образцов кварца по разведочной сети, измерение в них концентрации лития спектральным количественным методом. О наличии месторождения особочистого кварца судят по концентрациям лития в исследуемых образцах менее 0,5 г/т (Патент РФ №2145105, G01V 9/00, опубл. 27.01.2000). Авторами данного способа экспериментально установлена закономерность, заключающаяся в том, что в кварцах пегматитовых и кварцевых жил концентрация лития уменьшается с уменьшением содержания в кварце структурной примеси алюминия. Концентрация лития 0,5 г/т отвечает содержанию в кварце структурного алюминия 20 г/т, соответствующему максимальному допустимому загрязнению этой примесью особочистого кварца. Недостатком данного изобретения является недоучет других структурных примесей, как, например, Na⁺, который, как и Li располагается в структурных каналах кварца, и с которым также ассоциирована алюминиевая примесь. Так, например, кварц, синтезированный из Na-содержащих растворов, может не иметь Li, но Al в нем будет достаточно.

Наиболее близким по технической сущности является люминесцентный способ исследования структурного несовершенства кварца, заключающийся в том, что отбирают монофракции кварца, снимают для них спектры ретгенолюминесценции в оптическом диапазоне длин волн, по полученным спектрам определяют интенсивность излучения центров рентгенолюминесценции и по отношению интенсивностей излучения структурно-примесных центров SiO₄/Na⁺ и AlO₄/Li⁴ оценивают степень структурного несовершенства кварца: чем выше концентрация

Al/Li⁺ - центров, тем ниже качество кварцевого сырья (Вотяков С.Л., Крохалев В.Я., Пуртов В.К., Краснобаев А.А. Люминесцентный анализ структурного несовершенства кварца // Екатеринбург: УИФ "Наука", 1993. - с.30-32). Положительным в известном способе является то, что в работе детально освещены центры люминесценции, отражающие степень микродефектности кварца. Недостатком является тот факт, что недоучтена роль AlO₄/Li⁴ - центров и не учтена роль собственных дефектов в кварце (возбужденные кислородные состояния), которые могут интенсивно проявляться в спектрах рентгенолюминесценции особо чистого кварца.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа оценки качества кварцевого сырья с целью повышения экспрессности и надежности предварительной оценки качества кварцевого сырья.

Поставленная задача решается тем, что способ оценки качества кварцевого сырья включает отбор монофракций кварца, замер интенсивности его высвечивания при рентгеновском возбуждении с последующим суждением о дефектности структуры, но в отличие от прототипа отобранную монофракцию кварца предварительно прокаливают до температуры 350-450°С, затем 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 структурно-примесных центров в спектральном диапазоне 420-500 нм оценивают дефектность структуры и качество кварцевого сырья.

Температурный интервал 350-450°С, до которого необходимо нагревать образцы кварца с тем, чтобы получить люминесценцию в спектральном диапазоне 360-380 нм, установлен экспериментально. Дело в том, что нагрев до меньших температур в некоторых пробах может привести к ослабленному и нечетко выраженному спектру в УФ-диапазоне. Нагрев до более высоких температур (выше 450-500°С) ведет к сильной диффузии, интенсивному перераспределению электронов и дырок, что искажает спектр и затрудняет интерпретацию центров свечения. Оптимальным является интервал 350-450°С. Нагрев до такой температуры ведет к появлению четко выраженного максимума при 360-380 нм в спектрах рентгенолюминесценции прокаленного кварца (фиг.1). Выбор спектральных диапазонов обусловлен тем, что за УФ люминесценцию (360-380 нм) в данном случае ответственны собственные структурные дефекты в кварце (это, скорее всего, возбужденные кислородные состояния, что отмечалось и ранее (Матросов И.И., Погорелов Ю.Л. Влияние прокаливания на спектры рентгенолюминесценции // Изв. АН СССР. Сер. геол., - 1977. - №9, - с. 89-94), а за спектральный диапазан РЛ 420-550 нм в данном случае ответственны структурно-примесные центры AlO₄/Na⁺, AlO₄/Li⁺ (Вотяков С.Л., Крохалев В.Я., Пуртов В.К., Краснобаев А.А. Люминесцентный анализ структурного несовершенства кварца // Екатеринбург: УИФ "Наука", 1993, с.14, с.20-21). Авторами предлагаемого изобретения экспериментально установлена закономерность, заключающаяся в том, что в кварце, перспективном для получения концентратов высокой химической чистоты, доля собственной люминесценции в УФ-диапазоне 360-380 нм значительно выше доли участия люминесцеции примесных дефектов в диапазоне длин волн 420-500 нм. Поэтому для оценки качества кварцевого сырья предлагается использовать отношения интенсивностей этих центров (собственных к структурно-примесным) (фиг.2).

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1

Отобрано 10 мономинеральных проб кварца из Кузнечихинского месторождения (Урал) особо чистого кварца. Получены спектры рентгенолюминесценции монофракций кварца в спектральном диапазоне длин волн 350-550 нм после прокаливания образцов до 400°С. По значительной величине отношения интенсивностей РЛ при длине волны 360-380 нм к интенсивности РЛ структурно-примесных дефектов в спектральном диапазоне 420-500 нм оцениваем кварцевое сырье как особо чистое. В данном случае эти отношения равны 3 для 360-380/420-450 и 10 для 360-380/480-500 (табл.1, пример 1). Это отражает преимущественный вклад в РЛ собственных дефектов с максимумом РЛ на 370 нм. Известно, что кварц Кузнечихинского месторождения характеризуется наиболее высоким качеством (Мусафронов В.М. Сырьевая база особо чистого кварцевого сырья, пути ее развития и укрепления // Разведка и охрана недр, 1999. №3. С.3-4).

Пример 2

Отобрано 8 монофракций кварца в пределах Ларинского кварценосного узла (Урал). Получены спектры рентгенолюминесценции монофракций кварца в спектральном диапазоне длин волн 350-550 нм после прокаливания образцов до 400°С. По интенсивной РЛ при 360-380 нм и по отношению интенсивности РЛ собственных дефектов (360-380 нм) к интенсивности РЛ примесных дефектов (420-550 нм), равному 3,3 и 5 (что отражает преимущественный вклад в РЛ собственных дефектов с максимумом РЛ на 370 нм), оцениваем кварцевое сырье как перспективное для получения концентратов высокой химической чистоты (табл.1, пример 2).

Пример 3

Взято две монофракции кварца в пределах Ларинского кварценосного узла (Урал). Получены спектры рентгенолюминесценции отобранных монофракций кварца в спектральном диапазоне длин волн 350-550 нм после прокаливания образцов до 400°С. По слабой интенсивности РЛ при 360-380 нм и по отношению интенсивности РЛ собственных дефектов (360-380 нм) к интенсивности РЛ примесных дефектов(420-550 нм) меньше 1 оцениваем кварцевое сырье одного из участков Ларинского кварценосного узла как неперспективное для получения концентратов высокой химической чистоты (табл.1, пример 3). Действительно, по данным геологов кварц Ларинского кварценосного узла отличается невыдержанными качественными характеристиками (Мусафронов В.М. Сырьевая база особо чистого кварцевого сырья, пути ее развития и укрепления // Разведка и охрана недр, 1999. №3. С.3-4).

Пример 4

Отобрано 7 монофракций кварца в пределах Джабык-Карагайского кварценосного узла (Урал). Получены спектры рентгенолюминесценции монофракций после прокаливания до 350°С. По слабой интенсивности РЛ при 360-380 нм и по отношению интенсивности РЛ собственных дефектов (360-380 нм) к интенсивности РЛ примесных дефектов (420-550 нм) меньше 1 оцениваем кварцевое сырье как неперспективное для получения концентратов высокой химической чистоты (табл.1, пример 4). Действительно, перспективы Джабык-Карагайского кварценосного узла на особо чистое кварцевое сырье весьма ограничены. Общим отрицательным показателем для сырья Джабык-Карагая является повышенное содержание Са, Mn, Al, Fe (Мусафронов В.М. Сырьевая база особо чистого кварцевого сырья, пути ее развития и укрепления // Разведка и охрана недр, 1999. №3. С.3-4).

Пример 5

Отобрано 3 монофракции кварца в пределах Джабык-Карагайского кварценосного узла (Урал). Получены спектры рентгенолюминесценции монофракций после прокаливания до 350°С. По интенсивной РЛ при 360-380 нм и по отношению интенсивности РЛ собственных дефектов (360-380 нм) к интенсивности РЛ примесных дефектов (420-550 нм), равному 5 для 360-380/420-450 и 2 для 360-380/480-500 (что отражает преимущественный вклад в РЛ собственных дефектов с максимумом РЛ на 370 нм), оцениваем кварцевое сырье данного участка как перспективное для получения концентратов высокой химической чистоты (табл.1, пример 5).

Таким образом, способ позволяет быстро и надежно дать предварительную оценку качества кварцевого сырья и рекомендовать это сырье как высококачественное или не рекомендовать как неперспективное для получения концентратов высокой химической чистоты.

Таблица 1 Рентгенолюминесцентные характеристики кварца из ряда месторождений кварцевого сырья (Урал) Пример № К-во образцов Месторождение Интенсивность РЛ, усл.ед.; λ, нм; центры свечения Отношения интенсивностей РЛ 360-380 420-450 480-500 360-380/420-450 360-380/480-500 Собст.О* Примесный AlO₄ ^4-/Na⁺ Примесный AlO₄ ^4-/Li⁺ 1 10 Кузнечихинское 150 50 15 3 10 2 8 Ларинское 200 60 50 3,3 5 3 2 Ларинское 20 40 50 0,5 0,4 4 7 Джабык-Карагайское 15 30 45 0,5 0,3 5 3 Джабык-Карагайское 100 20 50 5 2

Использование: для оценки качества кварцевого сырья. Сущность: заключается в том, что осуществляют отбор монофракций кварца, замер интенсивности его высвечивания при рентгеновском возбуждении с последующим суждением о дефектности структуры, при этом отобранную монофракцию кварца предварительно прокаливают до температуры 350-450°С, затем 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 структурно-примесных центров в спектральном диапазоне 420-500 нм оценивают дефектность структуры и качество кварцевого сырья. Технический результат: повышение экспрессности и надежности предварительной оценки качества кварцевого сырья. 1 табл., 2 ил.

Способ оценки качества кварцевого сырья, включающий отбор монофракций кварца, замер интенсивности его высвечивания при рентгеновском возбуждении с последующим суждением о дефектности структуры, отличающийся тем, что отобранную монофракцию кварца предварительно прокаливают до температуры 350-450°С, затем 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 структурно-примесных центров в спектральном диапазоне 420-500 нм оценивают дефектность структуры и качество кварцевого сырья.