Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)

С использованием физико-химических и микробиологических методов, а также методов физико-химической геомеханики изучено влияние наноструктур на процессы нанохимических и микробиологических трансформаций железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) и показана их взаимосвязь с последующими процесса...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Панько, А.В., Ковзун, И.Г., Прокопенко, В.А., Цыганович, Е.А., Олейник, В.А., Аблец, Е.В., Никипелова, Е.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2016
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129959
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) / А.В. Панько, И.Г. Ковзун, В.А. Прокопенко, Е.А. Цыганович, В.А. Олейник, Е.В. Аблец, Е.М. Никипелова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2016. — Т. 14, № 4. — С. 627-641. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129959
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1299592025-02-23T18:35:15Z Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) Nanostructures in the Nanochemical and Microbiological Processes of Transformations and Separation of Iron-Oxide-Silicate Ore Materials (IOSOM) Панько, А.В. Ковзун, И.Г. Прокопенко, В.А. Цыганович, Е.А. Олейник, В.А. Аблец, Е.В. Никипелова, Е.М. С использованием физико-химических и микробиологических методов, а также методов физико-химической геомеханики изучено влияние наноструктур на процессы нанохимических и микробиологических трансформаций железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) и показана их взаимосвязь с последующими процессами разделения, обогащения и очистки таких материалов. Отмечено лимитирующие влияние наноструктур на все стадии последовательно протекающих процессов природных и техногенных трансформаций ЖСРМ. На основании полученных результатов дано научное обоснование разработанных методов переработки и очистки ЖСРМ от примесей алюмосиликатов и мышьяка, фосфора и серы, а также даны рекомендации по их усовершенствованию. Практическая реализация разработанных экологически безопасных безотходных методов позволила получить из бедных ЖСРМ высокообогащённые магнетитовые и металлизированные концентраты, очищенные на 90–95% от примесей. З використанням фізико-хемічних і мікробіологічних метод та метод фізико-хемічної геомеханіки вивчено вплив наноструктур на процеси нанохемічних і мікробіологічних трансформацій залізооксидносилікатних рудних матеріялів (ЗСРМ) та показано їх взаємозв’язок із наступними процесами розділення, збагачення й очищення таких матеріялів. Відзначено обмежувальний вплив наноструктур на всі стадії процесів природніх і техногенних трансформацій ЗСРМ, які послідовно перебігають. На основі одержаних результатів дано наукове обґрунтування розроблених метод перероблення й очищення ЗСРМ від домішок алюмосилікатів та Арсену, Фосфору та Сульфуру, а також дано рекомендації стосовно їх вдосконалення. Практична реалізація розроблених екологічно безпечних безвідходних метод уможливила одержати з бідних ЗСРМ високозбагачені магнетитові та металізовані концентрати, очищені на 90–95% від домішок. The impact of nanostructures on the nanochemical and microbiological iron-oxide-silicate ore materials (IOSOM) transformation processes is studied using physicochemical, microbiological and physicochemical geomechanical methods, and their correlation with subsequent processes of separation, purification and enrichment of these materials is shown. Nanostructure limiting impact on all stages of sequential processes of the natural and technogeneous IOSOM transformations is noted. Based on obtained results, a scientific substantiation of the developed methods of IOSOM processing and purification from aluminosilicates, arsenic, phosphorus and sulphur impurities is given, and recommendations for their improvement are given too. Practical implementation of environmentally safe and waste-free developed methods allows fabrication of highly enriched (up to 90–95%) magnetite and metallic concentrates from the poor IOSOM. 2016 Article Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) / А.В. Панько, И.Г. Ковзун, В.А. Прокопенко, Е.А. Цыганович, В.А. Олейник, Е.В. Аблец, Е.М. Никипелова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2016. — Т. 14, № 4. — С. 627-641. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1816-5230 PACS: 62.23.Pq, 68.37.Hk, 81.07.Bc, 81.70.Pg, 82.70.Dd, 83.60.-a, 83.80.Hj, 87.85.Rs https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129959 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	С использованием физико-химических и микробиологических методов, а также методов физико-химической геомеханики изучено влияние наноструктур на процессы нанохимических и микробиологических трансформаций железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) и показана их взаимосвязь с последующими процессами разделения, обогащения и очистки таких материалов. Отмечено лимитирующие влияние наноструктур на все стадии последовательно протекающих процессов природных и техногенных трансформаций ЖСРМ. На основании полученных результатов дано научное обоснование разработанных методов переработки и очистки ЖСРМ от примесей алюмосиликатов и мышьяка, фосфора и серы, а также даны рекомендации по их усовершенствованию. Практическая реализация разработанных экологически безопасных безотходных методов позволила получить из бедных ЖСРМ высокообогащённые магнетитовые и металлизированные концентраты, очищенные на 90–95% от примесей.
format	Article
author	Панько, А.В. Ковзун, И.Г. Прокопенко, В.А. Цыганович, Е.А. Олейник, В.А. Аблец, Е.В. Никипелова, Е.М.
spellingShingle	Панько, А.В. Ковзун, И.Г. Прокопенко, В.А. Цыганович, Е.А. Олейник, В.А. Аблец, Е.В. Никипелова, Е.М. Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Панько, А.В. Ковзун, И.Г. Прокопенко, В.А. Цыганович, Е.А. Олейник, В.А. Аблец, Е.В. Никипелова, Е.М.
author_sort	Панько, А.В.
title	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)
title_short	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)
title_full	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)
title_fullStr	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)
title_full_unstemmed	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)
title_sort	наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (жсрм)
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129959
citation_txt	Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) / А.В. Панько, И.Г. Ковзун, В.А. Прокопенко, Е.А. Цыганович, В.А. Олейник, Е.В. Аблец, Е.М. Никипелова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2016. — Т. 14, № 4. — С. 627-641. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT panʹkoav nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT kovzunig nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT prokopenkova nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT cyganovičea nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT olejnikva nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT ablecev nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT nikipelovaem nanostrukturyvprocessahnanohimičeskihimikrobiologičeskihtransformacijirazdeleniâželezooksidnosilikatnyhrudnyhmaterialovžsrm AT panʹkoav nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom AT kovzunig nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom AT prokopenkova nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom AT cyganovičea nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom AT olejnikva nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom AT ablecev nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom AT nikipelovaem nanostructuresinthenanochemicalandmicrobiologicalprocessesoftransformationsandseparationofironoxidesilicateorematerialsiosom
first_indexed	2025-11-24T11:00:03Z
last_indexed	2025-11-24T11:00:03Z
_version_	1849669193577791488
fulltext	627 PACS numbers: 62.23.Pq, 68.37.Hk, 81.07.Bc, 81.70.Pg, 82.70.Dd, 83.60.-a, 83.80.Hj, 87.85.Rs Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) А. В. Панько1, И. Г. Ковзун1, В. А. Прокопенко1,2, Е. А. Цыганович1, В. А. Олейник1, Е. В. Аблец1, Е. М. Никипелова3 1Институт биоколлоидной химии им. Ф. Д. Овчаренко НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 42, 03142 Киев, Украина 2Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Победы, 37, корп. 4, 03056 Киев, Украина 3ГУ «Украинский научно-исследовательский институт медицинской реабилитации и курортологии МОЗ Украины», пер. Лермонтовский, 6, 65014 Одесса, Украина С использованием физико-химических и микробиологических методов, а также методов физико-химической геомеханики изучено влияние наноструктур на процессы нанохимических и микробиологических трансформаций железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ) и показана их взаимосвязь с последующими процессами разделения, обогащения и очистки таких материалов. Отмечено лимитирующие влияние наноструктур на все стадии последовательно протекающих процессов природных и техногенных трансформаций ЖСРМ. На осно- вании полученных результатов дано научное обоснование разработан- ных методов переработки и очистки ЖСРМ от примесей алюмосилика- тов и мышьяка, фосфора и серы, а также даны рекомендации по их усовершенствованию. Практическая реализация разработанных эколо- гически безопасных безотходных методов позволила получить из бед- ных ЖСРМ высокообогащённые магнетитовые и металлизированные концентраты, очищенные на 90–95% от примесей. З використанням фізико-хемічних і мікробіологічних метод та метод фізико-хемічної геомеханіки вивчено вплив наноструктур на процеси нанохемічних і мікробіологічних трансформацій залізооксидносилікат- них рудних матеріялів (ЗСРМ) та показано їх взаємозв’язок із наступ- ними процесами розділення, збагачення й очищення таких матеріялів. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 2016, т. 14, № 4, сс. 627–641  2016 ІМÔ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН Óкраїни) Надруковано в Óкраїні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 628 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др. Відзначено обмежувальний вплив наноструктур на всі стадії процесів природніх і техногенних трансформацій ЗСРМ, які послідовно перебі- гають. На основі одержаних результатів дано наукове обґрунтування розроблених метод перероблення й очищення ЗСРМ від домішок алю- мосилікатів та Арсену, Ôосфору та Сульфуру, а також дано рекоменда- ції стосовно їх вдосконалення. Практична реалізація розроблених еко- логічно безпечних безвідходних метод уможливила одержати з бідних ЗСРМ високозбагачені магнетитові та металізовані концентрати, очи- щені на 90–95% від домішок. The impact of nanostructures on the nanochemical and microbiological iron-oxide-silicate ore materials (IOSOM) transformation processes is stud- ied using physicochemical, microbiological and physicochemical geome- chanical methods, and their correlation with subsequent processes of sepa- ration, purification and enrichment of these materials is shown. Nanostructure limiting impact on all stages of sequential processes of the natural and technogeneous IOSOM transformations is noted. Based on ob- tained results, a scientific substantiation of the developed methods of IOSOM processing and purification from aluminosilicates, arsenic, phos- phorus and sulphur impurities is given, and recommendations for their improvement are given too. Practical implementation of environmentally safe and waste-free developed methods allows fabrication of highly en- riched (up to 90–95%) magnetite and metallic concentrates from the poor IOSOM. Ключевые слова: железооксидносиликатные материалы, физико- химическая геомеханика, биоколлоидные взаимодействия, очистка от мышьяка и фосфора. Ключові слова: залізооксидносилікатні матеріяли, фізико-хемічна гео- механіка, біоколоїдні взаємодії, очищення від Арсену та Ôосфору. Key words: iron-oxide-silicate ore materials, physicochemical geomechan- ics, biocolloidal interactions, purification from arsenic and phosphorus impurities. (Получено 1 декабря 2016 г.; после доработки — 9 декабря 2016 г.) 1. ВСТУПЛЕНИЕ Среди природных дисперсных горных пород, особое место занима- ют широко распространённые и активно используемые в различ- ных целях железооксидносиликатные рудные материалы (ЖСРМ). Их механические, коллоидно-химические, нанохимические, мик- робиологические и в отдельных случаях термические трансформа- ции в земной коре приводят к образованию наноструктурирован- ных полиминеральных материалов, содержащих в основном окси- ды железа, кремния, алюминия, а также другие неорганические и НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 629 органические компоненты. К таким материалам, наиболее широко используемым в практических целях, относятся железооксидноси- ликатные руды с содержанием железа, в пересчёте на металличе- ское, 30–40%, как правило, с гётито-сапонитовой минерализацией, железосодержащие глины, пелитовые осадки, а также железистые кварциты [1–13]. Поскольку практическое значение ЖСРМ посто- янно возрастает, то это привлекает внимание исследователей к про- текающим в них процессам и детальному изучению их механизмов [1–8, 12, 13]. Однако пока недостаточно развиты представления о роли физико-химической механики [14] и микробиологических за- кономерностей [6, 7] в процессах нанохимического, механохимиче- ского и структурного преобразования ЖСРМ. Недостаточно обсуж- дались проблемы трансформации и метаморфизма ЖСРМ с после- дующим формированием нанодисперсных структур, их высокотем- пературного преобразования, разделения, обогащения, очистки и практического использования полученных продуктов. Требуют уточнения механизмы участия примесей силикатов, соединений фосфора, мышьяка и др. в нанохимических преобразованиях ЖСРМ. Поэтому является актуальным исследование взаимосвязи метаморфизма и трансформации ЖСРМ с их геомеханическими, химическими, микробиологическими и нанохимическими преоб- разованиями, а также с процессами восстановления при высоких температурах и очистки от примесей алюмосиликатов, мышьяка и фосфора, что и послужило основанием для постановки настоящей работы. 2. МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Электронно-микроскопические снимки образцов ЖСРМ получали на электронном микроскопе фирмы «Селми» в режиме светового поля, морфологию образцов исследовали на растровом электрон- ном микроскопе JSM6490LV фирмы JEOL (Япония) и атомно- силовом микроскопе ‘Solver PRO’. Термограммы образцов полу- чали на дериватографической установке (Венгрия). Рентгено- граммы снимали на приборе ДРОН-ÓМ1 с двумя щелями Соллера с фильтрованным CuK-излучением. Реологические исследования осуществляли на приборе ‘Rheotest 2’ (Германия), соединённом с ПК для записи данных. Химический состав образцов определяли рентгенофлюоресцентным методом. Ôизико-геомеханические и нанохимические процессы трансформации ЖСРМ в природных и техногенных условиях моделировали, используя методы физико- химической геомеханики [6, 14], а их восстановление до магне- тита или металлизированного продукта — в условиях, описан- ных в [3, 11]. Микробиологическое тестирование суспензий ЖСРМ проводили в соответствии с методиками [12]. В качестве 630 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др. основного образца для исследований использовали дисперсный гётито-сапонитовый железооксидносиликатный рудный материал (Приазовье) осадочного биоколлоидного происхождения, содер- жавший (масс.%) 32,88 Fe, 4,78 Mn, 1,13 CaO, 1,88 Al2O3, 11,11 SiO2, 1,38 P, 0,12 As и 0,09 S, а также другие железосодержащие материалы [2, 4, 6]. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Полученные реограммы типичного ЖСРМ (рис. 1) свидетель- ствуют о том, что кривые течения его водных суспензий характе- ризуются нестандартной гипераномалией вязкости, которая объ- ясняется присутствием в зонах контакта аморфных железооксид- носиликатных нанокластерных фаз, образующихся в результате механохимических и нанохимических процессов [1, 3]. Послед- а б в Рис. 1. Реограммы ЖСРМ (а, б). Зависимость вязкости () от напряже- ния сдвига (Р) осадочного ЖСРМ (в). Влажность суспензии — 45%. (●) — «прямой» и (○) — «обратный» ход кривых.1 НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 631 ние сопровождаются преобразованием слабых коагуляционных контактов в более прочные коагуляционно-конденсационные, что приводит к возрастанию вязкости суспензий [6–8], например, за счёт реакций: ч ч а аHO OH O OOH HO с с\ / / \ / \/ \ т т FeSi Fe Si FeFe и и// \ \ / \ /\ ц цOH HOHO OH O Onа а               , OH OH O Fe OOH HO HO Fe OH / \/ \ Si Si SiSi /HO Fe OH \ /\ OH HO O Fe OOH OH              . Рентгенограмма образца (рис. 2) также указывает на аморфное высокодисперсное строение ЖСРМ, причиной которого являются нанохимические и микробиологические поверхностные процессы [7]. В состав образца входили гётит, сапонит, кварц, сульфиды, нанодисперсные примеси фосфатов и арсенатов алюминия и желе- за, имеющих микробиологическое происхождение [6, 7, 12, 13]. Выводы, сделанные при анализе данных рис. 1 и 2, однозначно указывают на сложность и неэффективность водных методов обо- гащения, разделения и очистки таких аморфно-кристаллических материалов. Поэтому более рационально применение других ме- тодов, прежде всего высокотемпературных, которые взаимосвя- заны с предшествующими процессами геомеханического диспер- гирования плотных горных пород [14], последующего сноса дис- персий в водные артерии и условиями осадкообразования, проис- ходящих в озёрах, морях и океанах [6, 9, 10, 12, 15]. По данным [4, 7, 12], эти процессы также существенно зависят от биоколло- идных (микробиологических и коллоидных) изменений в суспен- зиях ЖСРМ. Они связаны с тем, что в результате селективного взаимодействия микроорганизмов с минеральными частицами биогеоценозы формируют основу осадочных железооксидносили- катных рудных месторождений [6, 7, 16]. Осадочные ЖСРМ содержат и органические вещества — про- дукты жизнедеятельности микроорганизмов наряду с живыми организмами. Такие продукты метаболизма участвуют в высоко- температурных восстановительных процессах метаморфизма 3Fe2O3C2Fe3O4CO, причём начало процесса металлизации — выше 950C, в земной коре и в трансформациях ЖСРМ в тех- ногенных восстановительных условиях [3–6] наряду с дисперс- ным углём или газообразными углеводородами (рис. 3 и 4). 632 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др. Высокотемпературным и микробиологическим воздействиям на пелитовые осадки ЖСРМ предшествуют, также очевидно взаимо- связанные с ними геомеханические и геохимические преобразо- Рис. 2. Рентгенограмма осадочного ЖСРМ: G–Гётит FeO(OH), Saponite– Сапонит.2 а б в Рис. 3. Термограммы осадочного ЖСРМ.3 НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 633 вания железосодержащих горных пород, которые следует рас- смотреть более подробно для установления их роли в последую- щих процессах. Действительно, формированию пелитовых осадков в длитель- ных природных геологических условиях в слабощелочной дис- персионной среде [8] предшествуют механические и механохими- ческие трансформации горных железосодержащих пород, также сопровождающиеся образованием нано- и микрочастиц и проте- кающие в соответствии с законами физико-химической геомеха- ники [6, 14]. При этом в соответствии с [6–8, 14], химические процессы, могут протекать в нанотрещинах с размерами 10–100 нм в соответствии с уравнениями:             2 3 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 Al O SiO H O 4 OH ( 2)H O O Al O H O O SiO H O; n m k M k M n k M m k (1) продукты реакции (1) далее реагируют по схеме: а б в Рис. 4. Термограммы смеси ЖСРМ с углём при соотношении 4:1, характе- ризующие реакцию образования магнетита 3Fe2O3C2Fe3O4CO с началом процесса металлизации выше 950С.4 634 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др.              2 2 3 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 O Al O H O O SiO H O O Al O SiO H O 2 OH ( 1)H O. M n k M m k M n m k M k (2) Образованный по реакции (2) кристаллогидрат имеет больший объем, чем исходный продукт, который участвует в реакции (1). Поэтому возникающее кристаллизационное давление разрывает (химически расклинивает) трещину, чему симбатно способствуют внешние механические нагрузки. Вода, дополнительно поступа- ющая в расширенную до микрометров первичную нанотрещину, на следующем этапе гидролитически разрушает продукт реакции (2) с высвобождением щелочи, которая диффундирует в виде рас- твора во вновь созданную вторичную нанотрещину. Процесс про- текает, как и в случае проникновения жидких фаз по межзёрен- ным границам, однако на несколько порядков быстрее и измеря- ется уже не годами, а часами [8]. Этому также способствуют нанохимические взаимодействия, которые дополняют взаимодей- ствия (1) и (2) и характеризуются реакциями: 2 SiOH OH SiO H O    Ђ , (3) SiOH SiO Si O Si OH        Ђ . (4) Реакции (3) и (4) обусловлены трансформациями в растворимых силикатах дисперсионной среды и влияют на вязкость суспензии ЖСРМ, что следует из полученных для исследуемого образца данных (рис. 5). Реакция (4) является реакцией полимеризации, и приводит к образованию нерастворимых полисиликатных наноструктур на Рис. 5. Влияние химического состава и концентрации силикатных на- нокластеров на вязкость суспензий ЖСРМ: 1 — (Si3O7 2)n; 2 — (Si2O5 2)n; 3 — (SiO3 2)n; 4 — (SiO4 4)n. 5 НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 635 поверхности трещины твёрдой фазы, а высвобожденные гидрок- сильные ионы участвуют в реакции (1), или в реакции (3). Итак, реакции (3) и (4) являются промежуточными в процессах (1) и (2), а коллоидно-химические взаимодействия, которые протекают на наноуровне на твёрдой поверхности нанотрещин железосодер- жащей силикатной породы, тесно связаны с химическими пре- вращениями в объеме дисперсионной среды [8]. Результаты, полученные в экспериментальной части работы, позволили, с учётом известных представлений [1–16], предложить обобщённую схему физико-геомеханических, механохимических и биоколлоидных процессов метаморфизма и трансформации горных железооксидносиликатных рудных материалов в осадочные ЖСРМ и железокварциты с участием нано- и микродисперсных структур (рис. 6). Микрофотографии структур, образующихся на разных стадиях процессов (рис. 6), представлены на рис. 7 и 8. Рис. 6. Схема трансформирования природных и техногенных железосо- держащих горных пород в пелитовые осадки, джеспилиты и металли- зированные материалы.6 Рис. 7. Атомно-силовое изображение металлизированных магнитных частиц, образовавшихся при 1200C по схеме рис. 6 (стадия 5).7 636 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др. Предложенная на основании аналитико-экспериментальных ис- следований схема метаморфизма и нанохимической трансформа- ции железосодержащих горных пород с участием наноструктур, микроорганизмов, а также в условиях повышенных температур (рис. 6), с образованием ЖСРМ типа пелитовых осадков и нанокри- сталлических джеспилитов, позволила дать научное обоснование последующим технологическим процессам высокотемпературной твердофазной металлизации железных руд, разделения и очистки металлизированных продуктов от неметаллических примесей. Так, согласно [3, 6, 11], можно получить металлизированный продукт путём прямого восстановления железорудного сырья угле- родным восстановителем при 900–1300C, в котором используются, например, окислённые окатыши, содержащие 67,83 масс.% Feобщ (суммарное количество примесей — 3,38%), к которому добавляет- ся флюс для удаления серы, например, известняк, а также восста- новитель, например, бурый уголь. Полученный из такой смеси ме- таллизированный продукт содержал (масс.%): 87,63 Feмет, 2,43 SiO2, 0,98 Al2O3, 0,42 CaO, 0,17 MgO, 0,42 TiO2, 0,15 MnO, 0,006 P, 0,004 S, 1,85 C (суммарное количество примесей — 4,58%). Недостатками такого способа является то, что в процессе ме- таллизации применяется высокочистый, содержащий следы фос- фора концентрат железорудного материала с высоким содержа- нием железа (67–69%), что требует значительных затрат на предварительное измельчение, обогащение и очистку железоруд- а б в г д Рис. 8. Микрофотографии структур, образующихся на разных стадиях (1, 2, 3, 4, 5) процессов по схеме рис. 6.8 НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 637 ного сырья. При этом получаемый металлизированный продукт содержит 87,63% металлического железа и 4,58% примесей, то есть загрязняющих веществ в нем даже больше, чем в исходном железном концентрате (3,38%). Кроме того, способ не предусмат- ривает очистку железорудного материала от фосфора и мышьяка для удаления которых также необходимы значительные капи- тальные, материальные и энергетические затраты и новые ещё не разработанные технологии. В предложенном на основе проведённых исследований способе переработки железных руд, особенно осадочного происхождения, учитывающем установленные условия метаморфизма и транс- формации железосодержащих горных пород в нано- и микро- структурированные железооксидные рудные материалы, исполь- зуются такие материалы без предварительного их обогащения [13]. По разработанной экологически чистой безотходной техно- логии полученный при обжиге спек разделяется сухим обогаще- нием на магнитную фракцию и фракцию неметаллических алюмосиликатных примесей, обладающих вяжущими свойствами и пригодными в качестве добавок к цементам. Магнитная фрак- ция подвергается мокрому щелочному обогащению с отделением примесей фосфора и мышьяка [17]. Так, например, из мышьяк- и фосфорсодержащих ЖСРМ, восстановленных при 1200C, полу- чен после обогащения, разделения и очистки спека концентрат следующего химического состава (масс.%): 95,71 Fe, 0,09 P, 0,007 As, 0,002 S, 0,23 CaO, 0,32 Al2O3, 1,73 SiO2, 1,84 C (табл.). Такие результаты были получены с учётом геологических и тех- ногенных трансформаций ЖСРМ с образованием наноструктур- ных химически модифицированных соединений фосфора и мы- ТАБЛИЦА. Влияние концентрации NaOH и NaCl на процесс очистки металлизированного обогащённого спека.9 Концентрация, % Химический состав очищенного концентрата, % NaOH NaCl Fe Mn P As S Al2O3 SiO2 4 — 91,99 0,23 0,18 0,03 0,005 0,48 2,71 6 — 93,28 0,15 0,11 0,02 0,004 0,37 2,03 8 — 95,04 0,07 0,10 0,01 0,003 0,35 1,87 12 — 95,71 0,00 0,09 0,01 0,002 0,32 1,73 14 — 95,79 0,00 0,09 0,01 0,002 0,33 1,75 12 10 95,75 — 0,10 0,009 — — — 12 15 95,81 — 0,08 0,007 — — — 12 20 95,99 — 0,07 0,007 — — — 12 30 96,03 — 0,06 0,007 — — — 12 35 95,77 — 0,07 0,008 — — — 638 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др. шьяка. Максимальное извлечение мышьяка и отделение его от фосфора достигается в условиях каталитического твердофазного карбидного трансформирования оксида железа при 600–980C с параллельным восстановительным процессом образования магне- тита и переходом нерастворимых соединений As и P(V) в щело- черастворимые соединения As и P(III), например по схеме: [3xFe2O3](микро)C(нано)(CO, H2)[2xFe3O4](микро)CO(CO2,H2O), [3xFe2O3](микро)x(9/n2)CnH2n[2xFe3C](микро) 9xCOx/2[(9/n2)2n]H2, [Fe3C](микро)[2FeAsO4](микро)[Fe3O4](микро) [FeAs2O4](нано)FeмикроC(нано), [4Fe3C](микро)[2FePO4](микро)[FeP2O4](нано)13Fe(микро)4CO. Из анализа результатов, представленных в табл., можно сделать следующие выводы: предложенная технология, учитывающая гео- логическую историю трансформации ЖСРМ, может быть исполь- зована для разделения компонентов, обогащения и очистки метал- лизированного железорудного сырья практически любого состава и происхождения, начиная от металлургических шламов и заканчи- вая высокообогащёнными концентратами. Наиболее эффективно использование способа для переработки осадочных руд биоколло- идного происхождения, обычно содержащих 30–40% железа и марганца, а также повышенные содержания таких примесей, как фосфаты, арсенаты и силикаты. Переработка подобных руд други- ми известными методами оказывается неэффективной из-за недо- статочного удаления соединений фосфора и мышьяка. Подводя итоги проведённого исследования, следует отметить, что с использованием достижений физико-химической геомеханики, коллоидной и биоколлоидной химии, а также результатов рентге- нофазового, термографического, электронно-микроскопического, реологического и микробиологических методов установлены взаи- мосвязи механохимических, нанохимических и микробиологиче- ских процессов метаморфизма горных пород с их переходами в на- но- и микроструктурированные железооксидносиликатные мате- риалы и с последующими процессами их переработки, разделения и применения. Процессы метаморфизма на промежуточном этапе трансформации горных пород в железные руды протекают также с образованием наноструктурированных пелагических осадков с уча- стием микроорганизмов и выделяемых ими поверхностно- активных продуктов метаболизма. Определены оптимальные эф- фективные пути осуществления восстановительного обжига оса- дочных наноструктурированных железосиликатных руд с после- НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 639 дующим разделением и очисткой полученных компонентов. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Аналитический (с использованием достижений физико- химической геомеханики) и экспериментальный анализ получен- ных данных позволил установить основополагающую роль геоме- ханических, механохимических, биогеохимических и биоколлоид- ных процессов в метаморфических наноструктурных трансформа- циях горных пород в ЖСРМ. Отмечено лимитирующее влияние существовавших или образующихся по ходу процессов нано- и микроструктур на преобразования в ЖСРМ на всех взаимосвязан- ных стадиях природных и техногенных трансформаций. Показано, что природные и техногенные процессы в ЖСРМ протекают прак- тически одинаково в соответствии с установленными закономерно- стями, что позволило дать научное обоснование методов переработ- ки и очистки ЖСРМ от кремнезёмсодержащих примесей и приме- сей мышьяка, фосфора и серы. Практическая реализация разработанных на основе выполнен- ных исследований технологических методов позволила получить из бедных железосиликатных рудных материалов высокообога- щённые магнетитовые и железосодержащие (металлизированные) концентраты, очищенные на 90–95% от мышьяка и фосфора [9, 11, 17], а также разработать прогнозные рекомендации для со- вершенствования процессов переработки ЖСРМ с использовани- ем нанотехнологий. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. В. А. Олейник, А. В. Панько, М. А. Ильяшов и др., Металлофиз. новейшие технол., 33: 587(2011). 2. V. A. Oleinik, A. V. Panko, I. G. Kovzun et al., Nanomaterials: Application and Properties, vol. 2, No. 3, p. 03AET10 (3pp) (2013). 3. В. А. Олейник, Е. В. Аблец, А. В. Панько и др., Металлофиз. новейшие технол., 36: 779 (2014). 4. A. V. Panko, E. V. Ablets, I. G. Kovzun, and M. A. Ilyashov, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Chemical, Material Science and Engineering, 8: 35 (2014). 5. A. V. Panko, I. G. Kovzun, Z. R. Ulberg et al., Nanoplasmonics, Nanooptics, Surface Studies and Applications. Springer Proceedings in Physics (2015), vol. 183, p. 233. 6. A. V. Panko, I. G. Kovzun, Z. R. Ulberg et al., Nanophysics, Nanophotonics, Surface Studies and Applications. Springer Proceedings in Physics (2016), vol. 183, p. 163. 7. V. A. Oleinik, A. V. Panko, I. G. Kovzun et al., Proceedings of the International Conference ‘Nanomaterials: Applications and Properties’, 640 А. В. ПАНЬКО, И. Г. КОВЗÓН, В. А. ПРОКОПЕНКО и др. vol. 5, No. 3, p. 02NABM01 (4pp) (2016). 8. I. G. Kovzun and N. N. Pertsov, Nanoscience: Colloidal and Interfacial Aspects (London–New York: Taylor and Francis Group: 2010), vol. 184, p. 523. 9. Минералы Украины (Ред. Н. Р. Щербак) (Киев: Наукова думка: 1990). 10. The Encyclopaedia of Mineralogy. Encyclopaedia of Earth Sciences (Ed. K. Frye) (Pennsylvania: Hutenhinson Ross Publishing Company: 1981). 11. Ю. С. Юсфин, Н. Ô. Пашков, Металлургия железа (Москва: Академпериодика: 2007). 12. Лечебные грязи (пелоиды) Украины (Ред. М. В. Лобода, К. Д. Бабов, Т. А. Золотарёва, Е. М. Никипелова) (Киев: Куприянова: 2006). 13. А. Ю. Розанов, Г. А. Заварзин, Вестник РАН, 67: 241 (1997). 14. Н. В. Перцов, Коллоидный журнал, 63: 214 (2001). 15. В. А. Емельянов, Основы морской геоэкологии (Киев: Наукова думка: 2003). 16. В. А. Прокопенко, И. Г. Ковзун, З. Р. Óльберг, Вісник НАН України, № 10: 52 (2014). 17. Патент 2412259 РÔ (Опубликован 27.02.2011. Бюл. № 6). REFERENCES 1. V. A. Oleinik, A. V. Panko, M. A. Ilyashov et al., Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 33: 587 (2011) (in Russian). 2. V. A. Oleinik, A. V. Panko, I. G. Kovzun et al., Nanomaterials: Application and Properties, vol. 2, No. 3, p. 03AET10 (3pp) (2013). 3. V. A. Oleinik, E. V. Ablets, and A. V. Panko, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 36: 779 (2014) (in Russian). 4. A. V. Panko, E. V. Ablets, I. G. Kovzun, and M. A. Ilyashov, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Chemical, Material Science and Engineering, 8: 35 (2014). 5. A. V. Panko, I. G. Kovzun, Z. R. Ulberg et al., Nanoplasmonics, Nanooptics, Surface Studies and Applications. Springer Proceedings in Physics (2015), vol. 183, p. 233. 6. A. V. Panko, I. G. Kovzun, Z. R. Ulberg et al., Nanophysics, Nanophotonics, Surface Studies and Applications. Springer Proceedings in Physics (2016), vol. 183, p. 163. 7. V. A. Oleinik, A. V. Panko, I. G. Kovzun et al., Proceedings of the International Conference ‘Nanomaterials: Applications and Properties’, vol. 5, No. 3, p. 02NABM01 (4pp) (2016). 8. I. G. Kovzun and N. N. Pertsov, Nanoscience: Colloidal and Interfacial Aspects (London–New York: Taylor and Francis Group: 2010), vol. 184, p. 523. 9. Minerals of Ukraine (Ed. N. R. Shcherbak) (Kiev: Naukova Dumka: 1990) (in Russian). 10. The Encyclopaedia of Mineralogy. Encyclopaedia of Earth Sciences (Ed. K. Frye) (Pennsylvania: Hutenhinson Ross Publishing Company: 1981). 11. Yu. S. Yusfin, N. F. Pashkov, Metallurgiya Zheleza [Metallurgy of Iron] (Moscow: IKC ‘Akademperiodika’: 2007) (in Russian). 12. M. V. Loboda, K. D. Babov, T. A. Zolotareva, and E. M. Nikipelova, НАНОСТРÓКТÓРЫ ТРАНСÔОРМАЦИЙ И РАЗДЕЛЕНИЯ РÓДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 641 Lechebnyye Gryazi Ukrainy [Therapeutic Muds of Ukraine] (Kiev: Kupriyanova: 2006) (in Russian). 13. A. Yu. Rozanov and G. A. Zavarzin, Vestnik RAN, 67: 241 (1997) (in Russian). 14. N. V. Pertsov, Kolloidnyi Zhurnal, 63: 214 (2001) (in Russian). 15. V. A. Emelyanov, Osnovy Morskoy Geoekologii [Marine Geoecology Bases] (Kiev: Naukova Dumka: 2003) (in Russian). 16. V. A. Prokopenko, I. G. Kovzun, and Z. R. Ulberg, Vestnik NAN Ukrainy, No. 10: 52 (2014) (in Russian). 17. Patent 2412259 RF (Published 27.02.2011. Bull. No. 6) (in Russian). 1F. D. Ovcharenko Institute of Biocolloid Chemistry, N.A.S. of Ukraine, 42, Academician Vernadsky Blvd., 03142 Kyiv, Ukraine 2National Technical University of Ukraine ‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute’, Peremohy Ave., 37, Bldg. 4, 03056 Kyiv, Ukraine 3State Institution ‘Ukrainian Research Institute of Medical Rehabilitation and Balneology’, 6, Lermontovsky Lane, 65014 Odesa, Ukraine 1 Fig. 1. Rheograms of IOSOM (а, б). Dependence of the viscosity () on the shear stress (P) of sedimentary IOSOM (в). Suspension humidity—45%. (●)—‘direct’ curves, (○)—‘reverse’ curves. 2 Fig. 2. XRD pattern of sedimentary IOSOM: G—Goethite FeO(OH), Saponite—saponite. 3 Fig. 3. Thermograms of sedimentary IOSOM. 4 Fig. 4. The thermograms of IOSOM mixture with coal at a ratio of 4:1 characterizing the magnetite forming reaction 3Fe2O3C2Fe3O4CO with the beginning of the metallization process above 950C. 5 Fig. 5. Influence of both the chemical composition and the concentration of silicate nanoclusters on the viscosity of IOSOM suspensions: 1—(Si3O7 2)n; 2—(Si2O5 2)n; 3—(SiO3 2)n; 4—(SiO4 4)n. 6 Fig. 6. Scheme of transformation of the natural and technogeneous iron rocks into pelitic sediments, jaspilites and metallic materials. 7 Fig. 7. Atomic-force image of metallic magnetic particles formed at 1200C as in Fig. 6 (stage 5). 8 Fig. 8. Micrographs of structures formed at various stages (1, 2, 3, 4, 5) of process accord- ing to the scheme of Fig. 6. 9 TABLE. Effect of NaOH and NaCl concentration on purification process of metallized en- riched sinter.

Наноструктуры в процессах нанохимических и микробиологических трансформаций и разделения железооксидносиликатных рудных материалов (ЖСРМ)

Репозитарії

Схожі ресурси