Для начала немного погрузимся в существо вопроса. Любой современный горно-обогатительный комбинат представляет собой технологическую цепочку по отделению от общей массы руды всех входящих в ее состав ценных элементов. Это может быть медь, золото, палладий — все зависит от исходного состава добываемой породы. Так, например, содержание меди может измеряться килограммами и десятками килограммов на тонну, благородных металлов — считанными граммами или даже их долями. В последнем случае обычно используются другие единицы измерения — PPM, то есть количество частей на миллион. 1 PPM как раз составляет один грамм нужного металла на тонну руды.
Иголка в стоге сена
Понятно, что полезные ископаемые не всегда лежат в недрах земли красивыми слитками или напротив равномерным составом — в основном они достаточно неоднородно распределены во всем объеме месторождения. Поэтому точный химический состав уже добытой руды на конвейерной ленте может меняться ежеминутно. При этом технологическая линия по извлечению конкретного ценного химического элемента настраивается на его определенную концентрацию, отклонения от которой неизбежно ведут к потерям. Подчас довольно серьезным.
Конечно, существуют методы, позволяющие определить даже минимальное содержание в руде, например, палладия. Но до относительно недавнего времени они представляли собой лабораторные исследования, занимавшие часы, а то и дни. Такая задержка измерений не давала гибко управлять настройками технологического процесса, что оборачивалось неоптимальным извлечением и потерей металла в отвалах.
Кроме того, даже лаборатория имеет свои ограничения. Обычно проба руды измельчается и перемешивается для достижения максимальной однородности и точности анализа. Но, например, золото — мягкий, ковкий металл с высокой вязкостью — плохо поддается механическому рассеиванию по всей пробе, что затрудняет и усложняет измерение.
Поэтому задача оперативного определения концентраций благородных металлов очень актуальна для предприятий, осуществляющих их добычу.
Фотоны и австралийские скауты
Фундаментальные открытия квантовой физики XX века позволили разработать новые способы диагностики в широком смысле и, в частности, резко сократить время проведения большинства технологических анализов. Вместо отправки в лабораторию для проведения химических испытаний содержание тех или иных элементов стало возможным измерять либо прямо на конвейере, либо в установке экспресс-анализа рядом с ним. Да и в самих лабораториях, благодаря этим открытиям, появилось целое множество новых способов более точных, быстрых и мультиэлементных анализов, дополняющих или даже заменяющих классическую химию. Сейчас отработано и внедрено несколько способовоперативного определения концентрации цветных и благородных металлов, наиболее распространенные из них используют два физических феномена — фотоны и нейтроныНейтронный анализ это отдельная интересная тема, в которой у нашей страны есть солидный опыт и уникальные компетенции, однако его чувствительность в поточном исполнении как правило не превышает долей процента, соответственно, он не подходит для мониторинга благородных металлов.
Среди оставшихся инструментов можно выделить методы, которые основаны на использовании потока фотонов или, другими словами. электромагнитного излучения:
● Рентгенофлуоресцентный или рентгеноспектральный анализ (РФА, РСА): в его основе лежит облучение образца потоком фотонов рентгеновского диапазона. Попадание частиц в электронные оболочки атомов вещества вызывает в них изменения энергетического состояния, которые можно зафиксировать с помощью спектрометра. Чувствительность метода составляет сотни граммов на тонну при поточном измерении твердого вещества, что подходит для определения концентрации цветных металлов прямо на конвейере. При этом фотоны не могут проникнуть в толщу руды, они поглощаются на ее поверхности, поэтому технология подходит лишь для сильно измельченного материала с высокой однородностью (например, шихты или концентрата). Если применять этот же метод для растворенного материала (пульпы) и дополнительно использовать систему пробоотбора из потока, то порог измерения можно снизить до уровня миллионных долей (единиц ppm), но при этом время анализа увеличится до нескольких десятков минут — ничего не бывает бесплатно. Кроме этого, при измерении частиц во взвеси жидкости мы их распределяем в пространстве и получаем результат измерений почти идентичный объемному. Поэтому данный вид анализа сейчас наиболее распространен на горно-обогатительных предприятиях.
● Лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС): метод похож на предыдущий, но в нем используется когерентный фотонный пучок оптическогоспектра, испаряющий микрообъем материала и возбуждающий в нем низкотемпературную плазму — затем регистрируя переходные состояния электронов на орбитах так же, как в РФА. Отсутствие источника ионизирующего излученияделает процесс более безопасным для применения. Плюсом технологии является возможность облучать измеряемый продукт на большом расстоянии (до нескольких метров) и с высокой частотой, производя сотни измерений в секунду, что повышает представительность и точность анализа Несмотря на высокую чувствительность (примерно 1 г на тонну), минусом ЛИЭС является общий с РФА недостаток — анализировать можно только поверхностный слой материала толщиной считанные десятки микрон, либо, как упомянуто выше, измерять частицы в потоке жидкости
● Гамма-активационный анализ (ГАА): использование фотонов гамма-диапазона позволяет глубже заглянуть в массив руды и ее полуфабрикатов и получить представление о распределении элементов в их толще. Пучок таких частиц проникает на несколько сантиметров и воздействует уже непосредственно на атомное ядро, порождая изотопы и изомеры, по которым можно очень точно судить о содержании, например, золота в породе (чувствительность метода — 0,05 г на тонну). Каждое измерение занимает всего несколько десятков секунд — гораздо дольше происходит подготовка пробы — что позволяет оперативнее оптимизировать настройки всей технологической цепочки обогащения. К недостаткам ГАА можно отнести необходимость соблюдения жестких мер противорадиационной защиты, последующей утилизации активированных материалов в случае изотопного режима измерений, а также тот факт, что добиться высокой точности результатов можно, лишь помещая в установку экспресс-анализа заранее отобранные и подготовленные образцы. Помимо этого, идеально подходящая для измерений золота, ввиду фундаментальных физических явлений, эта технология намного хуже подходит для анализа платино-палладиевых элементов. Дело в том, что изотопы этой группы требуют более сильного гамма-излучения и имеют время полураспада десятки минут или даже дни, сводя на нет одно из главных преимуществ ГАА — экспрессность.
Впервые ГАА был разработан и проверен учеными ВНИИ химической технологии и ВНИИ радиационной техники Государственного комитета по использованию атомной энергии СССР еще в 60–70-х годах прошлого века. В 1976 году первая промышленная установка «Аура» заработала на месторождении Мурунтау в Узбекистане. Позже ГАА начал применяться в золотодобывающих регионах Якутии и Колымы.
На примере гамма-активационного анализа можно понять принципы работы технологического скаутинга. Так, по ряду причин, включая технические и исторические, в СССР и РФ метод гамма-активационного анализа дальнейшего развития не получил. Но, как известно, однажды открытое уже нельзя «закрыть». В 2013 году австралийские специалисты из государственной организации CSIRO (Commonwealth Scientific andIndustrial Research Organisation) объявили об успешных результатах тестирования технологии GAA (Gamma-Activation Analysis). Даже беглое изучение показывает, что разница между ГАА и GAA минимальна как по принципам измерения, так и по точности.
Воспроизведенное австралийцами открытие ученых СССР, как оказалось, имеет большой коммерческий потенциал. Сейчас сразу несколько компаний предлагают покупателям промышленные установки гамма-активационного анализа, и технология активно развивается. До сегодняшнего дня, однако, не получилось реализовать этот метод в поточном исполнении, хотя такие попытки в конце 2010х у тех же австралийцев были. ВРоссии данную технологию возрождает международная кооперация нескольких компаний, которая поставила модернизированную ГАА установку на одно из золотодобывающих предприятий и совсем недавно сообщила о разработке мобильной установки ГАА, которая размещается в четырех стандартных 40-футовых контейнерах и может транспортироваться с одного месторождения на другое.
Технологический скаутинг в России
Рост популярности технологического скаутинга во всем мире не обошел и Россию. Все больше крупных компаний выделяют ресурсы на непрерывный мониторинг новых идей, создаваемых научными коллективами и стартапами по всей планете.
Подробнее рассмотреть этот процесс можно на примере «Норникеля». Внутри компании существует подразделение «Вертикаль инноваций», отвечающее за все передовые практики горно-металлургического гиганта. Одним из важных направлений деятельности «Вертикали инноваций» является поиск самых новых инструментов в отрасли под конкретные запросы предприятия.
Одновременно прорабатываются десятки таких задач. Одна из них — поиск возможности точно определять малые концентрации целевых элементов непосредственно на конвейере в толще руды. Задача сформулирована амбициозно: к целевым элементам относятся золото, серебро и металлы платино-палладиевой группы. Метод должен иметь чувствительность менее 1 г на тонну, позволять исследовать материал в твердом состоянии по всему объему и желательно доступным на рынке прибором.
Как описано ранее, полностью удовлетворить все требования технического задания ни одна из изученных скаутами «Норникеля» технологий пока не может. Однако научная среда постоянно порождает исследования, результаты которых все ближе к искомому. Так, например, командой скаутинга была обнаружена группа канадских исследователей, экспериментально показавших возможность определять в твердой неподготовленной руде следовые концентрации палладия (менее 1 г на тонну) с помощью комбинированного метода LIBS-LIF (сочетание лазерно-индуцированной флуоресценции и лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии).
Работа скаутов продолжается, но технология LIBS-LIF уже найдена и теперь нуждается в дополнительном изучении, воспроизведении, оптимизации и, возможно, доведении до коммерческого состояния.
