|
Реферат: Диффузионный СО2 лазер с ВЧЕ-разрядом (Технология)
Автор: Ilya Chindialov (2:5020/859.43)
Содержание
1. Введение ..…………………………..…………………......…………. 3
2. Квантовое описание лазера …………………………………..…….. 4
3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный
режим, регенератор .....................................…..... 9
4. Резонатор ...................................………………..……..……............
13
5. Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма
……………………………………………………………. 17
6. Заключение ………………………………………………..………….. 25
7. Список используемой литературы
................................................ 26
1. Введение
Из всех существующих лазеров (“Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation”) длительного действия наиболее мощными, продвинутыми
в практическом отношении и приспособленными для резки материалов, сварки
металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других
операций являются электроразрядные СО2-лазеры. Большой интерес к СО2-
лазерам объясняется также и тем, что у этого лазера эффективность
преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в
сочетании с максимально достижимой мощностью или энергии импульса
значительно превосходит аналогичные параметры других типов лазеров. С
помощью их излучения производят необычные химические реакции, разделяют
изотопы. Имеются проекты передачи энергии с помощью СО2-лазеров с Земли в
космос или из космоса на Землю, обсуждаются вопросы создания реактивного
двигателя, использующего излучение лазера. За 33 года, прошедших со времени
создания первого образца (С. Пател, 1964г.) их мощность в непрерывном
режиме возросла от милливатта до многих киловатт. Сейчас выпускаются СО2-
лазеры с мощностью до 10 кВт, в том числе более 50 типов СО2-лазеров с ВЧ-
накачкой в диапазоне мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с
ВЧ-возбуждением обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в
которых для накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий
разряд постоянного тока. В частности, их конструкция и технология
изготовления проще, а надёжность, ресурс работы, удельные характеристики
существенно выше чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет
уменьшить габариты и массу технологических СО2-лазеров мощностью (1 кВт
настолько, что становится возможным размещение такого лазера на подвижном
манипуляторе промышленного робота.
Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых
лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных
решений лежит специфика пространственной структуры ВЧЕР, которая в
большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к
активной среде лазера.
2. Квантовое описание лазера
Возбуждённая частица может перейти в менее энергетическое состояние
самопроизвольно в результате спонтанного излучения, или, как его ещё
называют, радиационного распада (рис. 1). Спонтанное излучение имеет чисто
квантовую природу. Согласно квантовой механике атом или молекула не могут
находиться в возбуждённом состоянии бесконечно долго. Возбуждённое
состояние распадается с конечной скоростью, определяемой вероятностью этого
перехода в единицу времени [pic], испуская при этом квант света с энергией
h(0=(2-(1 А(2)(А(1)+ h(0 ([pic] - коэффициент Эйнштейна для
спонтанных переходов). Изменение концентрации частиц N2 на верхнем уровне в
результате спонтанных переходов описывается выражением [pic]. Кванты света,
родившиеся в результате спонтанных переходов обладают одинаковой энергией
но никоим образом не связаны между собой. Направления распространения этих
квантов в пространстве равновероятны. Так как рождение кванта может с
равной вероятностью произойти в любой момент времени, электромагнитные
волны, соответствующие этим квантам, не связаны между собой по фазе и имеют
произвольную поляризацию.
В отличие от спонтанных переходов, способных происходить в
изолированной частице, безизлучательные переходы возможны только при
наличии взаимодействия частицы А с другой частицей или системой частиц В. В
результате такого взаимодействия частица переходит из состояния 1 в
состояние 2 или наоборот без излучения кванта света и без его участия.
Процесс столкновительного возбуждения (рис.2) требует затраты кинетической
энергии [pic] и протекает по схеме А(1)+В(А(2)+В. Процесс столкновительной
релаксации на (рис.3) наоборот сопровождается переходом энергии [pic] в
поступательную энергию взаимодействующих частиц либо тратится на
возбуждение частицы В. Этот переход происходит по схеме
A(2)+B(A(1)+B+[pic]. Индуцированные, или, как их иногда называют,
вынужденные переходы в соответствии с гипотезой А. Эйнштейна могут
происходить только при взаимодействии частицы А с резонансными квантами,
удовлетворяющими условию h(0=(2-(1 т.е вероятность индуцированных переходов
отлична от нуля лишь во внешнем электромагнитном поле с резонансной
частотой (0. А. Эйнштейн предположил, что при наличии поля резонансной
частоты помимо переходов квантовой системы из состояния 1 в состояние 2,
что соответствует резонансному поглощению квантов, протекающему по схеме
А(1)+h(0(A(2) (рис.4) возможны переходы по схеме А(2)+h(0(А(1)+2h(0
(рис.5). Данный процесс индуцирования или вынужденного излучения и служит
основой квантовой электроники.
Однако энергия возбуждённых состояний не является фиксированной
величиной даже в случае изолированной частицы. Согласно принципу
неопределённости Гейзенберга неточность в определении энергии системы и
времени её существования должна удовлетворять соотношению: [pic]. Поскольку
[pic]((0 то неопределённость энергии возбуждённого состояния составляет
[pic]. Такое энергетическое размытие уровней приводит к неопределённости
частоты излучаемого кванта [pic]. Данное уширение частоты излучения
называется естественная ширина линии и является минимально возможной.
Естественная ширина линии резко растёт с ростом ( (((3) и становится
заметной в коротковолновой части спектра. Для основного перехода молекулы
СО2 лазера (0(5 сек и ширина [pic](0(3*10-2 Гц. Однако обычно ширина линии
излучения определяется не спонтанным излучением а релаксационными
безизлучательными переходами, происходящими при взаимодействии возбуждённой
частицы с другими частицами. Любой релаксационный процесс приводит к
сокращению времени жизни частицы в возбуждённом состоянии, а следовательно,
к уширению соответствующей этому состоянию линии излучения. Релаксационное
уширение происходит за счёт безизлучательных процессом при столкновении
частиц и этот процесс называют столкновительное уширение. По аналогии с
естественный шириной линии, принимая (cт - время жизни частицы в
возбуждённом состоянии столкновительное уширенение определяется как [pic].
Время жизни частицы определяется через сечение этих процессов (ст[pic] Как
правило возбуждённая частица взаимодействует с различными частицами и в
общем случае (ст[pic], где суммирование проводится по всем видам
взаимодействующих частиц. Столкновительное и естественное уширение вызвано
одной той же причиной – конечным временем жизни частицы в возбуждённом
состоянии. Форма линии уширения в обоих случаях определяется особенностью
вероятностных процессов и поэтому одинакова. Она имеет так называемый
лоренцев контур, описываемый форм-фактором [pic]. Выражение нормировано на
единицу: [pic]. Уширение линии, связанное с конечностью времени жизни
возбуждённого состояния, принято называть однородным. В случае однородного
уширения каждая возбуждённая частица при переходе излучает линию с полной
шириной [pic], спектральной формой [pic] и поглощает кванты с частотой,
лежащей в пределах контура [pic]. При однородном уширении форма линии
описывает спектральные характеристики каждой частицы и всех частиц в целом.
Но конечное время жизни частиц не является единственной причиной уширения
линий. Излучающие частицы находятся, как правило, в тепловом движении. В
соответствии с эффектом Доплера частота, испускаемая движущимся источником
колебаний, претерпевает смещение, пропорциональное скорости движения
излучателя V. Смещение частоты зависит также от угла ( между направлением
движения и линией, соединяющей излучатель с приёмником и составляет [pic].
Так как излучающие частицы движутся с различными скоростями и в различных
направлениях, то частотные сдвиги излучаемых ими линий различны. Поэтому
даже в случае отсутствия столкновений неподвижный спектральный прибор будет
регистрировать множество естественно уширенных линий, различно смещённых
относительно частоты (0. Суперпозиция этих смещённых линий и даёт
наблюдаемый профиль уширённой линии. Это так называемое доплеровское
уширение линии является неоднородным. Каждая частица в описанной ситуации
может излучать линию лишь в узком, определяемом естественным уширением,
спектральном диапазоне, сдвинутом относительно (0 на конкретную величину,
однозначно связанную со скоростью и направлением движения этой частицы.
Естественно, что и поглощать излучение с фиксированной частотой смогут
только те частицы, доплеровский сдвиг которых соответствует этой частоте.
При максвелловском распределении излучающих частиц по скоростям [pic] где
[pic] - средняя тепловая скорость; m - масса частицы. При этом линия
излучения имеет гауссов профиль, описываемый форм-фактором [pic].
Аналогично с [pic] выражение нормировано на единицу [pic].
В общем случае полная ширина линии излучения определяется всеми механизмами
уширения. Однако в реальной ситуации чаще всего преобладающим является
один. Это вызвано различным характером зависимости [pic] и [pic] от внешних
условий. Так, например, в случае газовой излучающей среды [pic] линейно
растёт с концентрацией частиц, а [pic] зависит только от температуры.
Поэтому при малых давлениях уширение будет определяться доплеровским
эффектом, а при больших - столкновениями. Спектральное распределение
излучаемой линии имеет вид симметричной резонансной кривой (рис.6) с
максимумом на частоте (=(0, спадающей до уровня половины максимальной
интенсивности при частотах [pic]. Наличие уширения энергетических уровней и
излучаемых линий, не влияя на интегральную частоту вынужденных переходов,
приводит к уменьшению вероятности переходов с конкретной длиной волны.
Т.к. линия излучения имеет спектральную форму q((), то вероятность
спонтанного излучения с заданной частотой будет определяться полной
вероятностью соответствующих переходов А12 и видом форм-фактора q(() т.е.
Wсп(()=А21*q(() где Wсп(()- вероятность спонтанного излучения. Вероятности
спонтанного и вынужденных переходов связаны между собой, поэтому
вероятность индуцированных излучения с заданной частотой W21(() также
зависит от (: W21(()=B21*q(()*(V, B21 – коэффициент Эйнштейна для
индуцированного излучения, [pic] – спектральная объёмная плотность
излучения. Интегральная вероятность индуцированного излучения W21 при этом
удовлетворяет условию [pic]. Для лоренцева вида линии форм-фактора такое
интегрирование даёт [pic], для гауссова [pic], [pic], [pic]- объёмная
плотность излучения, ( - дельта-функция. Сечение вынужденного фотоперехода
для столкновительного уширения имеет вид: [pic], для доплеровской формы
линии [pic], g1 – статистический вес уровня. Сечение вынужденного излучения
(21=(0*g1, вынужденного поглощения (12=(0*g2. Процессы индуцированного
излучения сопровождаются усилением электромагнитных волн. Пусть через
среду, в которой частицы могут находиться в состояниях 1 и 2 с энергиями
возбуждения (1 и (2 проходит поток монохроматического излучения
удовлетворяющего соотношению h(0=(2-(1. Пусть плотность частиц в этих
состояниях N1 и N2. Уравнение баланса плотности фотонов в пучке имеет вид:
[pic] где np – объёмная концентрация фотонов. [pic]. Величину [pic]
называют коэффициентом активной среды. Интенсивность света будет
усиливается по мере прохождения через среду с К>0. В противном случае при
К0. В среде с
термическим равновесием, где N1 и N2 подчиняются распределению Больцмана и
где N2 всегда меньше N1, усиление света невозможно. Таким образом,
усиление света может иметь место лишь при отсутствии термодинамического
равновесия между уровнями 2 и 2, т.е. в неравновесной среде. Среду с N2*g1-
N1*g2>0 называют средой с инверсной населённостью. Наилучшие условия
резонансного излучения получаются при больших скоростях заселения и
временах жизни верхнего уровня активных частиц и малых значениях этих
величин для нижнего уровня.
3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный
режим, регенератор
В лазере на основе СО2 используется четырёхуровневая система получения
инверсной населённости между колебательными уровнями молекул. Молекула СО2
состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов
кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы на рис.
7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода (1ОО) и несимметричные
(асимметричные) (мода (3ОО), а также поперечные этому направлению так
называемые деформационные колебания (мода (2LOO) - из-за наличия двух
взаимно перпендикулярных направлений этот тип колебаний является дважды
вырожденным. Употребляемые для описания состояния колебательно-возбуждённой
молекулы квантовые числа (1, (2L и (3 характеризуют число квантов,
соответствующих колебанию данного типа, L указывает поляризацию
деформированного колебания. Лазерный квант излучается при переходе из
состояния 001 в 100 (цифры обозначают колебательные квантовые числа в модах
(1, (2L и (3 соответственно). Возможен также переход 001(020 с длиной волны
(=9.4 мкм, но он обычно гораздо слабее. Для получения оптимальных условий
в рабочую смесь СО2-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий.
Время жизни верхнего лазерного уровня СО2 относительно спонтанных
переходов составляет (0.2 с (А21(5.1 с-1). Поэтому более интенсивно
верхние и нижние лазерные уровни расселяются (релаксируют) в результате
безизлучательных переходов при столкновениях возбуждённой молекулы с
невозбуждёнными компонентами лазерной среды по схеме на рис. 3. Однако
высокая эффективность получения инверсной заселённости в газоразрядных СО2-
лазерах обусловлена рядом причин. В электрическом разряде с высокой
эффективностью образуются колебательно-возбуждённые молекулы N2,
составляющие до 50% их общего числа. Поскольку молекула N2 состоит из двух
одинаковых ядер, её дипольное излучение запрещено и она может
дезактивироваться только при столкновении со стенкой или с другими
молекулами. При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть легко
передана молекулам СО2 поскольку существует близкий резонанс между
колебаниями N2 и модой (3 колебаний СО2. Уровень 001 только на 18 см-1
лежит выше первого колебательного уровня азота и необходимый недостаток
энергии молекулы СО2 могут получать от кинетической энергии азота. В
результате энергия, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня
и характеризуемая КПД разряда (к, для смесей СО2-N2-He может превышать 80%.
При наличии азота в смеси время релаксации, запасённой верхним уровнем
энергии (э увеличивается и становится равным [pic]. При средней плотности
выделяемой в положительном столбе разряда мощности заселённость
верхнего лазерного уровня в отсутствии генерации будет [pic]. Создание
инверсии требует малой населённости нижнего лазерного уровня. В условиях
отсутствия генерации нижние уровни СО2 находятся в тепловом равновесии с
основным, их относительная заселённость ([pic]. Для поддержания
стационарной генерации нижние уровни СО2 необходимо расселять. Этот процесс
обеспечивается добавлением в лазерную смесь расселяющих компонент, из
которых наиболее эффективен гелий. Также помимо эффективного расселения
уровня 100 гелий обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей среды за счёт
теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие на заряд, поэтому в
подавляющем большинстве существующих технологических лазеров предпочтение
отдаётся ему. Таким образом, эффективная работа СО2-ляазера требует
трёхкомпонентной лазерной смеси. Определение состава рабочей среды лазера
является сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимо
проводить в каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазера часто
используется смесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.
Частотный спектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид.
Причиной этого является наличие тонкой структуры колебательных уровней,
обусловленной существованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 –
вращения. Из-за вращения молекулы каждый изображённый на рис. 7
колебательный уровень распадается на большое количество вращательных
подуровней, характеризуемых квантовым числом j и отстоящих друг от друга на
величину энергии ((вр, (001, (100, kTr. В результате интенсивного обмена
энергий между вращательной и поступательной степенями свободы
устанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным
состояниям, описываемое уравнением [pic], где N( , N(,j – концентрации
возбужденных частиц на колебательном уровне ( и на его вращательных
подуровнях j; [pic]= 0,38 см-1 – вращательная константа. Согласно правилам
отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различными колебательными
уровнями возможны при изменении вращательного квантового числа на 1 т.е.
(j=(1. Таким образом, линия усиления рабочей среды состоит из большого
числа линий, каждая из которых уширена за счёт эффекта Доплера на величину
[pic] и за счёт столкновений на величину [pic] и для СО2-лазера вычисляются
: [pic]
[pic], где рi – парциальные давления компонент смеси.
Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от
температуры рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси и генерации
неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тг в
установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в
разряде, т.е. Тг(jE. В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного
уровня также пропорциональна jE. Поэтому если время столкновительной
релаксации [pic] не зависит от температуры газа и N001(Тг, учёт возрастания
[pic] с ростом Тг лишь ослабит зависимость N001(Тг) (пунктирная линия).
Заселённость нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным и
описывается законом Больцмана N100([pic]. В связи с этим при достижении
некоторой критической температуры Тmax инверсная заселённость лазерной
смеси исчезает. Максимальная инверсия достигается при оптимальных
температурах смеси Торt. Для смеси с (г(1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки(300К
зависимость населённости лазерных уровней от температуры показана на рис.
8. Типичные значения Тopt(400...500К, Тмах(700...800К.
Под действием электронных ударов и в результате столкновений
возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит частичная
диссоциация углекислого газа СО2 ( СО + О. Отношение концентраций СО к СО2
может достигать (12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за этого при сохраняющемся
энерговкладе возрастают потери на диссоциацию, возбуждение электронных
состояний и возбуждение колебаний СО и О2. Поэтому населённость верхнего
рабочего уровня СО2 падает и коэффициент усиления уменьшается. Поскольку
ресурс работы СО2-лазера, определенный требованиями экономичности
установки, оценивается несколькими сотнями часов, а существенный рост доли
СО и О2 определяется минутами, необходимо включение в контур регенератора,
в котором частично восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2-
лазере целесообразно применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг,
насыщенного парами H2O.
4. Резонатор
Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать
стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность излучения,
необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения
возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного
усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике
не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность
вынужденных переходов, но и так же, как резонансные контуры и волноводы
определяют спектральные характеристики излучения.
В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны
излучения существенно больше размеров контура и его спектральные
характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической
цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически
изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для
формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные
резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется
возможность формирования направленных (анизотропных) распределений
излучения в пространстве с помощью внешних антенн. В ИК и видимом диапазоне
длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом случае
оптический резонатор определяет не только частоту, но и пространственные
характеристики излучения.
Простейшим типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, состоящий
из двух параллельных зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии Lp.
В технологических лазерах резонатор Фабри-Перо используется крайне редко из-
за больших дифракционных потерь. Чаще используются резонаторы с одной или
двумя сферическими отражающими поверхностями. Свойства этих резонаторов
зависят от знака и величины радиуса их кривизны R, а также от Lp и
определяются стабильностью существования в нём электромагнитной волны.
В так называемом устойчивом (стабильном) резонаторе распределение
поля воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между
зеркалами и имеет стационарный характер. В результате попеременного
отражения электромагнитных волн от зеркал волна формируется таким образом,
что в приближении геометрической оптики не выходит за пределы зеркал в
поперечном направлении и выводится из устойчивого резонатора только
благодаря частичному пропусканию самих отражающих элементов. В случае
отсутствия потерь, излучение могло бы существовать в устойчивом резонаторе
бесконечно долго. В неустойчивом (нестабильном) резонаторе световые пучки
(или описывающие их электромагнитные волны) в результате последовательных
отражений от зеркал перемещаются в поперечном оси резонатора направлении к
периферии и покидают его.
Свойства резонаторов и характеристики создаваемых ими пучков можно
описывать и в волновом, и в геометрическом приближении. В качестве критерия
применимости этих приближений удобно использовать так называемое число
Френеля [pic], где a, L – характерные размеры задачи поперёк пучка и вдоль
направления его распространения. Условие NF>>1 соответствует применимости
геометрического приближения. При NF(1 необходимо учитывать также волновые
свойства электромагнитного излучения.
В геометрическом приближении условие устойчивости резонатора имеет
вид:[pic]. Расстояние между зеркалами Lp в этом выражении всегда
положительно, а R1 и R2 положительны только для вогнутых т.е. фокусирующих
зеркал и отрицательны для зеркал с выпуклой поверхностью. Для устойчивых
резонаторов существует стационарное распределение интенсивности
электромагнитного поля. В общем случае интенсивность излучения в устойчивых
резонаторах распределена не равномерно по всему объёму резонатора, а
сосредоточена внутри области, называемой каустикой (рис.9). Радиусы (1, (2,
этой области на зеркалах а также её минимальный радиус (0 в месте перетяжки
определяются длиной волны и параметрами резонатора (R1, R2, Lp). Для
основного типа колебаний их можно рассчитать с помощью соотношений: [pic]
Расстояния L1 L2 от места положения перетяжки до зеркал составляют: [pic]
[pic].
Наибольшее распространение получил среди устойчивых резонаторов
полуконфокальный резонатор, у которого одно зеркало плоское (R2=() а второе
имеет радиус R1=2LP т.е. его фокус лежит на плоском зеркале. Основное
удобство полуконфокального резонатора, определяющее его широкую
распространённость, заключается в возможности использования для вывода
излучения плоских окон из частично прозрачных материалов а также в
параллельности выходящего пучка. В случае использования металлических
зеркал излучение можно выводить через одно из них или систему отверстий.
Устойчивый резонатор сравнительно прост в эксплуатации. Он легко
юстируется, достаточно устойчив по отношению в разъюстировке. Его
сферические зеркала сравнительно просто поддаются изготовлению и контролю
радиуса кривизны. Поэтому они находят широкое применение в лазерной
технике, особенно в технике маломощных (( 1 кВт) лазеров. К числу
недостатков устойчивых резонаторов следует отнести несовпадение объёма
каустики с объёмом активной среды, что приводит к уменьшению КПД и
увеличению размеров лазера, а также повышенные значения плотности мощности
при перетяжке, что в случае её малых размеров может привести к оптическому
пробою. Однако самым серьёзным недостатком устойчивых резонаторов является
невысокая лучевая стойкость используемых в качестве выходных окон
диэлектрических оптических материалов. Именно это обстоятельство
ограничивает использование устойчивых резонаторов при больших плотностях
излучения.
В лазерах повышенной мощности в последнее время широкое
распространение получили неустойчивые резонаторы со сферическими
металлическими зеркалами. Наиболее часто в лазерной технике используется
телескопический конфокальный неустойчивый резонатор, дающий на выходе
параллельный пучок. Одно из его зеркал выпуклое, а другое вогнутое.
Генерация возникает в приосевой зоне. Покидающее эту зону излучение
усиливается при многократных проходах между зеркалами, смещаясь к периферии
резонатора. Относительная величина смещения положения луча на выпуклом
зеркале за один проход называется коэффициентом увеличения резонатора
[pic]. В отличие от устойчивого резонатора прозрачность неустойчивого
резонатора определяется не пропусканием излучения выходным зеркалом, а
геометрическими размерами системы. Из-за геометрического расширения
излучения его интенсивность падает на одном проходе в М2 раз. Однако в
стационарных условиях при малых внутрирезонансных потерях усиление
излучения на одном проходе также составит М2. Таким образом, весь
неустойчивый резонатор заполнен излучением с практически равной
интенсивностью, что в отличие от устойчивых резонаторов обеспечивает полное
и равномерное использование всей активной среды. Если добавить к этому
высокую лучевую стойкость металлических зеркал, то преимущество
неустойчивых резонаторов для мощных лазерных систем становится очевидным.
5. Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма
В высокочастотных разрядах ёмкостного типа (ВЧЕР) высокочастотное
(ВЧ) напряжение подаётся на электроды, которые могут быть изолированы от
разряда твёрдым диэлектриком или соприкасаться с разрядом. В этом смысле
можно условно называть ВЧЕ-разряды электродными или безэлектродными. Для
диффузионного СО2-лазера ориентировочное давление рабочей среды (20-40
торр, частота возбуждения (10-120 МГц (основная промышленная частота f(13,6
МГц). Плазма таких разрядов, как правило, слабо ионизована, неравновесна и
подобна плазме тлеющего разряда. При давлении (20 торр частота столкновений
(м примерно в 103 раз превышает частоту колебаний (=2(f, поэтому в
осциллирующем поле типа Е=Еаsin(t электроны совершают дрейфовые колебания с
амплитудой и скоростью смещений [pic] [pic] где (м – частота электронных
столкновений. При ЕА/р(10 В/(см*торр), что характерно для неравновесной
слабоионизированной плазмы молекулярных газов и промышленной частоты,
амплитуда дрейфовых колебаний А(0,1 см. Она сравнительно мала по сравнению
с типичными для экспериментов длинами разрядных промежутков вдоль поля
L(0,5-10 см. Дрейфовые скорости и амплитуды колебаний ионов в (102 раз
меньше, так что колебательное движение ионов во многих случаях можно
вообще не принимать во внимание. Даже при весьма низкой плотности
электронов ne=108 см-3 и характерной для столкновительной плазмы
электронной температуры Те=1 эВ дебаевский радиус dD(0,05см >Еопт, не может
сформироваться т.к. по условию эксперимента х < lф (lф – длина
фарадеева пространства). Основной недостаток рассмотренной схемы
заключается в её очень малом КПД, поскольку практически всё приложенное к
электродам напряжение падает на катодном слое, в котором из-за малых ne и
больших величин Е накачка активной среды не происходит, за исключением
тонкого слоя вблизи тлеющего свечения со стороны катода. Аналогичная
ситуация имеется и в сильноточном ВЧЕР. Однако благодаря существованию в
определённых условиях слаботочного режима горения ВЧЕР, когда
приэлектродные слои не пробиты и потери в них невелики, появляется
возможность использовать для накачки рабочей среды лазера поперечный разряд
с малым межэлектродным зазором но высоким КПД. Именно в этом заключается
основное преимущество ВЧЕР по сравнению с поперечным разрядом постоянного
тока. Но эксперименты показывают, что слаботочный разряд может гореть
только при значениях pL, меньших некоторого критического (pL)кр. Это
зависит от электродов и свойства газа. При pL((pL)кр слаботочный разряд
становится неустойчивым и либо переходит в сильноточную форму либо гаснет.
При pL>(pL)кр зажечь его вообще не удаётся и реализуется только
сильноточный режим. При pL50 МГц.
. Толщина приэлектродных слоёв пространственного заряда dсл в диапазоне
частот f>50 МГц составляет доли мм, что позволяет заполнить плазмой малые
межэлектродные зазоры d(1,5(3 мм.
6. Заключение
Представленные в работе данные о диффузионном СО2-лазере с
высокочастотным возбуждением показывают многие преимущества такого типа
возбуждения активной среды по сравнению с возбуждением разрядами
постоянного и переменного тока. ВЧЕ-разряд устойчивее разряда постоянного
тока, в нём достижим существенно больший энерговклад. Балластным
сопротивлениям, которые всегда оказывают благотворное действие на
стабильность разряда, можно придать ёмкостный (реактивный) характер, что
избавляет от бесполезных потерь энергии, которые о обычных омических
балластниках составляют примерно 30% подводимой электрической мощности.
Существенное преимущество ВЧЕР - это возможность избавиться от катодных
слоёв, свойственных разрядам и постоянного и переменного тока. В катодных
слоях бесполезно теряется часть энергии, кроме того, в них обычно
рождаются возмущения, от которых развивается неустойчивости. Эти
преимущества обеспечивает только слаботочная форма ВЧЕ-разряда. Поэтому
для СО2-лазера необходим именно слаботочный режим, в котором получены
рекордные мощности излучения: (0,83 Вт/см. Недостаток этого режима –
ограничение на плотность тока, длину промежутка и давление. Над
улучшением данных характеристик ведётся работа. Также большим
преимуществом является удобство работы с длинными трубками, низкие
рабочие напряжения, высокая устойчивость и однородность. Дальнейший
прогресс в области диффузионных СО2-лазеров с ВЧ-накачкой связан с
исследованием условий протекания тока на границах плазмы ВЧ-разряда с
электродами, а также решением проблем, связанных с волноводным режимом
работы резонатора, увеличение скорости теплоотвода на стенки разрядной
трубки.
7. Список литературы
1) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Физические основы создания технологических
лазеров”
2) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Инженерные основы создания технологических
лазеров”
3) Ю.П. Райзер “Физика газового разряда”
4) А.А. Веденов “Физика электроразрядных СО2-лазеров”
5) Н.А. Яценко “Газовые лазеры с высокочастотным возбуждением”
6) Н.А. Яценко “Влияние частоты накачки на параметры газовых лазеров с
высокочастотным возбуждением”
7) Ю.С. Протасов, С.Н. Чувашев “Физическая электроника газоразрядных
устройств”
8) В. Виттеман “СО2-лазер”
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Реферат на тему: Добыча золота методами геотехнологии
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КРАСНОЯРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ЗОЛОТА
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
«ДОБЫЧА ЗОЛОТА МЕТОДАМИ
ГЕОТЕХНОЛОГИИ»
Выполнил: Д.А.
Группа:
Преподаватель: Е.Л.
Красноярск - 2001
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 3
Объекты применения геотехнологии 3
Преимущества геотехнологии 3
Экономические показатели 4
2. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ КУЧНОМ
ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ ЗОЛОТА ИЗ РУД 7
Цианидное выщелачивание 7
Тиомочевинное (тиокарбамидное) выщелачивание 8
Тиосульфатное и аммиачно-тиосульфатное выщелачивание 10
Окислительное выщелачивание минеральными кислотами и солями 10
Бактериальное выщелачивание 12
Вторичные ионообменные явления в процессах выщелачивания золота 15
Методы извлечения золота из растворов и сточных вод 16
Сорбция благородных металлов активными углями 16
Извлечение благородных металлов ионообменными смолами и экстрагентами 17
Использование ферритизированных сорбентов 19
Электролитическое извлечение золота из растворов 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 22
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Объекты применения геотехнологии
Геотехнология определяется как метод добычи цветных, редких и
благородных металлов путем их избирательного растворения химическими
реагентами на месте залегания и последующего извлечения образованных в зоне
реакций химических соединений без формирования значительных пустот и
массового сдвижения вмещающих пород. К геотехнологии относят также кучное и
отвальное выщелачивание металлов, хотя эти методы являются промежуточными
между собственно геотехнологическим выщелачиванием – подземным и
гидрометаллургическим – чановым.
Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых следует
рассматривать не как конкурирующие с традиционными, а как дополняющие их.
Эти методы целесообразно применять на нерентабельных для подземного и
открытого способов объектах: на крупных месторождениях сравнительно бедных
руд, где значительный экономический эффект может быть получен за счет
масштабности производства; на мелких залежах и рудопроявлениях богатых руд
на месторождениях, отработанных традиционными методами, для извлечения
полезных компонентов из оставшихся целиков и забалансовых руд; на отвалах
забалансовых руд и хвостов обогащения закрытых и действующих горных
предприятий.
Преимущества геотехнологии
Наиболее экономичным является подземное скважинное выщелачивание на
новых месторождениях, когда проницаемость руды для раствора достаточна и
предварительное дробление не требуется. В этом случае отпадает
необходимость транспортировки руды от рудника, не нужны хвостохранилища,
появляется возможность полной автоматизации процесса, исключается опасный
труд человека под землей, резко (примерно в три раза) сокращаются объемы,
сроки ввода и освоения промышленных мощностей, не происходит вредных
выбросов газов и пыли.
Основной проблемой подземного выщелачивания является обеспечение
защиты от проникновения промышленных растворов в подземную гидросеть. В
связи с этим требуется тщательное геологическое изучение объекта, особенно
в плане тектонических нарушений. При наличии разломов или зон
трещиноватости необходимо проведение работ с целью создания искусственных
водонепроницаемых экранов путем закачки бетонной смеси в плоские щели,
сформированные методом гидроразрыва, который разработан в институте Горного
дела СО РАН.
Кучное выщелачивание на специально подготовленных основаниях
максимально снижает возможность утечки промышленных растворов. Однако
себестоимость готовой продукции становится несколько выше, чем при
подземном выщелачивании, но существенно ниже, чем при традиционных методах
добычи.
Кучное и, в меньшей степени, подземное выщелачивание давно и широко
используются в разных странах (США, Испании, Чили, Чехословакии, Канаде,
Мексике, Перу, Замбии, Австралии, ЮАР и др.) для добычи урана, меди, золота
и серебра. Известны запатентованные разработки по выщелачиванию свинца,
цинка, молибдена, вольфрама, олова, мышьяка, висмута и других металлов. В
нашей стране в промышленном масштабе этими методами добывался только уран,
а медь, золото и серебро извлекались лишь на опытно-промышленных установках
малой производительности. В последние годы, в связи с некоторым подъемом в
экономике, интерес промышленников к геотехнологии усилился. Начато
внедрение кучного выщелачивания на горнодобывающих предприятиях Рудного
Алтая. Планируется использование геотехнологии для добычи золота и меди в
Забайкалье. Можно надеяться, что геотехнологические методы найдут
применение в России при добыче цветных и благородных металлов.
Экономические показатели
По оценке американских специалистов капитальные затраты на организацию
кучного выщелачивания золотосодержащей руды производительностью 180 т/сут
(без учета расходов на горные работы) составляют $ 200 тыс., при этом
затраты на цианид натрия не превышают $ 0.15, а потребление электроэнергии
– 0.0003 кВт * ч на 1 т руды.
Если расходы на извлечение золота по стандартной технологии (чановое
выщелачивание с предварительным перемешиванием, осаждение золота цинковой
пылью) принять за единицу, то для геотехнологического варианта (кучное
выщелачивание с предварительным дроблением руды, осаждение золота на угле,
электролиз) они составят 0.32. Соответствующее соотношение эксплуатационных
затрат составляет 1:0.66.
Традиционная технология экономически выгодна, когда содержание золота
в руде не менее 1.74 г/т (эта цифра зависит от цены золота на мировом
рынке), а кучное выщелачивание – при содержании золота до 0.96 г/т.
На руднике Эберли (США) капитальные вложения на кучное выщелачивание
составили $ 600 тыс., а эксплуатационные расходы – 11.5 $/т. Затраты
распределяются так:
| |$/т |% |
|Добыча руды (рабочая сила, взрывные |2,44 |21,2 |
|работы техн. обслуживание, | | |
|страхование и прочее) | | |
|Кучное выщелачивание: | | |
|оплата труда: | | |
|– рабочих |1,05 |9,14 |
|– инженерно-технических работников | | |
|электроэнергия и топливо |0,78 |6,78 |
|реагенты |0,77 |6,7 |
|вода |0,83 |7,22 |
|техническое обслуживание |0,11 |0,96 |
|плата землевладельцу за разработку |0,48 |4,17 |
|недр | | |
|дробление руды и укладка в кучи |1,05 |9,15 |
|процесс сорбции золота на угле |0,44 |3,83 |
|десорбция золота и электролиз элюата|0,26 |2,26 |
| | | |
|химические анализы |0,26 |2,26 |
|отчисления на оборудование |0,13 |1,13 |
| |2,90 |25,2 |
|Всего |11,5 |100,0 |
Таким образом, кучное выщелачивание золота экономичнее традиционных
методов добычи по всем показателям.
Технико-экономическая эффективность кучного и сорбционного
выщелачивания золота из рудного сырья в зависимости от содержания золота,
производительности установки, материала основания под рудный штабель,
крупности дробления руды и т.д. приведена в [3] применительно к
экономическим условиям России.
Ниже даны два варианта расположения установки для выщелачивания:
– в непосредственной близости от источника сырья (транспортировка руды
осуществляется не более чем на 1 км, требуется сооружение хвостохранилища
для слива жидких отходов);
– в районе хвостохранилища золотоизвлекательной фабрики (транспортировка
руды производится на расстояние до 10 км).
Эффективность кучного выщелачивания рассматривалась для песчано-
глинистых и кварц-карбонатных руд с содержанием золота 1.5; 2.0; 2.5 г/т
при производительности установки 50, 100 и 200 тыс. т/год.
Известно, что для песчано-глинистых руд, требующих более длительного
выщелачивания, целесообразно использовать одноразовые основания – глиняные
с пленочным экраном. Для кварцевых руд, цикл обработки которых короче,
можно применять бетонные основания. Метод кучного выщелачивания золота
оказывается экономически приемлемым даже в случае дробления руды до
крупности -5 мм, если содержание золота в руде не ниже 1 г/т и
производительность установки не менее 100 тыс. т/год. Кучное выщелачивание
следует проводить в непосредственной близости от источника сырья, так как
расходы на транспорт превышают затраты на сооружение хвостохранилища. Этими
же авторами [3] рассмотрена эффективность кучного выщелачивания золота
малотоксичными и нетоксичными, в сравнении с цианидами, растворителями.
Показано, что при бактериальном выщелачивании значительный экономический
эффект достигается за счет резкого сокращения издержек на обезвреживание
жидких отходов.
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ КУЧНОМ
ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ ЗОЛОТА ИЗ РУД
Золотосодержащие руды, пригодные для переработки методом кучного
выщелачивания, разделяют на следующие типы:
1) известковый алеврит с субмикронными частицами золота и примесями пирита,
галенита, киновари, стибнита;
2) окремненные алевролиты с микронными частицами золота, часто связанными с
остаточными окислами железа;
3) песчаная и доломитовая руда, содержащая золото в межзерновом
пространстве;
4) жильная кварцевая руда;
5) изверженные горные породы с небольшими кварцевыми жилами со свободным
золотом.
Цианидное выщелачивание
Цианидное выщелачивание на сегодняшний день является основным способом
извлечения золота из руд, как в традиционной технологии, так и при
геотехнологической добыче. В качестве реагента используются соли циановой
кислоты – цианиды натрия или калия концентрацией 0.02–0.3%. Растворение
золота происходит по реакции 2Au + 4KCN + 0/2O2 + Н2O = 2KAu(CN)2 + 2КОН,
из которой следует необходимость введения в процесс окислителя – добавок в
рабочий раствор перекиси водорода, гипохлоритов калия, натрия и др. В
цианистых растворах должно быть обеспечено, кроме того, создание, так
называемой, защитной щелочи, уменьшающей разложение цианистых солей. В
подземном или кучном выщелачивании для предотвращения кольматационных
явлений предпочтительнее использование едких щелочей (КОН или NaOH), не
приводящих к увеличению в растворе содержания кальция.
Процесс цианирования золотосодержащих руд и концентратов используется
и в традиционной технологии и, соответственно, разносторонне изучен. В
частности установлено, что скорость растворения золота может
контролироваться либо концентрацией NaCN, либо кислорода; интенсивное
пассивирование золота имеет место в присутствии солей свинца; при малых
концентрациях (5–25 мг/л) серебро, свинец и ртуть ускоряют растворение
золота; в присутствии сульфосолей мышьяка скорость растворения золота резко
подавляется.
Интенсификация цианирования может быть достигнута за счет
предварительного введения извести и цемента для гранулирования материала;
использования концентрированных цианистых растворов, цианида кальция,
который дешевле NaCN, комбинированных реагентов (особенно для теллуристых и
золотосеребряных руд); введения в раствор некоторых добавок (солей таллия,
марганца, высокомолекулярных спиртов и т. д.).
Продолжительность выщелачивания колеблется от 7 до 30 суток для
дробленой руды (крупностью менее 20 мм) и до нескольких месяцев для
получаемой в результате взрыва.
При всех достоинствах цианистого процесса извлечения золота из руд у
него имеется и существенный недостаток – очень высокая токсичность
цианистых солей. До сих пор не решена проблема обезвреживания стоков,
поэтому уже давно ведется поиск альтернативных реагентов для
гидрометаллургической (в том числе и геотехнологической) переработки
золотосодержащего сырья.
Тиомочевинное (тиокарбамидное) выщелачивание
Возможным заменителем цианистых растворителей золота являются кислые
растворы тиомочевины. Впервые предложения об использовании тиокарбамидного
выщелачивания для извлечения золота из сурьмянистых руд были высказаны в
начале сороковых годов XX века. Исследования как у нас в стране, так и за
рубежом показали следующие преимущества тиомочевинного растворения, по
сравнению с цианированием: скорость процесса выше примерно в 10 раз, он
менее подвержен воздействию со стороны ионов-примесей, меньше удельный
расход и коррозионная активность реагента. Вместе с тем указывались и
отрицательные моменты: тиомочевина дороже NaCN на 25%, в окислительных
условиях она разлагается, имеются сложности при извлечении золота из
тиомочевинных растворов активированным углем.
Тиомочевинная технология перспективна для переработки
углеродсодержащих глинистых золотоносных руд, а также мышьяксодержащих. В
цианистом процессе серьезные трудности вызывает наличие меди, при
тиомочевинном растворении это осложнение частично снимается вследствие
значительно меньшей скорости ее разложения, эффективно растворяется золото
в кислых растворах в присутствии окислителя. Установлено, что наилучшим из
исследованных реагентов является раствор тиомочевины с добавками серной
кислоты и трехвалентного железа. При этом окислительно-восстановительный
потенциал не может быть ниже 125–130 мВ (из-за осаждения золота) и выше
160–165 мВ (из-за окисления свободной тиомочевины). Стабилизация его в ходе
процесса на определенном уровне может осуществляться, например, добавками
сернистого газа. Эксперименты показали, что в случае тиомочевинного
выщелачивания золото извлекаешься с большей полнотой, чем цианированием: 90
– 97% против 81–92%. Показана возможность использования растворов
тиомочевины в замкнутом цикле с концентрацией железа не выше 10–12 г/л.
В результате промышленных испытаний установлено: тиомочевинное
выщелачивание золота возможно, причем извлечение его равно или выше, чем
при планировании; в случае тонкой вкрапленности золота такое выщелачивание
не имеет кинетических преимуществ перед цианированием; тиомочевинная
технология может оказаться рентабельной даже с низким извлечением (60%)
выщелачивания углеродсодержащих руд, которые невозможно перерабатывать
иными способами, она может быть использована для переработки низкосортных
золотосодержащих отвалов.
В промышленном масштабе тиомочевина применяется лишь на предприятиях с
очень богатым концентратом, что оправдывает затраты на реагент. В России в
результате испытаний на опытных установках выявлены недостатки способа:
длительность операции закисления, высокий расход кислоты, обогащение
продуктивных растворов элементами-примесями и др.
Эксплуатационные затраты при тиокарбамидном выщелачивании в целом
примерно на 25% меньше, чем для цианирования за счет существенно (более чем
в три раза) меньших затрат на обезвреживание промышленных стоков.
Тиосульфатное и аммиачно-тиосульфатное
выщелачивание
Процессы тиосульфатного и аммиачно-тиосульфатного выщелачивания золота
протекают по следующим реакциям:
4Au + O2 + 8S2O32- + 4H+ > 4Au(S2O3) 23- + H2O,
Au + 5S2O32- + Cu(NH3)42+ > Au(S2O3) 23- + 4NH3 + Cu(S2O3)35-
Образующийся тиосульфатный комплекс золота очень прочный (константа
диссоциации равна 10-26).
Наличие растворимой меди и сульфидов может замедлить процесс аммиачно-
тиосульфатного растворения золота, если не принять специальных мер. В
частности, его рекомендуется проводить в слабоокислительной среде.
Аммиачно-тиосульфатное выщелачивание применимо к упорным для
цианистого процесса рудам: марганцевым и медистым. Оптимальные условия
сохраняются поддержанием в растворе рН на уровне 7–8 ед. Это обеспечивает
устойчивость тиосульфат-ионов. Установлено, что при их отсутствии
извлечение золота резко падает, кроме того, для повышения скорости реакции
рекомендуется вводить в систему элементарную серу. Испытания, проведенные с
рудами ряда месторождений США и Мексики, показали, что выщелачивание
реагентом, состоящим из смеси тиосульфата и сульфита аммония, обеспечивает
извлечение золота в пределах 50 – 96%. Аммиачными тиосульфатными растворами
можно добывать золото и серебро из хвостов окислительного выщелачивания в
присутствии меди.
Окислительное выщелачивание
минеральными кислотами и солями
Этот способ применим для добычи серебра и, в меньшей степени, золота.
Имеется патент на селективное солянокислое выщелачивание золота, серебра,
свинца, сурьмы и висмута из арсенатов. Процесс проводят при рН = 1 и с
наличием в растворе железа (2–4 г/л).
Для переработки материалов, содержащих благородные металлы,
рассмотрена возможность использования гидрохлорирования, имеющего некоторые
преимущества, по сравнению с цианистым процессом: большая концентрация
окислителя (молекулярный хлор) в растворе обусловливает высокую скорость
процесса; возможность получения солянокислых растворов, из которых удобно
выделять золото электролизом, переработки ряда упорных для цианирования
золотосодержащих материалов, в том числе углистых, медистых, мышьяковистых
и других, а также разделения золота и серебра при их осаждении из
солянокислых растворов.
Экологически чистый способ извлечения благородных металлов из руд, в
том числе карбонатных, включает их обработку водным раствором, содержащим
хлоридные и гипохлоридные ионы, восстановление металлов цементацией,
регенерацию ионов гипохлорита электрохимическим способом и повторное
использование выщелачивающего раствора. Гипохлорирование применяется для
предварительной обработки углеродсодержащих золотых руд перед
цианированием, чтобы извлечь золото из шлака, обогащенного сурьмой.
В опытно-промышленных масштабах исследовано извлечение золота и
серебра из анодных шламов электролиза меди с применением смеси
концентрированных кислот: 1 объем азотной и 3 – соляной.
Кроме того, теоретически и экспериментально прорабатываются варианты
выщелачивания золота иодидными, тиоцианатными растворами, а также раствором
хлорида меди.
В последнее время в США ведутся исследования по сорбционному
извлечению золота из пульпы с помощью активного угля, обладающего
магнитными свойствами. Этот способ позволяет селективно извлекать золото в
присутствии таких примесей как As, Sb и др. Ввиду того, что большинство руд
содержит магнетит в количестве 0.2–3%, необходима предварительная магнитная
сепарация руды.
Многие из перечисленных методов химического извлечения золота
используются только для чанового выщелачивания, поскольку требуют
проведения некоторых дополнительных операций.
Бактериальное выщелачивание
Существенная интенсификация процесса выщелачивания достигается в
присутствии бактерий. Например, тионовые бактерии Thiobacillus ferrooxidans
могут применяться для выщелачивания меди, никеля, цинка, мышьяка, кадмия,
золота и других металлов. В России и Канаде разрабатываются технологии
бактериального выщелачивания мышьяка и вскрытия тонковкрапленного золота из
упорных золотосодержащих концентратов перед их цианированием. Это позволяет
исключить дорогостоящий процесс обжига, загрязняющий атмосферу ядовитыми
соединениями мышьяка.
Упорные руды характеризуются тонковкрапленным (субмикроскопическим)
трудно вскрываемым золотом, присутствием минералов сурьмы, меди, мышьяка,
двухвалентного железа, а также сульфидов и углистых сланцев. Они не
перерабатываются обычным цианированием. Для пирротиновых, медистых и
сурьмянистых руд рекомендуются добавки PbO2 или Pb(NO3)2, интенсивная
аэрация и сравнительно низкая концентрация выщелачивающего раствора NaCN;
для углистых руд – многостадийные схемы цианирования с быстрым отделением
продуктивных растворов от твердой части пульпы; для сульфидных и
мышьяковистых руд – окислительный обжиг, в результате которого плотные
зерна сульфидов переводят в пористый гематит
2FeS2 + [pic]O2 = Fe2O3 + 4SO2,
2FeAsS + 5O2 = Fe2O3 + As2O3 + 2SO2.
Бактериальное выщелачивание позволяет решить проблему переработки
труднообогатимых руд.
Проводится поиск новых видов микроорганизмов, которые способны
функционировать не только в кислой, но и в нейтральной и в щелочной средах.
Как показали опыты, проведенные в СССР и в Индии, специальное внесение
бактерий в рудную массу необязательно. Путем адаптации с использованием
различных мутагенных факторов можно получить культуру со свойствами,
необходимыми для ее промышленного применения.
Пионерами исследований по бактериальному выщелачиванию золота были
институт Пастера (Франция) и университет г. Дакар (Сенегал). Информация об
этих работах появилась в печати в 60-х годах XX века.
Бактериальные методы извлечения золота из руд базируются на
результатах изучения микрофлоры крупных золоторудных месторождений,
позволивших выделить культуры доминирующих видов бактерий и грибов.
Установлено, что повышенной активностью в процессе растворения золота
обладают представители родов Bacillus, Bacterium, Chromobacterium, а также
полученные на основе индуцированного мутагенеза штаммы бактерий Bac.
mesentericus niger 12 и 129.
Микроскопические грибы, в отличие от бактерий, способны аккумулировать
золото из растворов. Наиболее эффективны представители родов Aspergillus
niger и Aspergillus oryzae.
В процессах бактериального выщелачивания золота определяющая роль
принадлежит продуктам микробного синтеза: аминокислотам, пептидам, белкам и
нуклеиновым кислотам. Углеводы в растворении золота участия не принимают.
Экспериментально установлено, что в кислой среде белки осаждают золото, а в
щелочной – растворяют. Солерастворимые белки микробного синтеза существенно
лучше действуют на золото, чем глобулин животного происхождения.
Реакционная способность пептидов зависит от их молекулярного веса: чем он
меньше, тем выше растворимость золота.
В результате исследований факторов, регулирующих выщелачивание золота
продуктами метаболизма гетеротрофных микроорганизмов, определено, что
начальной стадией процесса является биосинтез золоторастворяющих
соединений, который рекомендуется проводить в течение 2–3 суток при рН
среды 5.5–6.5, температуре 30-35?С и загрузке 3–4-х суточного посевного
материала в количестве 4–5%. Основной процесс выщелачивания золота следует
проводить при рН 9–10 в присутствии окислителя металла.
Исследованы механизм и кинетика растворения золота в водно-щелочных
смесях малоно-нитрила. Показано, что наибольшая эффективность его
проявляется в области рН 10 – 11, концентрация золота может достигать 65–70
мг/л, но уже при рН > 11.5 растворимость золота резко падает, а в кислой
среде она практически не происходит.
Разложение золота существенно возрастает при использовании
модифицированных гуминовых кислот, полученных путем нитрирования и
сульфирования природных гуматов, а концентрация достигает 48–50 мг/л, что в
15–16 раз выше, чем с природными гуминовыми кислотами.
Для кучного выщелачивания золота аминокислотами микроорганизмов
смонтирована установка и проведены испытания на песчаной руде (0.75 г/т Au)
крупностью –300 +0 мм. Наибольшей величины концентрация золота в
продуктивных растворах достигла в первые 5–6 суток. При средней скорости
фильтрации 12–15 л/т * сутки за 12 суток было извлечено 46.7% золота и
израсходовано 0.6 кг аминокислот, 0.4 кг перманганата калия и 4 кг
гидроксида натрия на тонну руды.
Одной из наиболее активных по отношению к золоту группой бактерий
является разновидность, относящаяся к виду Aeromonas. И. Парес, изучавший
бактериальное выщелачивание золота, пришел к следующим выводам: наиболее
сильной растворяющей способностью обладают бактерии, отобранные на самих
золотоносных месторождениях; растворение Au осуществляется в несколько
этапов (скрытая фаза, фаза нарастания интенсивности выщелачивания и
стабильная фаза), примерно через 12 месяцев интенсивность выщелачивания
резко снижается; бактерии, активно действующие на золото, разрушаются
обычными микроорганизмами, живущими в воздухе; на растворение золота в
числе других факторов большое влияние оказывает состав питательной среды.
В Иркутском государственном институте редких металлов проводились
эксперименты по бактериальному выщелачиванию золота из руд различных
месторождений. Изучен состав рудничных вод и пород с целью получения
культур, способных интенсифицировать процесс выщелачивания золота.
Установлены следующие микроорганизмы: Bacillus, Bacterium, Chromobacterium,
Pseudomonas, Micrococcus, Sarcina, Thiobacillus. Показано, что в
присутствии продуктов метаболизма бактерий выщелачивание протекает быстрее
(в 2-4 раза). Разложение золота значительно возрастает с наличием
окислителя и при использовании новых мутантов, полученных в результате
воздействия на бактерии ультрафиолетового излучения в комбинации с
химическим мутагеном – этиленимином: 1.5–2 против 0.4 мг/л без мутантов.
Еще большая растворимость золота может быть достигнута путем разрушения
клеточных оболочек различными реагентами (до 10–18 мг/л).
Вторичные ионообменные явления в процессах
выщелачивания золота
Выщелачивание золота различными растворителями сопровождается
некоторыми побочными явлениями, снижающими извлечение металла или
ухудшающими кинетические показатели. Этот вопрос пока еще недостаточно
изучен. Существенную роль в процессах, протекающих в системах типа «вода-
порода», играют поверхностные явления – сорбция, ионный обмен и т.д.
Известно, что золото обладает способностью довольно активно сорбироваться
различными минералами, особенно сульфидными и глинистыми. Соответственно,
минеральный состав золотосодержащих пород должен быть оценен и с этих
позиций.
Условия, способствующие и | |
