gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2023-09-154gscience-576Research ArticleBENEFICIATION AND PROCESSING OF NATURAL AND TECHNOGENIC RAW MATERIALSОБОГАЩЕНИЕ, ПЕРЕРАБОТКА МИНЕРАЛЬНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯOptimizing composition and application conditions of agents for modifying spectral characteristics of diamonds in X-ray luminescence separationОптимизация состава и режима применения реагентов-модификаторов спектральных характеристик алмазов в процессе рентгенолюминесцентной сепарацииhttps://orcid.org/0000-0002-4410-8182ЧантурияВ. А.ChanturiyaV. A.

Валентин Алексеевич Чантурия – доктор технических наук, профессор, академик РАН

Scopus ID 7004497128

г. Москва

Valentin A. Chanturiya – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences

Scopus ID 7004497128

Moscow

vchan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4105-944XМорозовВ. В.MorozovV. V.

Валерий Валентинович Морозов – доктор технических наук, профессор кафедры общей и неорганической химии

Scopus ID 7402759618

г. Москва

Valeriy V. Morozov – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of General and Inorganic Chemistry

Scopus ID 7402759618

Moscow

https://orcid.org/0000-0003-3637-7929ДвойченковаГ. П.DvoichenkovaG. P.

Галина Петровна Двойченкова – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

Scopus ID 8837172700

г. Москва

Galina P. Dvoichenkova – Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher

Scopus ID 8837172700

Moscow

dvoigp@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4104-9113ПодкаменныйЮ. А.PodkamennyiYu. A.

Юрий Александрович Подкаменный – кандидат технических наук, научный сотрудник

Scopus ID 57209793744

г. Москва

Yuri A. Podkamennyi – Dr. Sci. (Eng.), Researcher

Scopus ID 57209793744

Moscow

https://orcid.org/0000-0002-3382-6007ТимофеевА. С.TimofeevA. S.

Александр Сергеевич Тимофеев – старший научный сотрудник

Scopus ID 57191282007

г. Москва

Aleksandr S. Timofeev – Leading Researcher

Scopus ID 57191282007

Moscow

Институт проблем комплексного освоения недр РАНРоссияResearch Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20232911202384313326Copyright © Chanturiya V.A., Morozov V.V., Dvoichenkova G.P., Podkamennyi Y.A., Timofeev A.S., 20232023Чантурия В.А., Морозов В.В., Двойченкова Г.П., Подкаменный Ю.А., Тимофеев А.С.Chanturiya V.A., Morozov V.V., Dvoichenkova G.P., Podkamennyi Y.A., Timofeev A.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/576

One of the research areas focused on improving the efficiency of diamond-bearing kimberlite beneficiation processes involves the utilization of technology aimed at enhancing the recovery of weakly and anomalously luminescent diamonds during the X-ray luminescence separation process using luminophore-containing chemical agents. The objective of this research was to select the optimal composition of agents that modify the spectral characteristics of minerals and the conditions for their application. A crucial factor for process efficiency is the effective attachment of modifying agents to diamond crystals while avoiding similar attachment to kimberlite mineral surfaces. This is achieved through the use of organic collectors with an optimal composition, characterized by their ability to both adhere to the diamond surface and retain inorganic luminophore grains. The evaluation of luminophore attachment efficiency was performed using visiometric analysis in the UV range. The capability of diamonds to retain luminophore collector droplets or films on their surfaces was evaluated using a technique to measure the three-phase limiting wetting angle. The spectral and kinetic characteristics of diamonds and their recovery during the X-ray luminescence separation process were determined using a separator “Polyus-M”. The feasibility of purposefully modifying the spectral characteristics of weakly and anomalously luminescent diamonds through luminophore-containing compositions based on zinc sulfides and zinc orthosilicate has been confirmed through the conducted studies. By considering the criterion of selectivity in the attachment of luminophore emulsion to diamonds and kimberlite minerals, calculated based on the measured surface concentrations of luminophores on the minerals, the optimal ratios between the masses of inorganic luminophore, organic collector, and the aqueous phase of the emulsion were determined. Dispersing agents that offer selective binding of luminophores to diamond crystals were identified, and rational parameters for the composition of the organic collector were established. The temperature range for treating diamond-containing material was defined. As a result of bench testing the modifying agents with the selected composition and conditions for their application in the diamond-containing material treatment cycle before XRF separation, it was confirmed that the recovery of anomalously and weakly luminescent diamonds could exceed 90%, while keeping the yield of kimberlite minerals in the concentrate below 1%.

Одним из направлений повышения эффективности процессов обогащения алмазосодержащих кимберлитов является применение технологии, способствующей извлечению слабо и аномально люминесцирующих алмазов в процессе рентгенолюминесцентной сепарации с применением люминофорсодержащих реагентов. Задача исследований заключалась в выборе рационального состава реагентов-модификаторов спектральных характеристик минералов и режима их применения. Основным условием эффективности процесса является интенсивное закрепление реагентов-модификаторов на кристаллах алмазов без аналогичного закрепления на поверхности кимберлита, что обеспечивается применением органических коллекторов оптимального состава, характеризующихся способностью как адгезионно закрепляться на поверхности алмазов, так и удерживать зерна неорганических люминофоров. Оценка эффективности закрепления люминофоров выполнена с использованием методики визиометрического анализа в УФ излучении. Оценка способности алмазов удерживать на поверхности капли или пленки коллектора с люминофорами выполнена с использованием методики измерения величины трехфазного краевого угла смачивания. Спектрально-кинетические характеристики алмазов и их извлечение в процессе рентгенолюминесцентной сепарации были определены на сепараторе «Полюс-М». В результате проведенных исследований установлена возможность целенаправленного модифицирования спектральных характеристик слабо и аномально светящихся алмазов люминофорсодержащими композициями на основе сульфидов цинка и ортосиликата цинка. С использованием критерия селективности закрепления люминофорсодержащей эмульсии на алмазах и минералах кимберлита, рассчитываемого по величинам измеренных поверхностных концентраций люминофоров на минералах, определены оптимальные соотношения между массами неорганического люминофора, органического коллектора и водной фазы применяемой эмульсии. Выбраны реагенты-диспергаторы, обеспечивающие селективное закрепление люминофоров на алмазных кристаллах. Установлены рациональные параметры состава органического коллектора. Определены границы температурного режима процесса обработки алмазосодержащего материала. В результате стендовой апробации реагентов модификаторов выбранного состава и режимов их применения в цикле обработки алмазосодержащего материала перед процессом РЛС установлена возможность достижения извлечения аномально и слабо люминесцирующих алмазов более чем на 90 % при значениях выхода кимберлита в концентрат, не превышающих 1 %.

алмазыкимберлитспектральные характеристикилюминофорыреагент-модификаторселективностьлюминесценциясепарация diamondskimberlitespectral characteristicsluminophoresmodifying agentselectivityluminescenceseparationdiamondskimberlitespectral characteristicsluminophoresmodifying agentselectivityluminescenceseparationИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21–17-00020, https://rscf.ru/project/21-17-00020/.The research was carried out at the expense of grant No. 21 of the Russian Science Foundation, https://rscf.ru/project/17-00020.ReferencesМиронов В. П. Оптическая спектроскопия алмазов из концентратов и хвостов рентгенолюминесцентной сепарации. Наука и образование. 2006;(1)31–36.Mironov V. P. Optical spectroscopy of diamonds from concentrates and tailings of X-ray luminescence separation. Nauka i Obrazovaniye. 2006;(1)31–36. (In Russ.)Мартынович Е. Ф., Миронов В. П. Рентгенолюминесценция алмазов и ее использование в алмазодобывающей промышленности. Известия вузов. Физика. 2009;52(12/3):202–210.Martynovich E. F., Mironov V. P. X-ray luminescence of diamonds and its use in the diamond mining industry. Izvestiya vuzov. Fizika. 2009;52(12/3):202–210. (In Russ.)Чантурия В. А., Двойченкова Г. П., Морозов В. В. и др. Исследование механизма и выбор режимов селективного закрепления люминофорсодержащей эмульсии на алмазах. Физико-технические проблемы переработки полезных ископаемых. 2020;(1):104–113. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20200111 (Перев. вер.: Chanturia V. A., Dvoichenkova G. P., Morozov V. V. et al. Selective attachment of luminophore-bearing emulsion at diamonds-mechanism analysis and mode selection. Journal of Mining Science. 2020;56(1):96–103. https://doi.org/10.1134/S1062739120016527)Chanturia V. A., Dvoichenkova G. P., Morozov V. V. et al. Selective attachment of luminophore-bearing emulsion at diamonds-mechanism analysis and mode selection. Journal of Mining Science. 2020;56(1):96–103. https://doi.org/10.1134/S1062739120016527 (Orig. ver.: Chanturia V. A., Dvoichenkova G. P., Morozov V. V. et al. Selective attachment of luminophore-bearing emulsion at diamonds-mechanism analysis and mode selection. Fiziko-Tekhnicheskiye Problemy Pererabotki Poleznykh Iskopayemykh. 2020;(1):104–113. (In Russ.) https://doi.org/10.15372/FTPRPI20200111)Морозов В. В., Чантурия В. А., Двойченкова Г. П., Чантурия Е. Л. Анализ гидрофобных взаимодействий в системе «алмаз-органическая жидкость-неорганический люминофор» при модифицировании спектрально-кинетических характеристик алмазов. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2022;(2):94–104. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20220209 (Перев. вер.: Morozov V. V., Chanturia V. A., Dvoichenkova G. P., Chanturia E. L. hydrophobic interactions in the diamond–organic liquid– inorganic luminophore system in modification of spectral and kinetic characteristics of diamonds. Journal of Mining Science. 2022;58(2):257–266. https://doi.org/10.1134/s1062739122020090)Morozov V. V., Chanturia V. A., Dvoichenkova G. P., Chanturia E. L. hydrophobic interactions in the diamond–organic liquid–inorganic luminophore system in modification of spectral and kinetic characteristics of diamonds. Journal of Mining Science. 2022;58(2):257–266. https://doi.org/10.1134/s1062739122020090 (Orig. ver.: Morozov V. V., Chanturia V. A., Dvoichenkova G. P., Chanturia E. L. hydrophobic interactions in the diamond–organic liquid–inorganic luminophore system in modification of spectral and kinetic characteristics of diamonds. Fiziko-Tekhnicheskiye Problemy Pererabotki Poleznykh Iskopayemykh. 2022;(2):94–104. (In Russ.) https://doi.org/10.15372/FTPRPI20220209)Подкаменный Ю. А., Макалин И. А. Обоснование совокупности спектрально-кинетических параметров рентгенолюминесцентных сепараторов для селективного извлечения алмазных кристаллов. В: Проблемы комплексной и экологически безопасной переработки природного и техногенного минерального сырья (Плаксинские чтения – 2021). Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет); 2021. С. 341–345.Podkamennyi Yu. A., Makalin I. A. Substantiation of the collection of spectral-kinetic parameters of x-ray luminescent separators for selective extraction of diamond crystals. In: Problems of Integrated and Environmentally Safe Processing of Natural and Technogenic Mineral Raw Materials (Plaksin Readings – 2021). Vladikavkaz: North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University); 2021. Pp. 341–345. (In Russ.)Kondratyev S. A. Effect of Apolar Reagents and Surfactants on the Stability of a Flotation Complex Journal of Mining Science. 2000;36(4):399–407. https://doi.org/10.1023/A:1026697811202Kondratyev S. A. Effect of Apolar Reagents and Surfactants on the Stability of a Flotation Complex Journal of Mining Science. 2000;36(4):399–407. https://doi.org/10.1023/A:1026697811202Пентин Ю. А., Вилков Л. В. Физические методы исследования в химии. М: Мир; 2003.Pentin Yu. A., Vilkov L. V. Physical research methods in chemistry. Moscow: Mir Publ. House; 2003. (In Russ.)Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде Matlab. М.: Техносфера; 2006. 616 с. (Orig. ver.: Gonzales R. C., Woods R. E., Eddins S. L. Digital image processing using MATLAB. Prentice Hall; 2004.)Gonzales R. C., Woods R. E., Eddins S. L. Digital image processing using MATLAB. Prentice Hall; 2004. (Transl. ver.: Gonzales R., Woods R., Eddins S. Digital image processing using Matlab. Мoscow: Tekhnosfera; 2006. 616 p. (In Russ.))Горобец Б. С., Рогожин А. А. Спектры люминесценции минералов. М.: Изд-во ВИМС; 2001. 316 с.Gorobets B. S., Rogozhin A. A. Luminescence spectra of minerals. Moscow: Publishing House of the All- Union Institute of Mineral Raw Materials; 2001. 316 p. (In Russ.)Huhtamäki T., Tian X., Korhonen J. T., Ras R. H. A. Surface-wetting characterization using contact-angle measurements. Nature Protocols. 2018;13:1521–1538. https://doi.org/10.1038/s41596-018-0003-zHuhtamäki T., Tian X., Korhonen J. T., Ras R. H. A. Surface-wetting characterization using contactangle measurements. Nature Protocols. 2018;13:1521–1538. https://doi.org/10.1038/s41596-018-0003-zСепаратор «Полюс-М». Паспорт и инструкция по эксплуатации. СПб.: АО «Буревестник»; 2015. 134 с.Separator “Polyus-M”. Passport and operating instructions. Saint Petersburg: JSC “Burevestnik”; 2015.Mironov V. P., Emelyanov A. S, Shabalin S. A. et al. X-Ray luminescence in diamonds and its application in industry. In: Luminescence and Laser Physics: XVII International Conference on Luminescence and Laser Physics – LLPh 2019. 1–6 July, 2019. Irkutsk, Russia. 2021;2392(1):020010. https://doi.org/10.1063/5.0061972Mironov V. P., Emelyanov A. S, Shabalin S. A. et al. X-Ray luminescence in diamonds and its application in industry. In: Luminescence and Laser Physics: XVII International Conference on Luminescence and Laser Physics – LLPh 2019. 1–6 July, 2019. Irkutsk, Russia. 2021;2392(1):020010. https://doi.org/10.1063/5.0061972Liu L., Cheng G., Yu W., Yang Ch. Flotation collector preparation and evaluation of oil shale. Oil Shale. 2018;35(3):242–251. https://doi.org/10.3176/oil.2018.3.04Liu L., Cheng G., Yu W., Yang Ch. Flotation collector preparation and evaluation of oil shale. Oil Shale. 2018;35(3):242–251. https://doi.org/10.3176/oil.2018.3.04Морозов В. В., Коваленко Е. Г., Двойченкова Г. П., Чуть-Ды В. А. Выбор температурных режимов кондиционирования и флотации алмазосодержащих кимберлитов компаундными собирателями. Горные науки и технологии. 2022;7(4):287–297. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-10-23Morozov V. V., Kovalenko E. G., Dvoichenkova G. P., Chut-Dy V. A. Selection of temperature regimes for conditioning and flotation of diamond-bearing kimberlite with compound collectors. Mining Science and Technology (Russia). 2022;7(4):287–297. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-10-23Верхотурова В. А. Елшин И. В., Немаров А. А. и др. Научное обоснование и выбор оптимального варианта по восстановлению гидрофобных свойств поверхности алмазов из руды трубки «Интернациональная». Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014;(8):51–56.Verkhoturova V., Elshin I., Nemarov A., Tolstoy M. et al. Scientific justification and optimum alternative selection to recover hydrophobic properties of diamond surface from “International” tube ore. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2014;(8):51–56. (In Russ.)Авдохин В. М., Чернышева Е. Н. Современные технологии обогащения алмазосодержащих кимберлитов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010;(S1):465–477.Avdokhin V. M., Chernysheva E. N. Modern technologies of diamond-containing kimberlites enrichment. Mining Information and Analytical Bulletin. 2010;(S1):465–477.Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир; 1979. 568 с. (Orig. ver.: Adamson A. W. Physical chemistry of surfaces. New York: Wiley; 1976. 698 p.)Adamson A. W. Physical chemistry of surfaces. New York: Wiley; 1976. 698 p. (Transl. ver.: Adamson A. Physical chemistry of surfaces. Moscow: Mir Publ. House; 1979. 568 p. (In Russ.)Srdjan M. Bulatovic, in Handbook of Flotation Reagents: Chemistry, Theory and Practice i 2007. Elsevier, 458 p.https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230311Srdjan M. Bulatovic, in Handbook of Flotation Reagents: Chemistry, Theory and Practice i 2007. Elsevier, 458 p.https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230311Somasundaran P., Zhang L. Adsorption of surfactants on minerals for wettability control in improved oil recovery processes. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2006;52(1–4):198–212. https://doi.org/10.1016/J.PETROL.2006.03.022Somasundaran P., Zhang L. Adsorption of surfactants on minerals for wettability control in improved oil recovery processes. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2006;52(1–4):198–212. https://doi.org/10.1016/J.PETROL.2006.03.022Lee H., Lim H.-K., Kim H. Hydration Thermodynamics of non-polar aromatic hydrocarbons: comparison of implicit and explicit solvation models. Molecules. 2018;23(11):2927. https://doi.org/10.3390/molecules23112927Lee H., Lim H.-K., Kim H. Hydration Thermodynamics of non-polar aromatic hydrocarbons: comparison of implicit and explicit solvation models. Molecules. 2018;23(11):2927. https://doi.org/10.3390/molecules23112927Афанасова А. В., Абурова В. А., Прохорова Е. О., Лушина Е. А. Исследование влияния депрессоров на флотоактивные породообразующие минералы при флотации сульфидных золотосодержащих руд. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(6–2):161–174. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_62_0_161Afanasova A. V., Aburova V. A., Prokhorova E. O., Lushina E. A. Investigation of the influence of depressors on flotation-active rock-forming minerals in sulphide gold-bearing ore flotation. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(6–2):161–174. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_62_0_161Chmielewská E., Hodossyová R., Kovaľaková M., Urík M. Comparable phosphate adsorption onto some natural aluminosilicates vs. Fe(III)oxihydroxide. Desalination and Water Treatment. 2016;(16):7387–7395. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1017008Chmielewská E., Hodossyová R., Kovaľaková M., Urík M. Comparable phosphate adsorption onto some natural aluminosilicates vs. Fe(III)oxihydroxide. Desalination and Water Treatment. 2016;(16):7387–7395. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1017008Туманян Б. П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем. М.: Техника; 2000. 336 с.Tumanyan B. P. Scientific and applied aspects of the theory of oil dispersed systems. Moscow: Technika; 2000. 336 p.Полежаева Н. И. Физико-химия нефтяных дисперсных систем. Термодинамика и кинетика фазовых переходов в нефтяных дисперсных системах. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева; 2021. 94 с.Polezhaeva N. I. Physico-chemistry of petroleum dispersed systems. Thermodynamics and kinetics of phase transitions in petroleum dispersed systems. Krasnoyarsk: Sibgau named after M. F. Reshetnev; 2021. 94 p. (In Russ.)Земцов Ю. В., Мазаев В. В. Современное состояние физико-химических методов увеличения нефтеотдачи: литературно-патентный обзор. Екатеринбург: ООО «Издательские решения»; 2021. 240 с.Zemtsov Yu. V., Mazaev V. V. The current state of physico-chemical methods of increasing oil recovery: a literary and patent review. Yekaterinburg: Publishing Solutions LLC; 2021. 240 p. (In Russ.)Лунев В. А. Математическое моделирование и планирование эксперимента. СПб.: Изд-во Политехнического университета; 2012. 153 с.Lunev V. A. Mathematical modeling and experimental planning. St. Petersburg: Publishing House of the Polytechnic University; 2012. 153 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.