تجزیهوتحلیل مواد معدنی شامل تعیین روابط شیمیایی بین و درون کانیهای معدنی است. در اینگونه تحلیلها، استفاده از تکنیکهای میکروسکوپی، روشهای طیفسنجی پرتو ایکس و طیفسنجی جرمی ضروری هستند. همچنین، کاوشگر الکترونی و روشهای فرسایش لیزری به ترتیب رویکردهایی هستند که بهطورمعمول برای تجزیهوتحلیل عناصر اصلی و کمیاب استفاده میشوند.
سنگآهن بهعنوان یکی از پرکاربردترین مواد معدنی، همزمان با افزایش تقاضا با کاهش کیفیت منابع قابلاستخراج روبرو شده است. درنتیجه این کاهش گرید سنگآهن، تلاش برای یافتن روشهایی کاراتر در تشخیص مواد معدنی از باطلهها و ارتقاء عیار سنگآهن افزایش یافته است.
تا چند دهه پیش، سنگآهن در حجمهای قابلتوجه، بدون نیاز به فرآوری زمانبر و پیچیده، روانه کارخانههای تولید فولاد میشد. بااینحال، با عبور جهان از انقلاب صنعتی ۳ و حرکت به سمت انقلاب صنعتی ۴، تقاضا بهشدت افزایش یافت و منابع باکیفیت سنگآهن جای خود را به حجمهای بسیار بزرگ از سنگآهن با درصد پایینتر آهن و نیاز بیشتر به فرآوری قسمت باارزش سنگ معدن دادند.
درنتیجه، کانیشناسی به علمی پرکاربردتر و مؤثرتر در صنعت استخراج سنگ معدن و بخصوص سنگآهن تبدیل شد. در این مقاله، نگاهی جامع بر ماهیت علم کانیشناسی، کاربرد آن در صنعت معدن خواهیم داشت و روشهای دخیل در این تجزیهوتحلیلها را مختصراً ارائه میدهیم. بهویژه، اهمیت تجزیهوتحلیل مواد معدنی در استخراج سنگآهن را بهصورت ویژه بررسی خواهیم کرد.
منظور از علم کانیشناسی چیست؟
کانیشناسی علمی است که به تمام جنبههای مواد معدنی شامل ویژگیهای فیزیکی آنها، ترکیبات شیمیایی، ساختار کریستالی داخلی، وقوع و توزیع آنها در طبیعت و منشأ شیمیایی-فیزیکی آنها میپردازد. کانیشناسی بخصوص، یک شاخه پایه در علم است؛ به این معنی که، بسیاری از علوم دیگر بر نتایج آن وابستهاند.
هدفها در مطالعات کانیشناسی بسیار متنوعاند؛ از توصیف و طبقهبندی یک کانی جدید یا کمیاب، تا تجزیهوتحلیل ساختار بلوری و تعیین آرایش اتمی داخل مواد معدنی، سنتز آزمایشگاهی یا صنعتی گونههای معدنی در دماهای بالا و فشارهای متفاوت، تحقیقات کانیشناسی به جنبههای مختلف شناسایی و بهرهبرداری از منابع معدنی میپردازند.
در صنعت معدن، از اطلاعات کانیشناسی برای درک و حل چالشهای اکتشاف، استخراج، فرآوری مواد معدنی، تولید کنسانترهها و محصولات دیگر استفاده میشود. بهطور دقیقتر، تجزیهوتحلیل مواد معدنی برای استفاده در صنعت معدن شامل تفسیر دادههای مرتبط با اکتشاف، فرآوری مواد معدنی، تصفیه و دفع باطله، هیدرو متالورژی، پیرو متالورژی و پالایش مواد معدنی است.
مؤلفههای مهمی که در تجزیهوتحلیل مواد معدنی مدنظر قرار میگیرند
در هر گزارش کانیشناسی، مؤلفههای مختلفی باید مدنظر قرار گیرند و اطلاعات ارائهشده باید متناظر با اهداف موردنظر در مراحل شناسایی، اکتشاف، فرآوری و بهرهبرداری نهایی از سنگ معدن باشند. در ادامه به اصلیترین مؤلفههایی میپردازیم که در برنامههای تجزیهوتحلیل مواد معدنی قرار میگیرند و از ارزش بالایی برای سرمایهگذاری و برنامهریزی پروژههای معدنی برخوردارند.
ویژگیهای کمی مواد معدنی
در بیشتر مراحل فرآوری و استفاده از سنگ معدن برای تولید کالاهای مختلف، اطلاعات مرتبط با ویژگیهای کمی مواد معدنی بسیار بااهمیت است. برای مثال، در مرحله فرآوری مواد معدنی، اطلاعات مرتبط با کمیت مواد معدنی هدف، ارزش سنگ معدن را تعیین میکنند؛ همچنین، اطلاعات مرتبط با کمیت گنگ و عناصر شیمیایی اضافی به مهندسان معدن کمک میکند تا فلوشیت مناسب برای جداسازی حجم اضافی و طراحی فرایندی مناسب برای خنثیسازیهای لازم را طراحی کنند.
بخصوص، در تولید سنگآهن، وقتی میزان سیلیس یا آلومینای موجود در توده سنگ معدن مشخص شود، روش پرعیارسازی، خرد کردن، و بسیاری مراحل دیگر را میتوان با دقت بهتری طراحی و پیادهسازی کرد.
روشهای زیر اصلیترین رویکردها در تعیین کمیت مواد معدنی هستند:
- پردازش تصویر مقاطع صیقلی از سنگ معدن
- شمارش تعداد نقاطِ مقطع نازک، صیقلی یا نازک-صیقلی
- استفاده از پرتو ایکس برای تجزیهوتحلیل سنگ معدن و پودرهای آن
- محاسبات منتج از بررسی ساختار شیمیایی سنگ معدن
- ترکیبهای مختلف از روشهای بالا
باید خاطرنشان کنیم که این روشها، و تمام روشهای مشابه، بسیار نمونه محور هستند. به این معنی که نتایج آنها وابستگی زیادی به نحوه انتخاب نمونه سنگ معدن دارند. بنابراین، همیشه ترکیبی از آنها بهبود بیشتری را حاصل میکند. همزمان، اتخاذ رویکردهای آماری مناسب در تهیه نمونههای اولیه بسیار کاربردی است.
اندازههای موجود در توده سنگ معدن
نحوه توزیع اندازههای مختلف بین مواد موجود در توده سنگ معدن، معیاری اساسی برای توصیف ذرات و دانههای معدنی استخراجشده است. توزیع اندازه را معمولاً با اندازهگیری نسبت مواد در محدودههای مختلف مشخص میکنند.
در فرآوری مواد معدنی، دادههای حاصل از سنجش اندازه مواد مختلف، برای سنجش تناسب مواد برای ورود به مراحلی چون خرد کردن، جداسازی، تولید کنسانتره و … استفاده میشوند. این دادهها بهویژه، اساس تعیین نحوه و میزان آسیاب سنگ معدن استخراجشده هستند.
درجه آزادسازی کانی
لازمه تجزیهوتحلیل کانیشناسی سنگ معدن آسیابشده، تهیه گزارش مرتبط با درجه آزادسازی کانی است. در بیشتر موارد، یک نگاه سریع به بخشهای صیقلی سنگ معدن از دریچه میکروسکوپ نوری کافی است تا میزان آزادی ذرات معدنی مشخص گردد. بااینحال، در تودههای پیچیدهتر امکان خطای انسانی بالا میرود و نیاز به بررسیهای دقیقتری از درجه آزادسازی کانیهای معدنی احساس خواهد شد.
بهویژه، پردازش تصویر و استفاده از فناوریهای یادگیری ماشین، ابزارهایی کارا و بهروز در تعیین اندازه مواد رها نشده قبل و بعد از مرحله آسیاب کردن هستند. درنهایت، گرید سنگ معدن معیار مناسبی برای تعیین میزان آزادسازی کانیهای معدنی است.
بافت
همه بافتها، ازجمله بلورینگی، روابط مرزی دانههای معدنی، جهت دانه و رگهها، بر روی فرایندهای مختلف در فرآوری سنگ معدن تأثیر میگذارند. بااینحال، اندازه دانههای معدنی و پیوند بین دانهها، ویژگیهای اصلی هستند که بر سطح شکنندگی سنگ و درجه آزادسازی آن اثر میگذارند.
برای مثال، وقتی پیوند بین دانههای معدنی بسیار قوی است، درجه آزادسازی آنها بسیار پایین است و پیوندهای قوی باعث میگردند که مراحل بیشتر و قویتری در خرد کردن و آسیاب سنگ معدن اتخاذ شوند. همچنین، وجود رگههای زیاد و متشکل از مواد مختلف، نشان از امکان خرد شدن سادهتر سنگ معدن دارد. این ویژگیها از بافت سنگ معدن، اصلیترین معیارها در تعیین نوع تجهیزات موردنیاز برای خرد کردن سنگ هستند.
شیوههای رایج در تشخیص ویژگیهای مختلف از مواد معدنی
در طول چند دهه گذشته، شیوهها و ابزارهای بسیاری برای شناسایی ویژگیهای کانیشناسی سنگ معدن ارائه و توسعه یافتهاند. ازجمله مهمترینِ آنها به موارد زیر اشاره میکنیم:
- رصد مواد معدنی با میکروسکوپ الکترونی مجهز به تحلیلگر پرتو ایکس (XRD)
- رصد محیطی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی
- تجزیهوتحلیل میکروپروب
- پردازش تصاویر زمینی و هوایی
- تحلیلگر پروتونی پرتو ایکس
- طیفسنج جرمی یونی ثانویه
- طیفسنج جرمی یونیزاسیون لیزری
- تجزیهوتحلیل مادونقرمز
نتایج حاصل از اعمال این روشها، افق گستردهتری بر دانش کانیشناسی گشوده است. بخصوص، با استفاده از این شیوههای جدید، بهرهوری سیستم فرآوری مواد معدنی بالا رفته و کنسانترههای سنگآهن مرغوبتر با صرف هزینه پایینتر تولیدشدهاند.
از اطلاعات حاصل از مطالعات کانیشناسی در مراحل مختلفی از زنجیره ارزش معدن استفاده میشود. ۳ مؤلفه اصلی از نتایج کانیشناسی را میتوان بهصورت زیر بیان کرد:
- پیشبینی و تعیین محل منابع سنگ معدن
- پتانسیل محیط در استخراج نوع خاصی از عناصر و فلزات معدنی
- رفتار توده سنگ معدن در طول فرایند فرآوری
درنهایت، با استفاده از این تحلیلها، سنگ معدنی با عیار بالا و کنسانترههای مشتقشده بهتری تولید میشوند. همچنین، باطلههای معدنی سمزدایی میشوند تا کمترین آسیب را به محیطزیست بزنند. این تحلیلها اولین و بنیادیترین گامها در ایجاد توازن بین عنصرهای مختلف در یک محصول معدنی هستند و وجود آنها تضمینی بر بهرهوری حداکثری و سرمایهگذاری هدفمند در شرکتهای معدنی است.
در ادامه، برخی از شیوهها و ابزارهای رایج در تشخیص ویژگیهای کانیشناسی مورداستفاده در معادن را بهطور خلاصه توضیح میدهیم.
میکروسکوپهای نوری
نمونههای دستچین، نمونههای حاصل از مراحل حفاری اکتشافی و قطعات بزرگ سنگ معدن را معمولا در نور معمولی و با میکروسکوپ دوچشمی با بزرگنمایی حدود ۲X تا ۱۰۰X موردبررسی قرار میدهند. این مرحله، سکویی برای اتخاذ روشهای بعدی در تعیین نوع مواد معدنی و بافت آنهاست.
بخشهای صیقلی، نازک و صیقلی-نازک از نمونههای انتخابی، یا پودرهای سنگ معدن با میکروسکوپهای نوری، که از فناوری نور قطبی منعکسشده یا گذرا استفاده میکنند، بررسی میشوند تا ویژگیهای زیر از سنگ معدن استخراج شود:
- تشخیص نوع مواد معدنی
- مشاهده بافت سنگهای معدنی، شکل ذرات و ترکیبات اضافی همراه با ماده معدنی هدف
- تعیین اندازه دانهها
- شمارش نقطهای برای تشخیص نسبت ماده معدنی به اجزای دیگر سنگ معدن
پراشسنج پرتو ایکس (XRD)
هر کانی معدنی دارای یک الگو پراش پرتو ایکس منحصربهفرد است که به ساختار بلوری و تا حدودی به ترکیبات سنگ معدن بستگی دارد. این الگوها با روش پراش پرتو ایکس (XRD) تعیین میشوند و رویکرد قابلاتکایی در شناسایی انواع کانیها و تعیین مقدار ماده معدنی در سنگ معدناند.
برای پیادهسازی این روش، سنگ معدن به اندازههایی کوچکتر از ۴۴ میکرومتر خرد میشود. سپس، لایه نازکی از پودر بر روی شیشه نمونهبرداری ریخته میشود. درنهایت، به این پودر حاصل یک پرتو ایکس تابانده میشود تا تغییر در آن، نوع و میزان ماده معدنی در نمونه را مشخص کند.
میکروسکوپ الکترونی
از زمان اختراع آن در دهه ۵۰ میلادی، میکروسکوپ الکترونی نقش قابلتوجهی در ارتقاء روشهای تشخیصی در کانیشناسی داشته است. از این میکروسکوپ برای تعیین ترکیبات مواد معدنی موجود در یک سطح صیقلی از سنگ معدن استفاده میشود.
از این میکروسکوپ میتوان برای تجزیهوتحلیل دانههای معدنی با اندازه ۵ تا ۱۰ میکرومتر استفاده کرد. مشابه حالت موردنظر در طیفسنج پرتو ایکس، در میکروسکوپ نوری نیز از انعکاس پرتو نازکی از نور به سطح سنگ معدنی و استفاده از آشکارسازهای مختلف برای تعیین انواع عناصر مختلف و میزان آنها در نمونه استفاده میشود.
طیفسنج مادونقرمز
طیفسنج مادونقرمز برای شناسایی مواد معدنی استفاده میشود که ترکیبات مکملی و مولکولی قوی چون OH، SO4، CO2، را با خود دارند. در این روش، ماده معدنی در معرض تابشی در محدوده مادونقرمز قرار میگیرد تا ترکیبات مختلف آن شناسایی شوند. این پرتوافکنی برای هر ماده معدنی رده طولموج خاصی دارد و با استفاده از طولموجهای مختلف، ترکیبات متفاوتی شناسایی میشوند.
پردازش تصویر
از پردازش تصویر برای تعیین کمیت مواد معدنی، درجه جداسازی آنها، توزیع اندازه دانههای معدنی، شکل ذرات، ترکیبات همراه و ویژگیهای دیگر استفاده میشود. در این روش، از فناوریهای کامپیوتر در تفکیک تصاویر، تفکیک اجزاء و تشخیص مرزهای مختلف اجزاء آن بهره گرفته میشود. تودههای مختلف سنگ معدن پس از ورود به اسکنهای هوشمند بررسی میشوند و ویژگیهای بصری آنها با دقت بالایی تعیین می
گردند.
مواد معدنی متناظر با سنگآهن
بیشتر سنگآهن قابلاستخراج در ساختارهای آهنی یافت میشوند که از کانیهای سنگآهن عظیم و پراکنده در تودههایی از سنگهای سیلیسی تشکیلشدهاند. برخی از این ساختارهای آهنی گرید بسیار بالایی دارند و بدون نیاز به هیچگونه فرایند پرعیارسازی به شرکتهای تولید فولاد و سایر محصولات منتج از سنگآهن ارسال میشوند.
بااینحال، بخش اعظمی از ساختارهایی زمینشناسی که دارای رگههای آهن هستند، مملو از مواد معدنی سیلیسیاند و به مراحل مختلفی از فرآوری و پرعیارسازی نیاز دارند تا به کنسانترهها یا گندلههای با عیار مناسب تبدیل شوند.
اصلیترین انواع سنگآهن، هماتیت و مگنتیت هستند. انواع دیگری چون گوتیت، سیدریت، پیریت یا المنیت معمولاً در اندازههای کوچک و بیشتر به شکل ماسههای ریز با خاصیت آهنی یافت میشوند. همچنین، اصلیترین مواد معدنی سیلیسی که سنگآهن در آنها کشف میشوند شامل کوارتز و کلریت هستند.
برخی سنگآهنهای اکتشافی سرشار از تودههای منگنزند. این نوع از سنگآهن، حاوی اکسیدهای منگنز و سیدریت منگنز دار است که معمولاً در امتداد گسلها شکل میگیرند. تشخیص ماهیت، ترکیبات و ساختار فیزیکی منگنز موجود در سنگآهن رابطه مستقیمی با امکان فرآوری سنگآهن با عیار بالا و موفقیت روشهای پرعیارسازی دارند.
اهمیت تجزیهوتحلیل کانیشناسی در استخراج سنگآهن
استفاده از روشهای کانیشناسی چون XRD در تشخیص ویژگیهای کمی و کیفی سنگآهن به استخراج کارآمدتر و کنترل عملکرد زنجیره ارزش معدن کمک میکند. بخصوص دسترسی به اطلاعات متناظر با عناصر تشکیلدهنده و همراه سنگآهن، میزان آسیبپذیر بودن آنها و تأثیرات آنها بر محیطزیست به کنترل شرایط منفی حاصل از فعالیت شرکتهای معدنی کمک شایانی میکند.
علاوهبراین، سازمانهای بینالمللی خطمشیهای جدیدی بر میزان تأثیر قابلقبول هر صنعت بر محیطزیست ترسیم کردهاند. بنا بر قواعد جدید، برای مثال، شرکتهای تولیدکننده فولاد نمیتوانند از هر نوع سنگآهن (یا کنسانتره، گندله و حتی آهن خام) با هر میزان و نوع از آلایندگی همراه آن برای تولید فولاد استفاده کنند. برعکس، تا چند سال آینده، شرکتهای فولادسازی تنها از رده بسیار خاصی از کنسانترهها با کنترل بهینه ناخالصیها میتوانند برای تولید فولاد بهره بگیرند.
استفاده از XRD در تجزیهوتحلیل کمی سنگآهن
با استفاده از XRD، مهندسان معدنی میتوانند مقدار و نوع آهن باارزش موجود در سنگ معدن را تشخیص و متناظر با آن، شیوههای فرآوری و پرعیارسازی را برای شرکت طراحی کنند. با استفاده از پرتوهای ایکس در دامنههای مختلف، سنگهایی چون هماتیت، مگنتیت و گوتیت را میتوان با دقت بالایی تشخیص داد. بهویژه، استفاده از این روش بهترین شیوه در کاهش باطلههای معدنی، صرفهجویی در انرژی و سوخت است.
باطله در مقابل ارزش
تحلیلهای XRD رده بسیار بالایی از مواد معدنی موجود در سنگآهن استخراجی را با دقت بالایی اندازهگیری میکنند. بخش گنگ، مؤلفههای سنگ معدن که ارزش تجاری ندارند، بهویژه باید قبل از حرکت توده معدنی به سمت فرایندهای فرآوری حذف شود. با استفاده از تجزیهوتحلیل XRD میتوان گنگها با تراکم بالای سیلیس و آلومینا را اندازهگیری کرد و با طراحی فرایندهای هوشمند، همزمان با عبور از نوار نقاله سنجش، حذف نمود.
پس از تشخیص این گنگهای همراه، میتوان در مرحله پرعیارسازی سنگآهن، از رویکردی متناسب با نوع گنگ برای حذف آن از قسمت باارزش سنگ معدن استفاده کرد. بخصوص، شستشوی سنگ، جداسازی گرانشی یا مغناطیسی، ازجمله شیوههای کاربردی در حذف این ناخالصیها هستند. فراموش نکنیم که، مهمترین ابزار در کاهش هزینههای استخراج، همزمان با دریافت بالاترین قیمت به دلیل عیار بالای سنگآهن، تشخیص ناخالصیهای با دقت بالا و حذف آنها در مراحل اولیه از زنجیره ارزش معدن است.
همچنین، از XRD میتوان برای تشخیص ناخالصیهایی استفاده کرد که فرآوری آنها بسیار سخت و پرهزینه است. برای مثال، ووستیت (FeO) در بسیاری از محصولات فنی مانند فلسهای آسیاب یافت میشود که ورود آن به مرحلههای بعدی فرآوری سنگآهن بسیار مشکلساز است. بخصوص، اگرچه این ترکیب بالاترین Fe موجود را در خود دارد، اما در تولید آهن خام، به دلایل فنی، بهشدت از آن پرهیز میشود.
کاهش اثرات زیستمحیطی
تولیدکنندگان آهن خام از خانواده آلایندههای اصلی و تولیدکنندههای گازهای گلخانهای در صنعتاند. انتشار CO2 در فرایند تولید آهن خام، ارتباط مستقیمی باحالت کلی اکسایش (Fe2+/Fe3+) آهن موجود در سنگ معدن دارد.
از طرفی، حالت اکسایش میزان عامل احیاء کننده (زغالسنگ) در تولید آهن خام را تعیین میکند و با استفاده از روشهای کانیشناسی سنگ معدن تشخیص و اندازهگیری میشود. برخلاف روشهای شیمیایی مانند تیتراسیون، XRD بسیار سریع و مستقل از عملگر است. درنتیجه، دقت بهتری درزمانی بهینه حاصل میشود که امکان طراحی شیوههای پیشگیرانه را ممکن میسازد.
جمعبندی:
کانیشناسی معدنی قلب تپنده شرکتهای معدنی است و هر شرکتی که بهترین و بیشترین بهره را از آن ببرد، مطمئناً جایگاه تجاری بهتر و قدرت مانور بیشتری خواهد داشت. علم کانیشناسی پایه تمام فناوریهای مرتبط با طراحی فلوشیت فرآوری و پرعیارسازی سنگ معدن، تولید کنسانتره با خواص مختلف و تجهیزات معدنی مرتبط است.
برای بهرهبرداری بهینه از یک خط تولید سنگآهن، بعدها آهن خام و فولاد، تجزیهوتحلیل عناصر همراه با ماده معدنی اصلی، یک الزام حیاتی است. بهویژه، ویژگیهای کانیشناسی مواد استخراجی، میزان، اندازه و شیوه توزیع آنها در توده استخراجشده، نقشی کلیدی در طراحی فرایندهای فرآوری سنگ معدن و تولید محصول با هزینه و آلودگی کمتر دارند.
روشهای زیادی برای تشخیص کمی و کیفی ویژگیهای سنگ معدن استخراجشده وجود دارند که از بین آنها XRD ازجمله محبوبترین و پرکاربردترین روشها است. با استفاده از روشهایی چون XRD، علاوه بر بهبود فرایندهای فرآوری و پرعیارسازی، شرکتهای معدنی میتوانند عملکرد بهتری درزمینهٔ کاهش گازهای گلخانهای و تأثیرات منفی زیستمحیطی داشته باشند.
کلمات کلیدی:
فرآوری – کنسانتره – مواد معدنی – پرعیارسازی – سنگآهن – XRD – کانیشناسی معدنی – تجزیهوتحلیل مواد معدنی