سنتز پلاسماشیمیایی فرکانسبالا و استخراج فلزات گرانبها از کانسنگهای سولفیدی دیرگداز منطقهٔ قزلقوم
مقدمه و طرح مسئله
فرآوری کانسنگهای دیرگداز طلا–آرسنیک منطقهٔ قزلقوم مرکزی با روشهای سنتی متالورژیکی (زیستاکسایش، اکسایش در اتوکلاو) با مصرف انرژی چشمگیر و خطرهای جدی زیستمحیطی همراه است. طلا در آرسنوپیریتها (FeAsS) عمدتاً در حالت همریخت و بسیار ریزپراکنده («نامرئی»)، محبوس در درون شبکهٔ بلوری، یافت میشود.
هدف این پژوهش ارزیابی روشی فیزیکوشیمیایی و از بنیاد نو برای گشودن ماتریس سولفیدی و استخراج فلزات محصور، از راه اثر فرکانسبالای تشدیدیِ هدفمند در محیطی بدون اکسیژن و از نظر ایزوتوپی اصلاحشده بود.
[افزودهشده] پیشتر نویسنده روش گسست تشدیدی فرکانسبالای کانسنگهای دیرگداز را منتشر کرده بود — «روش گسست اجزای کانیایی و آزادسازی طلا از کانسنگها و کنسانترههای سولفیدی طلا–آرسنیکِ بهویژه دیرگداز با اثر تشدیدی امواج الکترومغناطیسی فرکانسبالا» («گورنی وستنیک ازبکستان»، شمارهٔ 2(89)، 2022، ص. 85–91). کار حاضر این روش را گسترش میدهد و از اثری که افزون بر آن ثبت شده خبر میدهد — ترکیب ایزوتوپی ناهنجار طلای سنتزشده.
روش تجربی و مواد
نمونههای آرسنوپیریت دیرگداز (در مجموع 27 نمونهٔ جداگانهٔ کانسنگ بررسی شد) که از کانسارهای کوکپاتاس و داوغیزتاو به دست آمده بودند، موضوع پژوهش بودند. زمان پرتودهی هر نمونه از 1 تا 3 ساعت بود.
معماری دستگاه آزمایشی
- ناحیهٔ واکنش نمونهٔ کانی درون یک سلول دربسته و بدون اکسیژن، درست بالای ظرفی حاوی فاز مایع، قرار داده میشد.
- اصلاحکنندهٔ ایزوتوپی محیط فاز مایع از چگالیدهٔ آب سنگین (دوتریم) تشکیل میشد که از راه جداسازی سینتیکی ایزوتوپها در تبخیر کنترلشدهٔ آب یک آبگیر طبیعی زیر اثر انرژی خورشیدی در طول 2–3 روز به دست آمده بود.
- منبع میدان و تابشگر اثر الکترومغناطیسی از راه یک آنتن لولهای مسیِ ویژهٔ محدودهٔ فرکانسبالا که به یک مولد فرکانسبالا متصل بود، اعمال میشد.
پروتکل آزمایش: با برقدار کردن سامانهٔ میدان الکترومغناطیسی فرکانسبالا، مدار نوسانی به حالت تشدید موجیِ شدید برده میشد. به سبب اثر پوستیِ شدید و چگالی بالای جریان سطحی، دمای آنتن مسی از دمای ذوب مس (1085°C) فراتر میرفت. همزمان، مایع دوتریمدارِ زیرین بهشدت تبخیر میشد. بخارهای دوتریم با رسیدن به سطح گداختهٔ آنتن یونیده میشدند و مشعلی چگال از پلاسمای فرکانسبالای نامتعادل پدید میآوردند که نقش کاتالیزور فرایند را داشت.
نتایج و بحث
دگرگونیهای ماکروسکوپی و عیارسنجی آتشی
زیر اثر پلاسمای فرکانسبالای دوتریمی، ساختار بلوری آرسنوپیریت هم بهصورت گرمایی و هم بهصورت الکترودینامیکی تخریب میشد. یونهای فلز آزادشده (یا تازه سنتزشده) با نیروهای الکترومغناطیسی به ناحیهٔ بیشینهٔ گرادیان میدان منتقل میشدند و بر سطح لولهٔ مسیِ در حال ذوب تهنشین میشدند. بر سطح آنتن مسی، به سبب نفوذ گرمایی عمیق، اثر آشکار «طلاکاری» بهصورت ماکروسکوپی دیده میشد. اجزای ذوبشدهٔ آنتن به آزمایشگاه CNIL سپرده شد. عیارسنجی آتشی استاندارد (روش کوپلاسیون) وجود طلای عنصری در آلیاژ مس را بهروشنی تأیید کرد.
راستیآزمایی هستهای–فیزیکی و طیف ایزوتوپی
برای حذف اثر ماتریس، اجزای آنتن مسی همراه با هر 27 نمونه به آزمایشگاه مرکزی آنالیز فعالسازی گاما (CL GAA) در شهر زرافشان فرستاده شدند. همهٔ نمونهها با شار شدیدی از پرتو گامای ترمزیِ پرانرژی، که از برخورد الکترونهای یک شتابدهندهٔ خطی به هدفی دیرگداز (تنگستنی) پدید میآید، پرتودهی شدند. سامانهٔ خودکار طیفسنجی قلهای آشکار در 409 keV ثبت کرد که با ایزومر Au-197m (نیمهعمر 7.7 ثانیه) مطابقت دارد و وجود نوکلید پایدار Au-197 را تأیید میکند. اما افزون بر فاز پایدار، طیفسنج زنجیرهٔ ایزوتوپی ناهنجاری از طلا را شناسایی کرد: Au-196، Au-198، Au-199، و نیز خطوط همبستهٔ نقره (Ag) و اورانیوم (U).
تفسیر فیزیکی و نتیجهگیریهای ژئوفیزیکی
آشکارشدن ایزوتوپهای کوتاهعمر Au-198 و Au-199 ثابت میکند که در جریان آزمایش، هستههای طلا در معرض شار چگالی از نوترونهای آزاد قرار گرفتهاند. پویایی شکلگیری این طیف ایزوتوپی گواه وقوع فرایندهای هستهای کمانرژی (ترانسموتاسیون یا تبادل ایزوتوپی) مستقیماً درون پلاسمای فرکانسبالای دوتریمیِ نامتعادل در مرز فازی «مس–آرسنوپیریت» است.
فرضیهٔ ژئوفیزیکی
دادههای تجربی بهدستآمده از این مدلسازی آزمایشگاهی را میتوان به تفسیر فرایندهای درونزاد گسترده در سنگکرهٔ زمین تعمیم داد. معماری زیرزمینی کانسارهای قزلقوم بهطور مؤثر همچون رآکتورهای موجی طبیعی عمل میکند. جابهجاییهای زمینساختی در امتداد پهنههای گسلهای ژرف، فشارهای بسیار بالای موضعی، جریانهای لرزهزاد و میدانهای پیزوالکتریک پدید میآورند که میتوانند ریزحجمهایی از لایه را در یک آن تا بیش از 1000°C گرم کنند و سولفیدهای نیمهرسانا (FeAsS) را به حالت پلاسما درآورند. در حضور سیالات ژرفی که بهطور طبیعی از دوتریم غنیاند، فرایند پیوستهٔ هستهزایی درونزاد («زایش») طلا و عناصر همراه آغاز میشود. این امر بازنگری بنیادین در مدلهای کلاسیک کیهانزادیِ شکلگیری کانسارهای معدنی را ضروری میسازد.
[افزودهشده] فرضیهٔ ژئوفیزیکی مطرحشده در این بخش از داوری مستقل نگذشته و به بررسی بیشتر نیاز دارد — برخلاف روش گسست تشدیدی فرکانسبالای کانسنگ که پیشتر در «گورنی وستنیک ازبکستان» منتشر شده است.