Идеальная лаборатория для золотодобывающих предприятий в полевых условиях

Е.М. Корниенко — Главный аналитик ООО «Промэкспорт»





А.Р. Назыров — Генеральный директор ООО «Промэкспорт»





С.Е. Смильгин — Исполнительный директор ООО «Промэкспорт»





Г.А. Жохов — Технический директор ООО «Промэкспорт»





Необходимость получения относительно недорогих и экспрессных методов анализа золота заставила горно-рудные компании еще в 70–80-х годах XX века в период активного освоения золотосодержащих месторождений разрабатывать новые методики, отвечающие этим требованиям. Внедрение классического пробирного химического анализа золота в лабораториях было рентабельным лишь на окончательной стадии строительства фабрик и заводов по переработки руды, так как подразумевало наличие постоянного стабильного снабжения электроэнергией, осуществление бесперебойных поставок реагентов и достаточной площади помещений. Количество проб, которые необходимо было проанализировать при разведке месторождений, исчислялось десятками тысяч, и время на обработку данных и аналитические исследования затягивалось на длительное время, не позволяя оперативно акцентировать разведку на перспективных участках. Постепенно задача аналитического сопровождения работ по поиску месторождений золота вышла на первый план. 

В СССР на базе освоенных месторождений, на разных территориях, в сотрудничестве с отраслевыми институтами велись работы по внедрению методик, позволяющих оперативно, и относительно недорого проводить количественное определение золота. 

Данная задача осложнялась отсутствием прямых методов определения золота из раствора в связи с их низкими кларками в горных породах и отсутствием оборудования с характеристиками, позволяющими обнаруживать и регистрировать такие концентрации. 

При использовании же других методов исследователи столкнулись с проблемой непредставительности навески и возможностью провести лишь полуколичественный анализ содержания золота в руде.

Решением проблемы стал путь повторения схемы классического метода пробирной плавки — концентрирования. Было разработано несколько методик, позволяющих перевести золото в раствор, не снижая при этом до критического минимума массу навески, и концентрировать золото для дальнейшего исследования, избегая трудозатрат, необходимых для пробирного анализа.

Исследовательские работы разделились на два направления, которые актуальны до сих пор и активно внедряются в лаборатории — концентрирование золота из раствора на какой-либо экстрагент и последующее измерение рентгеноспектральном (энергодисперсионном) анализаторе или атомно-абсорбционном спектрометре (воздух-пламя). 

Ключевым фактором здесь являются выбор экстрагента и последующее окончательное измерение инструментальными методами. На вооружение приняты два основных инструментальных метода — рентгеноспектральный (далее РСА) и атомноабсорбционный (далее АА).

Мы рассмотрим и сравним эти два метода, для дальнейшего формирования «идеальной» лаборатории, позволяющей разумно, без дополнительных расходов, и оперативно проводить аналитические исследования для золотодобывающих компаний.

Мы расскажем вам, в каком случае следует использовать только РСА метод, а в каких АА либо применить комбинацию методов РСА+АА для «закрытия» всех видов потребности в аналитических работах.

Итак: перед нами стоит задача организовать лабораторию, основной функцией которой будет анализ золота и сопутствующих элементов.

Алгоритм решения задачи должен быть следующим:
1. Определить, какие компоненты помимо золота нам необходимо проанализировать. Обычно это золото и серебро. В редких случаях поиски ведутся на несколько компонентов.
2. Проанализировать наличие инфраструктуры (транспортная доступность, наличие стабильного электро-, водоснабжения, канализации).
3. Провести оценку дальнейшей перспективы развития месторождения (возможно, это стадия разведки и дальнейшее увеличение видов аналитических работ не планируется либо существует потребность далее расширять спектр аналитических исследований в связи со строительством обогатительной фабрики).

Четко ответив для себя на вышеперечисленные вопросы, переходим к сравнению доступных аналитических методов экспресс-определения золота в полевых условиях, чтобы выбрать метод, наиболее отвечающий нашим возможностям и потребностям.

Методик разбраковки золота с окончанием АА существует несколько:

• экстракция изоамиловым спиртом;   
• экстракция дизельным топливом;   
• экстракция сульфидами нефти и др.

Все эти методики были разработаны для избирательного экстрагирования золота. На стадии их внедрения в рутинный анализ выявились существенные недостатки, сопряженные с трудностями и дополнительными затратами, которые не позволяли реализовать основную функцию этих методик — экспрессность, простоту в использовании и достоверность. В связи с этими трудностями работа над поисками универсального метода экстракции не прекращалась и привела к созданию методики экстракции золота на твердый экстрагент (ТВЭКС) — трибутилфосфат.

Все вышеперечисленные методики имеют ряд специфических особенностей (технологических, экономических), которые следует учитывать при внедрении в лабораториях.

Рассмотрим критерии, которые влияют на выбор того или иного метода разбраковки проб по содержанию золота. 

Экономические: 1) стоимость блока пробоподготовки; 2) стоимость средств измерения (прибора, анализатора);  стоимость расходных материалов для средства измерений (эксплуатационные затраты на прибор); 4) стоимость расходных материалов для химического анализа (себестоимость анализа). 

Технологические: 1) спектр определяемых задач; 2) чувствительность метода (нижний предел обнаружения); правильность метода (селективность определения золота); 4) длительность анализа (время на определения золота и других элементов (экспрессность); 5) простота применения. 

Организационные: 1) требования к квалификации персонала; 2) требования к помещению.

Рассмотрим вышеперечисленные составляющие (для удобства сравнения данные приведены в табл. 1–4).

Экономические составляющие	Методы экстракции золота жидкими экстрагентами и дальнейшее измерение (АА)	Метод экстракции золота с помощью ТВЭКС и дальнейшее измерение (РСА)
1. Стоимость блока химической пробоподготовки	Стоимость основного оборудования выше относительно метода РСА на 10–20 % (2,4–3,1 млн руб.). Разница складывается за счет:	Стоимость основного оборудования, позволяющее выполнять все необходимые операции процесса пробоподготовки (включая средства индивидуальной защиты, методические материалы) составляет 2–2,5 млн руб.
	- более сложного устройства вытяжной вентиляции в связи с устройством прибора и токсичностью жидких экстрагентов;
	- оборудование для быстрой фильтрации проб
2. Стоимость прибора	Отечественные атомно-абсорбционные приборы сравнимы по стоимости с РСА (1,7–2,5 млн руб.). Стоимость западных аналогов АА увеличена на 18–20 % по отношению к аналогичным приборам, не уступающим по функциями РСА	Измерения проб проводятся на рентгенофлуоресцентном приборе ElvaX. Стоимость приборов зависит от комплектации и варьируется от 1,5 до 2,5 млн руб.), которая в свою очередь определяется набором необходимых элементов для измерения. Минимальная комплектация для золота и серебра сравнима со стоимостью атомно-абсорбционных приборов.
3. Стоимость расходных материалов для обслуживания прибора эксплуатационные расходы	Содержание газового хозяйства, поддержание атомно-абсорбционного спектрометра в рабочем состоянии (горелка, распылитель, дейтериевые и сменные лампы на разные элементы, капилляры). Около 300 тыс. руб. требуется ежегодно	Комплектующие не требуются
ИТОГО: Расходы на комплектацию лаборатории (оборудование, прибор) для определения золота в горных породах с предварительным экстрагированием жидкими экстрагентами и АА окончанием на 20–30 % превышают стоимость аналогичной лаборатории РСА.
4. Себестоимость анализа одной пробы (не включая ФОТ и амортизацию основных средств)	35–40 руб. (в зависимости от стоимости воды, электроэнергии и газа). Пламенная атомизация требует бесперебойного снабжения газом. Используется ацетилен или пропан. Пропан более экономичен и дешев, но высоки требования к качеству газа: его чистоте и содержанию конденсата, чего трудно добиться на общих станциях заправки, где нет газа, предусмотренного для проведения аналитических работ. Стабильность работы прибора сильно зависит от качества газа. Как правило, расходы на логистику газа превышают его стоимость.	15–18 руб. (в зависимости от стоимости воды и электроэнергии)
ИТОГО: Себестоимость анализа одной пробы (не включая ФОТ и амортизацию основных средств) для определения золота в горных породах с предварительным экстрагированием жидкими экстрагентами и окончанием АА превышает стоимость анализа РСА на 30–40 %.

Табл. 1. Сравнение расходов на приобретение полного комплекта оборудования для анализа золота методами АА и РСА

Технологические особенности	Методы экстракции золота жидкими экстрагентами и дальнейшее измерение (АА)	Метод экстракции золота с помощью ТВЭКС и дальнейшее измерение (РСА)
1. Спектр решаемых задач	1. АА определяет 15–20 химических элементов после дли-тельных методов разложения горных пород. Существует ряд аттестованных методик определения элементов в горных породах. Почти для каждого элемента необходима индивидуальная методика разложения (т.к. варьируются навеска, растворитель, конечный объем раствора, стадии разложения и т.п.).	1. За несколько минут определяет одновременно да 25–30 химических элементов без пробоподготовки в горных породах (стандарт предприятия).
	2. Аттестованная методика III категории точности для определение золота в горных породах с предварительной экстракцией.	2. Аттестованная методика III категории точности для определение золота в горных породах.
	3. АА определяет содержание элементов в технологических растворах, водах, сточных водах с минимальной пробоподготовкой	3. Помимо определения содержания химических элементов РСА анализ используется для определения состава практически всех продуктов технологической переработки горных пород (шламов, концентратов и других.).
		4. РСА (в особых кюветах) определяет содержание химических элементов в растворе.
		5. Определение основного состава (Au, Ag) и примесей продуктов аффинажного производства — слитков, сплава Доре без дополнительной пробоподготовки.
		6. Анализ проб угля на золото, серебро без дополнительной пробоподготовке при контроле технологических процессов добычи золота
ИТОГО: Возможности применения РСА для определения состава твердого вещества, без дополнительной пробоподготовки, гораздо шире, чем метод АА. Атомная абсорбция без дополнительной пробоподготовки позволяет определять состав проб в жидком состоянии (растворы).
2. Чувствительность метода (нижний предел обнаружения)	АА имеет достаточно низкий предел обнаружения практически всех элементов — 0,01 мг/л, что делает этот метод незаменимым при обнаружении низких концентраций элементов в растворах. Анализ горных пород требует предварительной стадии пробоподготовки (которая сопровождается разбавлением пробы в сотни раз, для того чтобы избавиться от влияния матрицы для одних элементов и концентрирования для других элементов), поэтому нижний предел обнаружения золота в горных породах по аттестованной методике — 0,1 г/т, верхний предел — 20 г/т	Нижний предел обнаружения зависит от типа пробы (порошкообразной, твердой или жидкой) и используемого детектора и составляет от 10 г/т. Нижний предел обнаружения золота в горных породах по аттестованной методике — 0,25 г/т, верхний предел — 5000 г/т
3. Точность метода	По точности определения элементов в растворах этот метод превосходит многие другие, но при определении золота в горных породах, в связи с наличием предварительной пробоподготовки, данное преимущество перед РСА отсутствует и параметры точности регламентируется методикой выполнения измерений	Точность РСА определяется тем, что интенсивность флуоресценции элемента в образце зависит не только от его концен-трации, радиационно-физических свойств и используемого для возбуждения флуоресценции излучения, но также и от содержания и свойств других присутствующих элементов. Это взаимное влияние присутствующих элементов на характер излучения порождает так называемый «матричный эффект», поэтому для каждого объекта исследований точность разная. Универсальным способом увеличения точности является переведение пробы в пудру (одинаковый гранулометрический состав частиц) для всех методов (АА, РСА). Для определения золота в горных породах точность регламентируется методикой и не уступает по точности методике измерения золота на АА
ИТОГО: Для растворов с низкими концентрациями АА много лучше, но в случае РСА можно подобрать калибровки с низкими концентрациями золота. Важен геологический фактор: по какому содержанию надо разбраковывать пробы — наиболее часто порог разбраковки лежит в пределах 0,2–1,0 г/т, что вполене укладывается в возможности метода РСА.
4. Правильность метода (селективность определения золота)	Изоамиловый спирт, DIBK (дибутилсульфид), метилизобутилкетон или триалкиламин — все жидкие экстрагенты вытягивают из раствора помимо золота и остальные металлы, в том числе железо, которое сильно завышает результат по золоту, потому что спектр золота и железа сложно разделить и четко идентифицировать по отдельности	Золото в растворе вскрытия присутствует в виде хлорных комплексов AuCl4, которые избирательно экстрагируются на ТВЭКС-ТБФ на этапе перемешивании при комнатной температуре. Смола ионообменная ТВЭКС-ТБФ — твердый экстрагент, продукт суспензионной сополимеризации стирола и дивинилбензола с ис-пользованием в качестве активной фазы экстрагента — трибутил-фосфата. ТВЭКС-ТБФ не набухает в воде, водных растворах кислот и щелочей, отличается высокими кинетическими показателями и морозостойкостью, характеризуется высокой радиационной устойчивостью, механической прочностью. Внешний вид: сферические непрозрачные твердые гранулы белого цвета, размером от 0,8 до 1,2 мм. Кроме золота, на ТВЭКС ТБФ из раствора могут перейти W и Zn. Для учета примеси W используются аппаратные возможнос-ти спектрометра — оснащение SDD детектором и возможность определения золота по его слабой линии Lγ. Для удаления с ТВЭКС примеси Zn проводится реэкстракция 1М р-ром азотной кислоты
ИТОГО: Время на химическую подготовку и экстрагирование проб для последующего анализа на атомно-абсорбционном спектрометре занимает на 40% больше, чем аналогичные процедуры по методике РСА (обоснование приведено в таблице 4).
Простота применения	1. Все жидкие экстрагенты являются токсичными, например: изоамиловый спирт — наркотик, обладающий токсичностью и сильным раздражающим действием; толуол токсичен, предельно допустимая концентрация толуола в воздухе рабочей зоны производственных помещений — 50 мг/м. При увеличении концентрации толуол действует раздражающе на слизистые оболочки и кожу, а также вызывает поражение жизненно важных органов и систем, нервную систему, действует сильнее бензола; вызывает сухость и трещины кожи, зуд; быстро всасывается в кожу.	1. Смола ионообменная ТВЭКС-ТБФ — твердый экстрагент, продукт суспензионной сополимеризации стирола и дивинилбензола с использованием в качестве активной фазы экстрагента — трибутилфосфата. ТВЭКС-ТБФ не набухает в воде, водных растворах кислот и щелочей, отличается высокими кинетическими показателями и морозостойкостью, характеризуется высокой радиационной устойчивостью, механической прочностью. Внешний вид: сферические непрозрачные твердые гранулы белого цвета, размером от 0,8 до 1,2 мм. Нетоксичен, не обладает резким запахом.
	2. Жидкие экстрагенты являются прекурсорами и требуют особой отчетности при использовании.	2. На период консервации (ремонта прибора) есть возможность продолжить накопление проб обогащенного ТВЭКСА, которые затем могут быть быстро измерены с учетом высокой производительности измерительного комплекса.
	3. При необходимости сделать анализ несколько раз объема пробы не хватает. Качество экстрагента изменяется спустя некоторое время (поэтому воспроизвести измерения не удается и приходится проводить процесс экстракции вновь).	3. Техническое обслуживание прибора не требуется. При любой внештатной ситуации есть возможность дистанционно связаться с сервис-инженером и устранить неисправность. Оборудование высоконадежно, недорого и простое в эксплуатации.
	4. На период консервации (ремонта прибора) нет возможности продолжать процесс химической пробоподготовки, поэтому выход прибора из рабочего состояния автоматически останавливает работу всей лаборатории.	4. Газ не используется, прибор заранее отградуирован: на золото (от 0,25 до 50 г/т) — линейная зависимость, серебро, сопутствующие элементы, анализ для определения пробности золота. По необходимости, возможно построение градуировочной зависимости для проб золота с содержанием более 50 г/т. Эталоны золота на ТВЭКСе прилагаются
	5. Техническое обслуживание прибора. Атомно-абсорбционный спектрометр требует постоянного рутинного обслуживания (чистки горелки, промывки капилляра, настройки распылителя, очистки дренажных емкостей). Помимо ежедневных рутинных процедур требуется содержание газового хозяйства. Рабочие должны пройти специальное обучение и иметь допуск на право производства работ. Баллоны с газом по ТБ должны находиться вне лабораторного помещения, это большой минус для АА

Табл. 2. Сравнение технологических особенностей методик анализа золота методами АА и РСА

Организационные особенности	Методы экстракции золота жидкими экстрагентами и дальнейшее измерение (АА)	Метод экстракции золота с помощью ТВЭКС и дальнейшее измерение (РСА)
1. Требования к персоналу	Требования к персоналу предъявляются высокие, требуется наличие дополнительных удостоверений, разрешающих эксплуатацию, хранение и транспортировку кислородных баллонов	Требования к персоналу среднее, метод РСА может быть реализован как в условиях стационарной, полевой так и передвижной лаборатории
ИТОГО: Возможности применения РСА для определения состава твердого вещества, без дополнительной пробоподготовки, гораздо шире, чем метод АА. Атомная абсорбция без дополнительной пробоподготовки позволяет определять состав проб в жидком состоянии (растворы).
2. Требования к помещениям	Для организации полноценной работы требуется 3 изолируемые комнаты: 1) аналитическая комната для химического разложения проб; 2) комната для измерения проб (инструментальная); 3) комната для размещения компрессора (компрессорная). Дополнительные требования по охране труда. Специальные требования к размещению газовых баллонов. Баллоны с горючим газом должны быть установлены в отдельном нерабочем помещении или за пределами здания в закрытых металлических шкафах	Для организации полноценной работы требуется 2 изолируемые комнаты: 1) аналитическая комната для химического разложения проб; 2) комната для измерения проб (инструментальная). Дополнительные требования к помещению не предъявляются. Для размещения и работы рентгеновского прибора с маломощной трубкой, применяемой в блоке возбуждения прибора, нет специальных требований по дополнительной защите от вредных излучений. В соответствии с п.п. 1.7–1.8 ОСОПРБ-99 спектрометр освобождается от радиационного контроля и учета и от необходимости получения специального разрешения (лицензии) на право работы с ним.(есть заключение Ростехнадзора №77.99.37.427.Д.009031.08.08

Табл. 3. Сравнение организационных особенностей при работе с методами АА и РСА для анализа золота

	Атомно-абсорбционный анализ	Рентгено-спектральный анализ
Фильтрование пробы	Стадия фильтрования необходима, так как жидкий экстрагент, при контакте пробой захватывает взвешенные частицы, которые мешают в дальнейшем при измерении на приборе	Так как ТВЭКС является твердым реагентом, он может сорбировать золото из раствора без необходимости фильтровать пробу.
Приготовление стандартных растворов для градуировки прибора	Партия стандартных образцов готовится совместно с пробами минимум 1 раз в смену. Постоянно готовятся растворы для проверки градуировки. Так как объем экстрагированного раствора составляет 10 мл, его хватает на 2–4 измерения и наступает необходимость повторять процедуру приготовления	Калибровка встроенная. Так как метод является неразрушающим, стандартные образцы готовятся 1 раз, и используются неограниченное время.
Измерение на приборе	Измерение проб на АА необходимо проводить непосредственно после фазы экстракции, так как экстрагент (изоамиловый спирт, толуол) имеет свойство частично растворяться в воде, что искажает результаты. Недостатки: возможность измерить пробу представляется только несколько раз, сразу же после приготовления экстрагента, далее проб не хранится и при необходимости проверить (повторить) измерения такой возможности нет. Для повторного измерения следует начать процесс пробоподготовки с нуля. Время удлиняется за счет приготовления эталонов (стандартных образцов) и их расход в процессе анализа, частое эталонирование прибора при измерении резко различных концентраций элемента	Измерение проб на РСА возможно проводить в любое удобное время, есть возможность избирательного контроля, контроль можно провести спустя некоторое время.
ИТОГО: Требования к квалификации персонала и помещениям лаборатории для метода РСА гораздо мягче

Табл. 4. Комментарии к процессу пробоподготовки и анализа. Отличия

Методика экстракции на ТВЭКС с дальнейшим измерением методом РСА является безусловным лидером в решении задачи аналитического сопровождения на начальных этапах разведки.

РФА-спектрометр ElvaX

Далее, после разведки месторождений, в стадии их отработки, метод атомной абсорбции становится незаменим для контроля содержаний золота в технологических растворах, а основной функцией РСА остается оперативное количественное определение состава промышленных и технологических продуктов (концентратов, шламов и т.п.), включая сплав Доре. 

На окончательном этапе формирования лаборатории, следует внедрять метод пробирной плавки, пока являющийся лидером и занимающий первое место на аналитическом «Олимпе» для решения задач определения золота в концентратах и лигатурных сплавах.

Искренне благодарим за участие в обсуждении статьи и помощь в работе наших коллег — сотрудников НИТУ «МИСиС» Ю.Ю. Фищенко и А.Р. Макавецкаса. Отдельное спасибо А.Е. Черновой за поддержку и понимание. 

Опубликовано в журнале «Золото и технологии» , № 2 (36)/июнь 2017 г.