Синтез минералов

СИНТЕЗ МИНЕРАЛОВ (от греч. synthesis — соединение, составление * а. synthesis of minerals; н. Mineralsynthese; ф. synthese minerale; и. sintesis de minerales) — получение минералов искусственным путём. Исследования по синтезу минералов начали проводиться с конца прошлого столетия. Истощение природных месторождений многих минералов, увеличение затрат на разведочно-добычные работы, возрастающие объёмы потребления минерального сырья и ужесточение требований промышленности к его качеству привели к созданию во многих странах специализированных предприятий по синтезу рубина, кварца, алмаза. Научные и технологические исследования в области синтеза минералов развивались параллельно с работами по выращиванию полупроводниковых, пьезоэлектрических и других кристаллических материалов, не имеющих природных аналогов.

Первым минералом, промышленный выпуск которого был организован в 1910, был рубин, полученный в 1904 искусственным путём в лаборатории (из порошка Al2О3 расплавлением и последующим охлаждением). В 80-е гг. практически весь используемый рубин относится к искусственно выращенному, а крупномасштабное (сотни т) производство кристаллов кварца на 90-95% удовлетворяет потребности современной техники в высокоразвитых странах. В CCCP соответствующие отрасли промышленности, созданные в конце 50-х — начале 60-х гг., обеспечивают выпуск высококачественных кристаллов кварца и алмаза. Проводится разработка и освоение технологических процессов синтеза фторфлогопита, оптического кальцита, цеолитов, муллита, малахита, изумруда и других минералов.

Реклама



Многие минералы получены в лабораторных условиях в виде мелких кристаллов или поликристаллических агрегатов, однако в промышленных масштабах производится лишь небольшое количество минеральных соединений. Синтез минералов осуществляется различными методами из однокомпонентных (преимущественно расплавы) и многокомпонентных (растворы и газовые смеси) систем.

Кристаллизация из насыщенных растворов может происходить в широком диапазоне температур. Наиболее часто используются низкотемпературные (30-90° С) и перегретые (до 250-600° С) водные растворы (гидротермальный метод), а также солевые и другие растворы — расплавы с температурами кристаллизации от 600 до 1400° С. При этом давление в ростовой среде может изменяться в широких пределах, достигая в случае синтеза алмазов из расплава металлов нескольких ГПа. Гидротермальный синтез и перекристаллизация минералов осуществляется в кислых и щелочных водных растворах в автоклавах из жаропрочных сталей при давлении от 30 до 200 МПа.

Методы гидротермального синтеза получили широкое развитие в CCCP. Они позволили наряду с промышленным производством технического кварца организовать выпуск его цветных разновидностей (зелёные и голубые кристаллы, аметист, цитрин) для ювелирных изделий. Существенный прогресс достигнут в технологии гидротермального синтеза таких минералов, как кальцит, берлинит, цинкит, корунд (и его окрашенные разновидности), эвлитин, сфалерит, содалит и киноварь.

При использовании раствор-расплавных флюсовых систем синтезированы такие минералы, как изумруд, шеелит, гранат, циркон, цинкит, рубин и различных шпинели. Для получения кристаллов алмаза применяются расплавы никеля, марганца, железа при давлениях 5-8 ГПа, создаваемых специальными прессовыми установками. В CCCP и в других промышленно развитых странах свыше 90% потребностей в алмазе обеспечивается за счёт искусственно выращиваемых кристаллов, размеры которых достигают 3-4 мм.

Кристаллизация из расплава — наиболее распространённый процесс промышленного выращивания различных кристаллов, в т.ч. и минеральных соединений. Рост кристаллов из расплава проводится в надёжно контролируемых условиях на автоматизированном оборудовании и идёт с высокими скоростями (мм в час). Порошкообразное кристаллизуемое вещество подаётся сверху из бункера в пламя горелки и в расплавленном виде попадает на торец стержневой вращающейся затравки, которая постепенно по мере нарастания кристалла опускается. Этим методом наряду с корундом и его окрашенными разновидностями были синтезированы рутил, фабулит и различные шпинели. В другом методе кристаллизация проводится за счёт плавного снижения температуры расплава в тигле с затравкой. Этим методом получен ряд кристаллов, относящихся к группам фторидов (флюорит), а также хлоридов и йодатов щелочных металлов. Большое распространение получил метод, при котором температура расплава в тигле поддерживается постоянной, а вращающийся кристалл медленно вытягивается из расплава, причём в начальной стадии процесса к поверхности расплава подводится затравка. Этим методом наряду с такими минералами, как корунд и александрит, выращивают многие кристаллы, в т.ч. и не имеющие природных аналогов. Существуют различные модификации перечисленных методов, в частности метод зонной плавки, который заключается в последовательном проплавлении слитка исходного вещества. Этим методом синтезируются кристаллы со структурой типа граната.

Кристаллизация из паровой (газовой) фазы — рост кристаллов с применением газовой или паровой фазы для доставки (транспорта) кристаллизуемого вещества от какого-либо локального источника. Среди многочисленных разновидностей этого способа можно упомянуть методы, использующие физическую конденсацию из молекулярных или плазменных пучков, катодное или высокочастотное распыление, синтез в замкнутых объёмах или в потоке инертных газов. Многие минералы (галинит, парателлурид и др.) были получены методом объёмной паровой фазы.

Наряду с указанными способами существуют и другие, менее широко распространённые методы синтеза минералов: химическое осаждение из растворов (например, синтез опала); метод твердофазных реакций с последующим прессованием при высоких давлениях (например, получение бирюзы и жадеита); различные сложные модификации и комбинации нескольких методов.