راهنمای کامل آنالیز Fire Assay
در دنیای تجزیه شیمیایی، روش های کمی وجود دارند که همزمان هم باستانی باشند و هم تا این حد مدرن و حیاتی
سنجش آتش (Fire Assay)، که اساس آن بر پایه کیمیاگری و متالورژی باستان بنا شده، امروزه نه تنها منسوخ نشده، بلکه همچنان دقیق ترین، قابل اعتمادترین و استانداردترین روش صنعتی (Umpire Method) برای تعیین عیار فلزات گرانبها همچون طلا، نقره و فلزات گروه پلاتین – PGM در نمونه های زمین شناسی و معدنی است.
چرا با وجود تمام دستگاه های پیشرفته مانند ICP-MS یا XRF، صنعت معدنکاری همچنان به این روش پرحرارت و به ظاهر خشن تکیه می کند؟
پاسخ در یک چالش اساسی نهفته است: “اثر قطعه ای” (Nugget Effect)
طلا در سنگ های معدنی به طور یکنواخت پخش نشده است. یک کیلوگرم سنگ ممکن است ۹۹۹ گرم باطله و ۱ گرم طلای خالص متمرکز در یک نقطه داشته باشد. اگر شما به صورت تصادفی ۱ گرم از بخش باطله را با اسید حل کنید (هضم اسیدی)، نتیجه شما صفر خواهد بود و یک معدن طلا را از دست می دهد.
Fire Assay این مشکل را با استفاده از یک اصل آماری ساده حل می کند:
افزایش حجم نمونه، به جای آنالیز ۱ گرم، این روش معمولا ۳۰ یا ۵۰ گرم از نمونه پودر شده را آنالیز می کند و اطمینان می دهد که یک آنالیز میانگین و نماینده از کل سنگ به دست می آید.
در این راهنمای تخصصی، به کالبدشکافی این فرآیند قدرتمند می پردازیم…
آنالیز Fire Assay چیست؟
Fire Assay اساسا یک فرآیند متالورژی استخراجی در مقیاس آزمایشگاهی است. این یک روش تجزیه کمی است که از دماهای بسیار بالا (بیش از ۱۱۰۰ درجه سانتی گراد) و مواد شیمیایی خاص (فلاکس) استفاده می کند تا فلزات گرانبها را از ماتریکس نمونه (سنگ، خاک، باطله های الکترونیکی و…) جدا کرده، در یک فلز جمع کننده (Collector) متمرکز کند و در نهایت امکان اندازه گیری دقیق آن ها را فراهم سازد.
این فرآیند به طور کلی به سه مرحله اصلی تقسیم می شود:
-
گداختن (Fusion)
جداسازی فلزات گرانبها از ماتریکس سنگ و جمع آوری آن ها در سرب مذاب
-
کوپلاسیون (Cupellation)
جداسازی فلزات گرانبها از سرب
-
سنجش نهایی (Finish)
وزن سنجی (Gravimetric) یا انحلال و آنالیز دستگاهی
تشریح فرآیند Fire Assay
بیایید گام به گام این فرآیند داغ و دقیق را دنبال کنیم…
مرحله ۱: آماده سازی و گداختن (Fusion)
هدف: آزاد کردن تمام طلا، نقره و PGMها از قفس سیلیکاتی و جمع آوری آن ها
الف) آماده سازی نمونه و فلاکس
ابتدا نمونه معدنی (سنگ) باید خرد شده، به پودر بسیار نرم (معمولا زیر ۲۰۰ مش) تبدیل و کاملا همگن (Homogenize) شود. سپس، مقدار دقیقی از این پودر (مثلا ۳۰ گرم) با ترکیبی پودری به نام فلاکس (Flux) مخلوط می شود. فلاکس، «جادوی» این فرآیند است. این یک مخلوط شیمیایی مهندسی شده است که سه وظیفه دارد:
- ذوب کردن ماتریکس: مواد اصلی سنگ (مانند سیلیس، آلومینا) نقطه ذوب بسیار بالایی دارند. فلاکس (حاوی سدیم کربنات و بوراکس) نقطه ذوب آن ها را به شدت کاهش می دهد و آن ها را به یک «شیشه» مذاب به نام سرباره (Slag) تبدیل می کند.
- جمع آوری (Collection): حاوی اکسید سرب (PbO) یا لیتارژ (Litharge) است.
- احیا (Reduction): حاوی یک ماده احیاکننده (مانند آرد معمولی یا زغال) است.
ب) فرآیند گداختن
این مخلوط (نمونه + فلاکس) در یک بوته نسوز (Crucible) ریخته شده و در یک کوره مخصوص در دمای ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد قرار می گیرد.
در داخل کوره چه اتفاقی می افتد؟
- فلاکس، سنگ را ذوب کرده و سرباره مذاب را تشکیل می دهد.
- آرد (کربن) با اکسید سرب (PbO) واکنش داده و آن را به سرب مذاب (Pb) احیا می کند: PbO + C -> Pb + CO
- این سرب مذاب (که بسیار سنگین است) به صورت قطرات ریز درآمده و به دلیل وزن خود، از میان سرباره مذاب به سمت پایین «بارش» می کند.
- سرب مذاب یک حلال فوق العاده قوی برای طلا، نقره و PGMها است. در حین این بارش، تمام ذرات میکروسکوپی فلزات گرانبها را در خود حل می کند.
- در نهایت، دو لایه مذاب غیرقابل امتزاج در ته بوته تشکیل می شود: یک لایه رویی و سبکتر از سرباره شیشه ای (حاوی باطله های سنگ) و یک لایه زیرین و بسیار سنگین از سرب مذاب (حاوی تمام فلزات گرانبها)
پس از حدود ۴۵ دقیقه تا یک ساعت، بوته از کوره خارج شده و مذاب در یک قالب آهنی مخروطی شکل ریخته می شود. پس از سرد شدن، سرباره شیشه ای به راحتی با یک ضربه چکش جدا شده و در ته قالب، یک قطعه فلزی سنگین به نام «دکمه سربی» (Lead Button) باقی می ماند.
تمام طلای موجود در ۳۰ گرم سنگ، اکنون در این دکمه سربی چند گرمی متمرکز شده است.
مهم ترین مواد تشکیل دهنده فلاکس عبارتند از:
- اکسید سرب (PbO) یا لیتارژ: منبع اصلی سرب جمع کننده است.
- کربنات سدیم (Na₂CO₃): یک کمک ذوب قوی و بازی است که با ترکیبات اسیدی مانند سیلیس (SiO₂) واکنش می دهد.
- بوراکس (Na₂B₄O₇): سیالیت سرباره را افزایش داده و به حل شدن اکسیدهای فلزی کمک می کند. خاصیت اسیدی دارد.
- سیلیس (SiO₂): یک کمک ذوب اسیدی که برای نمونه های بازی (مانند سنگ های حاوی دولومیت و کربنات) استفاده می شود.
- آرد یا پودر کربن: به عنوان عامل کاهنده برای احیای اکسید سرب به سرب فلزی عمل می کند. مقدار آن باید دقیقا کنترل شود تا اندازه دکمه سربی مناسب باشد.
- نیترات پتاسیم (KNO₃): یک عامل اکسید کننده که برای نمونه های حاوی ترکیبات کاهنده مانند سولفیدها استفاده می شود تا از تشکیل دکمه سربی بیش از حد بزرگ جلوگیری کند.
مرحله ۲: کوپلاسیون (Cupellation)
هدف: حذف کامل سرب و باقی گذاشتن فلزات گرانبها
ما اکنون دکمه سربی را داریم، اما طلا هنوز در آن «پنهان» است. مرحله بعد، جداسازی این دو است. این کار با استفاده از یک بوته کوچک و متخلخل به نام کوپل (Cupel) انجام می شود که معمولا از خاکستر استخوان یا اکسید منیزیم (MgO) ساخته شده است.
فرآیند
- دکمه سربی در یک کوپل که از قبل در کوره کوپلاسیون (Muffle Furnace) در دمای حدود ۹۵۰ درجه سانتی گراد داغ شده، قرار می گیرد.
- جریان هوای داغ (اکسیژن) به داخل کوره دمیده می شود.
- در این دما و در حضور اکسیژن، سرب مذاب به اکسید سرب (PbO) مذاب اکسید می شود.
- در همین حال، طلا، نقره و PGMها فلزات «نجیب» (Noble) هستند؛ آن ها اکسید نمی شوند و به صورت یک قطره مذاب فلزی خالص باقی می مانند.
- اکسید سرب مذاب (به همراه اکسید سایر فلزات پایه مانند مس) به طور مداوم توسط دیواره های متخلخل کوپل «جذب» می شود (دقیقا مانند جذب آب توسط اسفنج)
- این فرآیند ادامه می یابد تا زمانی که تمام سرب اکسید و جذب شود. در لحظه آخر، قطره مذاب باقی مانده (که اکنون فقط طلا و نقره است) «درخشش» (Blink) زیبایی از خود نشان می دهد و منجمد می شود.
آنچه اکنون در کوپل باقی مانده، یک دکمه (Prill) بسیار کوچک و درخشان از آلیاژ طلا و نقره است که به آن دکمه دوره (Doré Bead) گفته می شود.
مرحله ۳: سنجش نهایی (The Finish)
ما اکنون دکمه Doré را داریم که حاوی تمام طلا و نقره و PGMها از نمونه اصلی است. چگونه بفهمیم چقدر از آن طلا است و چقدر نقره؟
دو راه اصلی وجود دارد:
الف) پایان کار وزن سنجی (Gravimetric Finish)
این روش کلاسیک و بسیار دقیق است.
- وزن سنجی اولیه: دکمه Doré با یک ترازوی تحلیلی بسیار دقیق (Microbalance) وزن می شود. این به ما وزن (طلا + نقره) را می دهد.
- جداسازی یا پارتینگ (Parting): برای جدا کردن طلا از نقره، دکمه در اسید نیتریک (HNO₃) داغ قرار می گیرد. نقره در اسید نیتریک حل می شود، اما طلا حل نمی شود.
- نکته فنی (Inquartation): اگر مقدار طلا در دکمه Doré نسبت به نقره خیلی زیاد باشد (بیش از ۱ به ۳)، طلا یک لایه محافظ ایجاد کرده و از حل شدن کامل نقره جلوگیری می کند. برای حل این مشکل، آنالیزگر از قبل (در مرحله فلاکس) مقداری نقره اضافی (به نام Inquart) به نمونه اضافه می کند تا اطمینان حاصل شود که دکمه نهایی حداقل ۳ قسمت نقره و ۱ قسمت طلا دارد تا اسید بتواند به خوبی نفوذ کند.
- وزن سنجی نهایی: آنچه پس از حل شدن نقره باقی می ماند، طلای خالص است (که به شکل یک اسفنج قهوه ای تیره کوچک است). این طلا شسته شده، خشک شده و برای بازیابی رنگ زرد درخشانش، کمی حرارت داده (Anneal) و سپس وزن می شود.
محاسبه نهایی:
- (وزن دکمه Doré) = وزن (طلا + نقره)
- (وزن طلای باقی مانده) = وزن (طلا)
- [وزن (طلا + نقره)] – [وزن (طلا)] = وزن (نقره)
این وزن ها سپس به غلظت در نمونه اصلی (مثلا گرم بر تن یا ppm) تبدیل می شوند.
ب) پایان کار دستگاهی (Instrumental Finish)
به جای وزن کردن، می توان دکمه Doré را در اسید قوی (مانند تیزاب سلطانی) حل کرد و یک محلول با حجم دقیق ساخت؛ سپس این محلول به یک دستگاه طیف سنجی داده می شود.
- AAS (جذب اتمی): همانطور که در مقاله های قبلی صحبت شد، برای اندازه گیری طلا و نقره عالی است.
- ICP-OES / ICP-MS : این روش زمانی ضروری است که علاوه بر طلا و نقره، نیاز به آنالیز فلزات گروه پلاتین (PGM) مانند پلاتین (Pt)، پالادیوم (Pd) و رودیوم (Rh) نیز باشد که آنالیز آن ها با Fire Assay بسیار پیچیده تر و نیازمند تکنیک های جمع آوری خاصی است.
نقش حیاتی کمک ذوب ها (Fluxes) در روش Fire Assay
انتخاب صحیح کمک ذوب ها برای اطمینان از یک ذوب روان، جداسازی کامل فازها و بازیابی حداکثری فلزات گرانبها ضروری است. کمک ذوب ها وظایف زیر را بر عهده دارند:
- کاهش نقطه ذوب: نقطه ذوب مواد باطله (گانگ) را کاهش می دهند تا در دمای کوره به راحتی ذوب شوند.
- ایجاد سرباره روان: یک سرباره با ویسکوزیته مناسب ایجاد می کنند تا قطرات سرب به راحتی از آن عبور کنند.
- واکنش های شیمیایی: با اجزای نمونه واکنش داده و آن ها را به ترکیبات مناسب برای ورود به فاز سرباره تبدیل می کنند.
نتیجه گیری
آنالیز Fire Assay یک فرآیند پیچیده، چند مرحله ای و به شدت وابسته به مهارت اپراتور است. این روش، علم ناب متالورژی استخراجی را در بوته آزمایشگاه به کار می گیرد تا بر بزرگترین چالش آنالیز طلا، یعنی «اثر قطعه ای»، غلبه کند. با نمونه برداری از حجم بزرگی از ماده (۳۰ تا ۵۰ گرم)، این روش اطمینان می دهد که تمام ماتریکس سنگ به طور کامل حذف شده و تمام فلزات گرانبها، هرچقدر هم که ناچیز باشند، در یک دکمه کوچک برای سنجش نهایی متمرکز می شوند. به همین دلیل است که علی رغم تمام پیشرفت های تکنولوژیک، Fire Assay همچنان به عنوان قاضی نهایی و استاندارد طلایی در صنعت معدنکاری باقی مانده است.
جهت اطلاع از موجودی کالاها و قیمت ها با مشاورین فروش شرکت تجهیزات آزمایشگاهی مهام آزما ۰۲۱۸۸۵۰۹۳۸۴ – ۰۲۱۸۶۰۴۵۸۷۰ در ارتباط باشید.
بدون نظر