Kỹ Thuật Quang Phổ Được Sử Dụng Trong Khai Thác Mỏ Như Thế Nào?

Giới thiệu

Ngành công nghiệp khai thác mỏ là một lĩnh vực quan trọng thúc đẩy nền kinh tế toàn cầu, cung cấp vật liệu thiết yếu cho các ngành công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, nó phải đối mặt với những thách thức đáng kể, bao gồm tác động môi trường, cạn kiệt tài nguyên và nhu cầu tiến bộ công nghệ. Thăm dò và khai thác khoáng sản hiệu quả và chính xác là điều tối quan trọng để vượt qua những thách thức này. Kỹ thuật quang phổ nổi lên như một công cụ phân tích mạnh mẽ trong bối cảnh này, cung cấp một phương pháp thử nghiệm không phá hủy và xác định chính xác các khoáng chất, giúp quyết định địa điểm khai thác và giảm tác động môi trường. Kỹ thuật này đang cách mạng hóa cách thức hoạt động của ngành khai thác mỏ, đem đến một tương lai khai thác bền vững hơn.

Hình 1: Ngành công nghiệp khai khoáng đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới.

Phương pháp

Kỹ thuật quang phổ được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ cho các mục đích khác nhau, bao gồm thăm dò, phân tích quặng và giám sát môi trường. Dưới đây là một số phương pháp quang phổ chính được sử dụng trong khai thác mỏ:

1. Quang phổ phân hủy cảm ứng laser (LIBS): Sử dụng tia laser công suất cao để tạo plasma từ mẫu, phân tích ánh sáng phát ra để xác định thành phần nguyên tố.
2. Quang phổ cận hồng ngoại-nhìn thấy (VNIR) và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR): Đo sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại nhìn thấy và sóng ngắn để xác định khoáng chất và tính chất của chúng.
3. Quang phổ phản xạ hồng ngoại trung bình: Phân tích độ phản xạ của ánh sáng hồng ngoại trung bình để cung cấp thông tin về thành phần và cấu trúc khoáng chất.
4. Chụp ảnh siêu phổ (HSI): Chụp một loạt các bước sóng để tạo ra hình ảnh chi tiết của các mẫu khoáng sản, cho phép xác định và lập bản đồ chính xác các khoáng chất.
5. Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Đo nồng độ của các nguyên tố bằng cách phân tích ánh sáng được hấp thụ bởi các nguyên tử trong một mẫu, thường được sử dụng để phát hiện kim loại trong quặng.
6. Quang phổ phát xạ nguyên tử (AES): Kích thích các nguyên tử trong một mẫu và đo ánh sáng phát ra để xác định và định lượng các nguyên tố.
7. Quang phổ Raman: Sử dụng sự tán xạ ánh sáng đơn sắc để cung cấp thông tin về các rung động phân tử và cấu trúc tinh thể, hữu ích để xác định khoáng chất và thành phần hóa học của chúng

Application

Kỹ thuật quang phổ được áp dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ cho các mục đích khác nhau, bao gồm thăm dò, phân tích quặng và giám sát môi trường. Dưới đây là một số ứng dụng chính:

1. Thăm dò khoáng sản: Các phương pháp quang phổ như Chụp ảnh siêu phổ (HSI) và Quang phổ hồng ngoại gần (NIR) được sử dụng để xác định và lập bản đồ khoáng sản dựa trên dấu hiệu quang phổ của chúng. Điều này giúp Phân tích quặng: Các kỹ thuật như quang phổ phân hủy cảm ứng laser (LIBS) và quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của mẫu quặng. Thông tin này rất quan trọng để đánh giá chất lượng và giá trị của quặng.
2. Giám sát môi trường: Quang phổ có thể phát hiện và định lượng các chất gây ô nhiễm từ các hoạt động khai thác, giúp giảm thiểu tác động môi trường. Ví dụ, quang phổ Raman có thể xác định các chất độc hại trong chất thải mỏ.
3. Kiểm soát quá trình khai thác: Trong hoạt động khai thác, kỹ thuật quang phổ được sử dụng để theo dõi thời gian thực các quy trình LIBS có thể cung cấp phân tích nhanh chóng, tại chỗ, cho phép điều chỉnh trong quá trình xử lý để tối ưu hóa tỷ lệ thu hồi và giảm chi phí.
4. Kiểm soát chất lượng: Kỹ thuật quang phổ đảm bảo tính nhất quán và chất lượng của vật liệu khai thác Quang phổ phát xạ nguyên tử (AES) được sử dụng để xác minh độ tinh khiết của kim loại và phát hiện tạp chất có thể ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng.

Kết quả

Một ứng dụng cụ thể sử dụng phương pháp quang phổ LIBS trong phân tích các mẫu khoáng sản. Hai mẫu lõi khoan đã được cung cấp để phân tích thành phần khoáng chất bên trong. Một mẫu được cho là chứa vàng và mẫu còn lại chứa bạch kim và palladium. Hình 2 cho thấy hai mẫu lõi khoan với các khu vực quét LIBS được xác định bằng các hình chữ nhật màu xanh lá cây.

Hình 2: Hai mẫu khoáng sản từ lõi khoan được cung cấp để khảo sát thành phần bằng phương pháp LIBS. Mẫu a chứa vàng, mẫu b chứa bạch kim.

Bảng 1: Bước sóng phát xạ cực đại của một số nguyên tố

Bảng 1 liệt kê các vạch phát xạ nguyên tố được sử dụng trong phân tích LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). Mỗi nguyên tố có một bước sóng cụ thể (tính bằng nanomet) mà tại đó nó phát ra ánh sáng khi bị kích thích bởi laser. Thông tin này rất quan trọng để xác định và định lượng các yếu tố có trong mẫu. Trong bảng, chúng ta có thể thấy vàng có bước sóng phát xạ cực đại ở 267,59nm, bạc ở 328,07nm, bạch kim ở 306,47nm và palladium ở 340,52nm.

Hình 3: Phổ LIBS của các mẫu khoáng sản đươc cho là chứa vàng. Quang phổ cho thấy đỉnh của cả các nguyên tố bạc và silicon.

Hình 3 cho thấy phổ LIBS đặc trưng của nguyên tố vàng và bạc trên các mẫu khoáng sản hình 2a. Phổ hiển thị các vạch phát xạ tương ứng với các nguyên tố có trong mẫu, cho phép xác định và định lượng các nguyên tố này. Điều này giúp lập bản đồ phân bố kim loại quý trong mẫu.

Hình 4: Phổ LIBS của mẫu khoáng vật Hình 2b được cho là có chứa bạch kim. Chúng ta có thể thấy các bước sóng cực đại đặc trưng của các nguyên tố bạch kim, paladi và niken.

Hình 4 cho thấy phổ LIBS đặc trưng của các nguyên tố niken, palladium và bạch kim. Phổ này thu được từ phân tích mẫu lõi khoan hình 2b. Phổ làm nổi bật các vạch phát xạ của các nguyên tố này, cho thấy sự hiện diện và sự phong phú tương đối của chúng trong mẫu. 

Hệ thống đo lường

Có rất nhiều phương pháp quang phổ có thể được áp dụng trong lĩnh vực khai thác mỏ, tiếp theo là một loạt các hệ thống đo lường tương ứng với từng phương pháp khác nhau. Trong bài viết này, chúng tôi xin giới thiệu một hệ thống đo lường từ Ocean Insight phù hợp với phương pháp LIBS.

Hình 5: Máy quang phổ HR2000+.

Máy quang phổ Ocean HR2000 + là một thiết bị có độ phân giải cao phù hợp cho ngành khai thác mỏ, sử dụng phương pháp quang phổ phân tích sự cố cảm ứng laser (LIBS) để phân tích vật liệu chính xác. Nó có một cảm biến CCD 2048-pixel có độ nhạy cao, cung cấp độ phân giải quang học từ 0,035 đến 6,8 nm (FWHM). Điều này làm cho nó lý tưởng để theo dõi các phản ứng nhanh và phân tích một loạt các vật liệu với độ chính xác cao. HR2000+ được trang bị nhiều loại quang học, bao gồm 14 cách tử và 6 chiều rộng khe, cho phép tùy chỉnh theo nhu cầu ứng dụng cụ thể.

Hình 6: Nguồn laser.

Nguồn laser Ocean 523nm là một công cụ được thiết kế cho phương pháp quang phổ phân hủy cảm ứng laser (LIBS). Tia laser công suất cao này có bước sóng 523nm và có thể mang lại hiệu suất vượt trội với các vạch quang phổ hẹp, đảm bảo phân tích nguyên tố chính xác trong các vật liệu khác nhau. Bộ điều khiển laser tích hợp được thiết kế tỉ mỉ để cung cấp nguồn điện ổn định và đáng tin cậy, cần thiết cho các điều kiện đòi hỏi khắt khe của hoạt động khai thác. Với cấu hình mạnh mẽ và thông số kỹ thuật tiên tiến, nguồn laser Ocean 523nm là thiết bị không thể thiếu để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thăm dò và khai thác khoáng sản.