2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2022.78 pmi-15896 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15896 Металлургия и обогащение Metallurgy and concentration Technological mineralogy: development of a comprehensive assessment of titanium ores (exemplified by the Pizhemskoye deposit) Технологическая минералогия: развитие комплексной оценки титановых руд (на примере Пижемского месторождения) Kotova Olga B. Котова О. Б. Kotova Olga B. kotova@geo.komisc.ru 0000-0001-8448-3385 Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (Россия) Institute of Geology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Russia) Ozhogina Elena G. Ожогина Е. Г. Ozhogina Elena G. vims-ozhogina@mail.ru 0000-0001-7845-2654 Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского (Россия) All-Russian Scientific Research Institute of Mineral Resources named after N.M.Fedorovsky (Russia) Ponaryadov Alexey V. Понарядов А. В. Ponaryadov Alexey V. avponaryadov@geo.komisc.ru 0000-0003-1166-2408 Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (Россия) Institute of Geology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Russia) 03 11 2022 2022 256 632 641 14 04 2022 21 07 2022 03 11 2022 © Olga B. Kotova, Elena G. Ozhogina, Alexey V. Ponaryadov 2022 О. Б. Котова, Е. Г. Ожогина, А. В. Понарядов Olga B. Kotova, Elena G. Ozhogina, Alexey V. Ponaryadov CC BY 4.0 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15896

Технологическая минералогия титановых руд является основой оценки их комплексности и позволяет с единых позиций проследить весь ход изменений минерального вещества через технологические процессы, включая обогащение, переработку, получение целевых индустриальных продуктов. Объекты исследования – пижемские ильменит-лейкоксеновые песчаники, которые отличаются сложным полиминеральным составом: наряду с главными рудными компонентами присутствуют другие металлы, форма нахождения которых различна (изоморфная примесь, самостоятельные минеральные фазы). Обоснован оптимальный комплекс методов минералогического анализа для прогнозной оценки их дальнейшего использования на примере титановых руд Пижемского месторождения, которые являются комплексными, отличаются переменным содержанием оксидов железа и содержат редкоземельные металлы. На основании экспертиз рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии подтверждено, что основными титансодержащими фазами песчаников являются псевдорутил и полиминеральный агрегат – «лейкоксен». С учетом особенностей гранулометрии магнитной и немагнитной фракций гравитационного концентрата обсуждаются перспективы технологий переработки титанового сырья. Наряду с проблемами получения качественного сырья рассматриваются трансформации минеральных фаз в результате экстремальных воздействий и их физико-химические свойства как результат изоморфного замещения части атомов Ti природными агентами-модификаторами (Fe и V) при синтезе наноструктур титановых оксидов для индустриальных приложений (фотокаталитического нанореактора).

Technological mineralogy of titanium ores is the basis for assessing their complexity. It enables, from a unified standpoint, to trace the entire course of changes in mineral matter through operating procedures, including beneficiation, processing, and obtaining target industrial products. The study targets are Pizhemskoye ilmenite-leucoxene sandstones, which are distinguished by a complex polymineral composition. Along with the main ore components, there are other metals with different speciation (isomorphic admixture, independent mineral phases). The optimal set of mineralogical analysis methods for the predictive assessment of their further use is substantiated exemplified by titanium ores of the Pizhemskoye deposit, which are complex, noted for a variable content of iron oxides and contain rare earth metals. Examinations by X-ray phase analysis and scanning electron microscopy confirm that the main titanium phases of sandstones are pseudorutile and a polymineral aggregate, “leucoxene”. Considering the granulometric peculiarities of the magnetic and non-magnetic fractions of the gravity concentrate, the prospects of technologies for processing titanium raw materials are discussed. Along with the problems of obtaining high-quality raw materials, the transformations of mineral phases as a result of extreme impacts and their physicochemical properties as a consequence of isomorphic substitution of a part of Ti atoms with natural modifier agents (Fe and V) in the synthesis of titanium oxide nanostructures for industrial applications are considered (photocatalytic nanoreactor).

 Ключевые слова Пижемское месторождение титановые руды технологическая минералогия комплексная оценка титансодержащие фазы наноструктуры титановых оксидов Keywords Pizhemskoye deposit titanium ores technological mineralogy comprehensive assessment titanium phases titanium oxide nanostructures Быховский Л.З., Тигунов Л.П. Титановое сырье России // Российский химический журнал. 2010. № 2 (54). С. 73-86. Bykhovskiy L.Z., Tigunov L.P. Titanium raw materials of Russia. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal. 2010. N 2 (54), p. 73-86. König U., Verryn S.M.C. Heavy Mineral Sands Mining and Downstream Processing: Value of Mineralogical Monitoring Using XRD // Minerals. 2021. Vol. Iss. 11. № 1253. DOI: 10.3390/min11111253 König U., Verryn S.M.C. Heavy Mineral Sands Mining and Downstream Processing: Value of Mineralogical Monitoring Using XRD. Minerals. 2021. Vol. 11. Iss. 11. N 1253. DOI: 10.3390/min11111253 Zou X., Pang Z., Ji L., Lu X. TiO2 as a source of titanium // Metal Oxides, Titanium Dioxide (TiO2) and Its Applications. Elsevier, 2021. P. 429-448. Zou X., Pang Z., Ji L., Lu X. TiO2 as a source of titanium. Metal Oxides, Titanium Dioxide (TiO2) and Its Applications. Elsevier, 2021, p. 429-448. Sun H., Wang J., Dong X., Xue Q. A literature review of titanium slag metallurgical processes // Metalurgia International. 2012. Vol. 17. Iss. P. 49-56. Sun H., Wang J., Dong X., Xue Q. A literature review of titanium slag metallurgical processes. Metalurgia International. 2012. Vol. 17. Iss. 7, p. 49-56. Wensheng Zhang, Zhaowu Zhu, Chu Yong Cheng. A literature review of titanium metallurgical processes // Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. Iss. 3-4. P. 177-188. DOI: 10.1016/j.hydromet.2011.04.005 Wensheng Zhang, Zhaowu Zhu, Chu Yong Cheng. A literature review of titanium metallurgical processes. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. Iss. 3-4, p. 177-188. DOI: 10.1016/j.hydromet.2011.04.005 Садыхов Г.Б. Фундаментальные проблемы и перспективы использования титанового сырья в России // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 3-4. С. 178-194. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-3-4-178-194 Sadykhov G.B. Fundamental problems and prospects for the use of titanium raw materials in Russia. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020. Vol. 63. N 3-4, p. 178-194 (in Russian). DOI: 10.17073/0368-0797-2020-3-4-178-194 Государственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2020 году. М.: Роснедра, 2021. 568 с. National report on the state and use of mineral resources of the Russian Federation in 2020. Мoscow: Rosnedra, 2021, p. 568. Быховский Л.З., Архипова Н.А. Рудная база стратегических редких металлов России: состояние, перспективы освоения и развития // Горный журнал. 2017. Т. 7. С. 4-10. DOI: 10.17580/gzh.2017.07.01 Bykhovskiy L.Z., Arkhipova N.A. Strategic rare metal supply in Russia: Current state and future prospects. Gornyi zhurnal. 2017. Vol. 7, p. 4-10 (in Russian). DOI: 10.17580/gzh.2017.07.01 Спорыхина Л.В., Быховский Л.З., Чеботарева О.С. Нетрадиционные источники титана: критерии выделения, проблемы использования // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2019. № 1 (164). С. 24-30. Sporykhina L.V., Bykhovsky L.Z., Chebotareva O.S. Non-Traditional Sources of Titanium: Criteria for Identification, Problems of Exploitation. Mineral recourses of Russia. Economics and management. 2019. N 1 (164), p. 24-30 (in Russian). Чантурия В.А., Шадрунова И.В., Горлова О.Е. Инновационные процессы глубокой и экологически безопасной переработки техногенного сырья в условиях новых экономических вызовов // Устойчивое развитие горных территорий. 2021. Т. 13. № 2 (48). С. 224-237. DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-2-224-237 Chanturiya V.A., Shadrunova I.V., Gorlova O.E. Innovative processes of deep and environmentally safe processing of technogenic raw materials in the face of new economic challenges. Ustoychivoe razvitie gornykh territoriy. 2021. Vol. 13. N 2 (48), p. 224-237. DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-2-224-237 Быстров И.Г., Пирогов Б.И., Якушина О.А. Морфоструктурные и конституционные особенности титаномагнетита железных руд Пудожгорского месторождения // Геология рудных месторождений. 2015. Т. 57. № 6. С. 546-572. DOI: 10.7868/S0016777015060076 Bystrov I.G., Pirogov B.I., Yakushina O.A. Morphostructural and Constitutional Features of Titanomagnetite in Iron Ore of the Pudozhgorsky Deposit. Geology of Ore Deposits. 2015. Vol. 57. N 6, p. 496-521. DOI: 10.1134/S1075701515060070 Садыхов Г.Б., Макеев А.Б., Копьев Д.Ю. и др. Минералого-технологические особенности титаноносных песчаников Пижемского месторождения // Металлы. 2021. № 5. С. 117-129. DOI: 10.1134/S003602952109014 Sadykhov G.B., Makeyev A.B., Kopyev D.Y. et al. Mineralogical and Technological Features of the Titanium-Bearing Sandstones of the Pizhemskoye Deposit. Russian Metallurgy (Metally). 2021. N 9, p. 1143–1154. DOI: 10.1134/S0036029521090147 Левченко Е.Н. Особенности вещественного состава титан-циркониевых россыпей России // Литология и полезные ископаемые. 2006. № 2. С. 134-153. Levchenko E.N. Features of the material composition of titanium-zirconium placers in Russia. Litologiya i poleznye iskopaemye. 2006. N 2, p. 134-153. Ожогина Е.Г., Котова О.Б. Технологическая минералогия в решении проблем комплексной переработки минерального сырья // Устойчивое развитие горных территорий. 2021. Т. 13. № 2 (48). С. 170-178. DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-2-170-178 Ozhogina E.G., Kotova O.B. How Technological Mineralogy Can Solve Problems of Integrated Processing of Mineral Raw. Sustainable Development of Mountain Territories. 2021. Vol. 13. N 2 (48), p. 170-178 (in Russian). DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-2-170-178 Макеев А.Б. Типоморфные особенности минералов титановых руд Пижемского месторождения // Минералогия. 2016. № 1. С. 24-49. Makeev A.B. Typomorphic Features of Minerals of Ti Ores from the Pizhemskoe Deposit. Mineralogy. 2016. N 1, p. 24-49 (in Russian). Плякин А.М., Ершова О.В. О возрасте девонских полиминеральных россыпей Тимана // Известия Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук. 2010. Т. 1. № 1. С. 60-63. Plyakin A.M., Ershova O.V. On the Age of Devonian Polymeric Alluvial Deposits in Timan. Vestnik IG Komi SC UB RAS. 2010. Vol. 1. N 1, p. 60-63 (in Russian). Занавескин К.Л., Масленников А.Н., Занавескина С.М., Дмитриев Г.С. Обогащение лейкоксена Ярегского месторождения методом автоклавного выщелачивания // Обогащение руд. 2016. № 6. С. 14-20. DOI: 10.17580/or.2016.06.03 Zanaveskin K.L., Maslennikov A.N., Zanaveskina S.M., Dmitriev G.S. The Yaregskoye deposit leucoxene processing by means of autoclave leaching. Obogashchenie rud. 2016. N 6, p. 14-20 (in Russian). DOI: 10.17580/or.2016.06.03 Perovskiy I.А., Burtsev I.N., Ponaryadov A.V., Smorokov A.A. Ammonium fluoride roasting and water leaching of leucoxene concentrates to produce a high grade titanium dioxide resource (of the Yaregskoye deposit, Timan, Russia) // Hydrometallurgy. 2022. Vol. 210. № 105858. DOI: 10.1016/j.hydromet.2022.105858 Perovskiy I.А., Burtsev I.N., Ponaryadov A.V., Smorokov A.A. Ammonium fluoride roasting and water leaching of leucoxene concentrates to produce a high grade titanium dioxide resource (of the Yaregskoye deposit, Timan, Russia). Hydrometallurgy. 2022. Vol. 210. N 105858. DOI: 10.1016/j.hydromet.2022.105858 Макеев А.Б. Пижемское титановое месторождение: аспекты геологического строения, минерального состава руд, генезиса, технологии и промышленного освоения // Геология и минеральные ресурсы Европейского Северо-Востока России: Материалы XVII Геологического съезда Республики Коми, Сыктывкар, 16-18 апреля 2019, Сыктывкар, Россия. Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, 2019. С. 324-326. Makeev A.B. Pizhemskoye titanium deposit: aspects of the geological structure, mineral composition of ores, genesis, technology, and commercial development. Geologiya i mineral'nye resursy Evropeyskogo Severo-Vostoka Rossii: Materialy XVII Geologicheskogo s"ezda Respubliki Komi, Syktyvkar, 16-18 aprelya 2019, Syktyvkar, Rossiya. Institut geologii Komi nauchnogo tsentra Ural'skogo otdeleniya Rossiyskoy akademii nauk, 2019, p. 324-326. Ткачук А.Н., Трофимов Е.Н., Новиков А.А. и др. Проект строительства горно-металлургического комплекса на базе Пижемского месторождения титана // Горный журнал. 2013. № 9. С. 67-70. Tkachuk A.N., Trofimov E.N., Novikov A.A. Project of construction of mining and metallurgical complex on the basis of Pizhemskoe titanium deposit. Gornyi zhurnal. 2013. N 9, p. 67-70 (in Russian). Скублов С.Г., Красоткина А.О., Макеев А.Б. и др. Первые данные о возрасте (U-Pb метод, TIMS, LA-ICP-MS) рутила из Ичетьюского полиминерального рудопроявления, Средний Тиман // Записки Горного института. 2018. Т. 232. С. 357-363. DOI: 10.31897/PMI.2018.4.357 Skublov S.G., Krasotkina A.O., Makeev A.B. et al. The First Data on the U-Pb Age (Tims and La-Icp-Ms) of Rutile from the Ichetju Polymineral Occurrence, the Middle Timan. Journal of Mining Institute. 2018. Vol. 232, p. 357-363.DOI: 10.31897/PMI.2018.4.357 Понарядов А.В. Минералого-технологические особенности ильменит-лейкоксеновых руд Пижемского месторождения, Средний Тиман // Вестник Института геологии Коми научного центра УрО РАН. 2017. № 1 (265). С. 29-36. DOI: 10.19110/2221-1381-2017-1-29-36 Ponaryadov A.V. Minerals and Processing Features of Ilmenite-Leucoxene Ores of Pizhemskoe Deposit, Middle Timan. Vestnik IG Komi SC UB RAS. 2017. N 1 (265), p. 29-36. DOI: 10.19110/2221-1381-2017-1-29-36 Анисимова А.Б. Глубокая и комплексная переработка минерального сырья: определение и экономический смысл // Евразийский научный журнал. 2019. T. 6 (11). https://esj.today/PDF/32ECVNpdf (дата обращения 12.06.2022). Anisimova A.B. Deep and integrated processing of mineral raw materials: definition and economic sense. The Eurasian Scientific Journal. 2019. Vol. 6 (11). URL: https://esj.today/PDF/32ECVN619.pdf (accessed 12.06.2022) (in Russian). Jihua Zhai, Pan Chen, Wei Sun et al. A review of mineral processing of ilmenite by flotation // Minerals Engineering. 2020. Vol. 157. № DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106558 Jihua Zhai, Pan Chen, Wei Sun et al. A review of mineral processing of ilmenite by flotation. Minerals Engineering. 2020. Vol. 157. N 106558. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106558 Макеев А.Б., Лютоев В.П. Спектроскопия в технологической минералогии. Минеральный состав концентратов титановых руд Пижемского месторождения (Средний Тиман) // Обогащение руд. 2015. № 5. С. 33-41. DOI: 10.17580/or.2015.05.06 Makeev A.B., Lyutoev V.P. Spectroscopy in process mineralogy. The Pizhemskoye deposit titanium ores concentrates mineral composition. Obogashchenie rud. 2015. N 5, p. 33-41 (in Russian). DOI: 10.17580/or.2015.05.06 Jung E.J., Kim J., Lee Y.R. A comparative study on the chloride effectiveness of synthetic rutile and natural rutile manufactured from ilmenite ore // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. № DOI: 10.1038/s41598-021-83485-6 Jung E.J., Kim J., Lee Y.R. A comparative study on the chloride effectiveness of synthetic rutile and natural rutile manufactured from ilmenite ore. Scientific Reports. 2021. Vol. 11. N 4045. DOI: 10.1038/s41598-021-83485-6 Kordzadeh-Kermani V., Schaffie M., Rafsanjani H.H., Ranjbar M. Amodified process for leaching of ilmenite and production of TiO2 nanoparticles // Hydrometallurgy. Vol. 198. № 105507. DOI: 10.1016/j.hydromet.2020.105507 Kordzadeh-Kermani V., Schaffie M., Rafsanjani H.H., Ranjbar M. A modified process for leaching of ilmenite and production of TiO2 nanoparticles. Hydrometallurgy. 2020. Vol. 198. N105507. DOI: 10.1016/j.hydromet.2020.105507 Александрова Т.Н., Афанасова А.В., Николаева Н.В. Низкоразмерные структуры благородных и цветных металлов и методы их селективной сепарации // Устойчивое развитие горных территорий. 2021. Т. №2 (48). С. 161-169. DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-2-161-169 Aleksandrova T.N., Afanasova A.V., Nikolaeva N.V. Low- Grade Structures of Noble and Non- Ferrous Metals and Methods of Their Selective Separation. Sustainable Development of Mountain Territories. 2021. Vol. 13. N 2 (48), p. 161-169 (in Russian). DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-2-161-169 Aphairaja D., Wirunmongkol T., Pavasupree S., Limsuwan P. Synthesis of Titanate Nanotubes from Thai Leucoxene Mineral // Procedia Engineering, 2012. Vol. 32. P. 1068-1072. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.02.056 Aphairaja D., Wirunmongkol T., Pavasupree S., Limsuwan P. Synthesis of Titanate Nanotubes from Thai Leucoxene Mineral. Procedia Engineering. 2012. Vol. 32, p. 1068-1072. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.02.056 Bhadra C.M., Truong V.Kh., Pham V.T.H. et al. Antibacterial titanium nano-patterned arrays inspired by dragonfly wings // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. № DOI: 10.1038/srep16817 Bhadra C.M., Truong V.Kh., Pham V.T.H. et al. Antibacterial titanium nano-patterned arrays inspired by dragonfly wings. Scientific Reports. 2015. Vol. 5. N 16817. DOI: 10.1038/srep16817 Souza W., Piperni S.G., Laviola P. et al. The two faces of titanium dioxide nanoparticles bio-camouflage in 3D bone spheroids // Scientific Reports. 2019. Vol. Iss. 9. № 9309. DOI: 10.1038/s41598-019-45797-6 Souza W., Piperni S.G., Laviola P. et al. The two faces of titanium dioxide nanoparticles bio-camouflage in 3D bone spheroids. Scientific Reports. 2019. Vol. 27. Iss. 9. N 9309. DOI: 10.1038/s41598-019-45797-6 Diasanayake M.A.K.L., Senadeera G.K.R., Sarangika H.N.M. et al. TiO2 as a Low Cost, Multi Functional Material // Materials Today: Proceedings. 2016. Vol. 3. Supplement 1. P. 40-47. DOI: 10.1016/j.matpr.2016.01.006 Diasanayake M.A.K.L., Senadeera G.K.R., Sarangika H.N.M. et al. TiO2 as a Low Cost, Multi Functional Material. Materials Today: Proceedings. 2016. Vol. 3. Supplement 1, p. 40-47. DOI: 10.1016/j.matpr.2016.01.006 Ponaryadov A.V., Kotova O.B., Sun S. et al. Natural titanium dioxide nanotubes // Építőanyag – JSBCM. 2020. Vol. Iss.5. P. 152-155. DOI: 10.14382/epitoanyag-jsbcm.2020.25 Ponaryadov A.V., Kotova O.B., Sun S. et al. Natural titanium dioxide nanotubes. Építőanyag – JSBCM. 2020. Vol. 72. Iss. 5, p. 152-155. DOI: 10.14382/epitoanyag-jsbcm.2020.25 Fauzi A., Lalasari L.H., Sofyan N. et al. Synthesis of titanium di­oxide nanotube derived from ilmenite mineral through post-hydrothermal treatment and its photocatalytic performance // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2022. Vol. 2. P. 15- DOI: 10.15587/1729-4061.2022.255145 Fauzi A., Lalasari L.H., Sofyan N. et al. Synthesis of titanium dioxide nanotube derived from ilmenite mineral through post-hydrothermal treatment and its photocatalytic performance. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2022. Vol. 2, p. 15-29. DOI: 10.15587/1729-4061.2022.255145 Doong R., Kao I. Fabrication and Characterization of nanostructured tittanate materials by the hydrothermal treatment method // Recent Patents on Nanotechnology. 2008. Vol. 2. P. 84-102. DOI: 10.2174/187221008784534497 Doong R., Kao I. Fabrication and Characterization of nanostructured tittanate materials by the hydrothermal treatment method. Recent Patents on Nanotechnology. 2008. Vol. 2, p. 84-102. DOI: 10.2174/187221008784534497 Котова О.Б., Понарядов А.В., Гёмзе Л.А. Гидротермический синтез нанотрубок диоксида титана из концентрата титановой руды Пижемского месторождения (Россия) // Вестник Института геологии Коми научного центра УрО РАН. 2016. № 1 (253). С. 34-36. DOI: 10.19110/2221-1381-2016-1-34-36 Kotova O.B., Ponaryadov A.V., Gömze L.A. Hydrothermal Synthesis of TiO2 Nanotubes from Concentrate of Titanium Ore of Pizhemskoe Deposit (Russia). Vestnik IG Komi SC UB RAS. 2016. N 1 (253), p. 34-36 (in Russian). DOI: 10.19110/2221-1381-2016-1-34-36 Понарядов А.В., Котова О.Б., Сан Ш. Фотокаталитический нанореактор на основе низкоразмерных структур оксидов титана // Вестник геонаук. 2022. № 1 (325). C. 54-56. DOI: 10.19110/geov.2022.1.5 Ponaryadov A.V., Kotova O.B., Shiyong Sun. Photocatalytic nanoreactor based on low-dimensional titanium oxide structures. Vestnik of Geosciences. 2022. N 1 (325), p. 54-56 (in Russian). DOI: 10.19110/geov.2022.1.5 Nikolaev A.A., Kirpichev D.E., Samokhin A.V., Nikolaev A.V. Thermochemical plasma-Arc treatment of leucoxene concentrate // Inorganic Mater. 2017. Vol. 8. P. 406-411. DOI: 10.1134/S2075113317030182 Nikolaev A.A., Kirpichev D.E., Samokhin A.V., Nikolaev A.V. Thermochemical plasma-Arc treatment of leucoxene concentrate. Inorganic Mater. 2017. Vol. 8, p. 406-411. DOI: 10.1134/S2075113317030182