Хвосты обогащения железистых кварцитов (ХОЖК) представляют собой мелкозернистый порошок из отходов горнообогатительных комбинатов, образуемый при сухой и мокрой сепарации измельченных железосодержащих кварцитов.

Основным производителем отходов являются горнообогатительные комбинаты страны, которые перерабатывают исходное минеральное сырье для получения железистого концентрата.

В хвостохранилища России ежегодно складируются свыше 20 млн. тонн ХОЖК, занимая при этом огромные территории плодородных земель и нанося непоправимый экологический ущерб окружающей среде.

Создание территориально-производственного комплекса КМА на территории Белгородской области наравне с повышением эффективности общественного производства России, оказывает отрицательное воздействие на окружающую природную среду и особенно развитие горнорудной промышленности.

Наиболее опасными источниками загрязнений являются обогатительные фабрики и связанные с ними хвостохранилища. Это вызывает большую тревогу, т.к. отвалы и хвостохранилища не только занимают значительные площади сельскохозяйственных угодий, но и в результате ветровой и водной эрозии негативно воздействуют на прилегающие земли.

Учеными подсчитано, что с 1 га поверхности отвала выносится до 300 тонн пыли в год, содержащей высокотоксичные тяжелые металлы и другие вещества.

ХОЖК только Стойленского ГОКа занимают площадь, равную 493 га. Часть её покрыта водой – около 253 га, а другая находится в обезвоженном состоянии – это так называемые "сухие пляжи" или пылящая зона, она занимает площадь 240 га, глубина в пределах 16 – 21 м. Общее количество хвостов до 2010 года составит порядка 100 млн. тонн.

По минерало-петрографическому составу ХОЖК представлены кварцем, магнетитом, гематитом, карбонатами, слюдами, пиритом, ильменитом, силикатами, полевым шпатом и др.

Основным минералом, слагающим хвосты обогащения, является α-кварц практически без включений рудных минералов и магнетит, основной рудный минерал представлен в виде вкрапленности в кварцевых зернах, в силикатах, реже отдельными тонкими прослоями в обломках железистых кварцитов. При этом в тонких фракциях повышается концентрация высокодисперсного гематита (Fe₂O₃) и магнетита.

Химический состав ХОЖК представлен в табл. 1, а физико-химические свойства – в табл. 2.

Таблица 1 - Усредненный состав ХОЖК, мас. %

Таблица 2 - Физико-химические свойствва ХОЖК

Учеными установлено закономерное изменение содержания компонентов, обусловленное гравитационной дифференциацией. Вблизи выпуска пульпы концентрируются минералы, содержащие железо (магнетит, гематит, пирит), а на удалении от выпуска повышается содержание SiO₂ (чистый кварц без отростков), CaO, MgO, K₂O, Na₂O (силикаты, амфиболы, карбонаты). Отмечено также вблизи выпуска повышенное содержание серы за счет накопления пирита.

Следовательно, состав ХОЖК в "сухих пляжах" значительно отличается от состава в вблизи места выпуск. Это же относится и к гранулометрическому составу ХОЖК. С удалением от места выпуска наблюдается повышение мелких фракций (0,1-0,045 мм).

Несмотря на то, что уже более 30 лет в БелГТАСМ ведутся разработки по практическому применению ХОЖК, разработанные технологии базировались на использовании только кварцсодержащей основы хвостов, т.е. в качестве кварцевого наполнителя в бетоны, цементы, железобетоны, керамический и силикатный кирпич и т.д. И даже, если они все будут внедрены, то проблема утилизации ХОЖК не будет решена, т.к. на все потребуется лишь 20 % от объема хвостов обогащения КМА.

Анализируя литературные данные, химический состав и агрегатное состояние ХОЖК мы пришли к выводу о том, что их можно при соответствующей термообработке (обжиге) использовать в качестве пигментов–наполнителей в различные стройматериалы. Кроме того, по разработанной нами технологии утилизации ХОЖК можно получить дешевый пигмент с различной цветовой гаммой и использовать его 100% в качестве товара народного потребления, например в побелках, шпаклевках, лакокрасочных материалов, для окраски цемента, силикатного кирпича, бетонов, в качестве пигмента-наполнителя при производстве линолеума, цветного асфальтобетона и т.д.

Цветовая гамма полученного на основе ХОЖК пигмента очень зависит от температуры обжига. В лабораторных условиях получены образцы пигментов от ярко-оранжевой до темно-красной и коричневой окраски. Оcновной параметр, характеризующий пигменты – это укрывистость, в наших образцах она составила 35 г/см², что вполне удовлетворяет требованиям ГОСТа на данный тип материала.

Кроме того, в отличие от используемых пигментов из чистого Fe₂O₃ (охра и др.), образованная пленка хромофора (гетит FeOOH) на поверхности частиц SiO₂ настолько прочна, что не смывается водой, не растворяется в кислотах свето- и термоустойчива. Термоустойчивость опреде-ляется как потеря в массе после прокаливания при 1200^oС в течение 2 часов, она составила 0,098%. Кислотостойкость определяется как потеря в массе при обработке 1 г пигмента кислотами при 70-80^oС в течение 6 часов. В 50% HNO₃ она составила 0,015%, в 75% H₂SO₄ - 0,0023%. Как показали исследования рентгенофазового и микроскопического анализа, образованная пленка – хромофора внедряется в структуру SiO₂,образуя прочные химические соединения типа Fe₂SiO₄, Fe₇SiO₁₀, FeSiO₃, FeCaSiO₃ и др. (дифракционные максимумы: 2,5; 1,5; 4,62; 2,57; 3,39; 2,93; 2,69 соответственно).

Микроструктурные исследования образцов, обоженных при 1000^oС, имеющих темно-красный цвет, показали присутствие зерен кварца 500-600 мкм, и на них четко просматриваются обволакивающие зерна кварца хромофорные группы гетита FeOOH. Пленка – ореол стеклофазы видна на микрофотографиях образцов с добавкой 1% Na₂CO₃, при этом интенсивность цвета возрастает. Проведенные исследования показали возможность использования полученных пигментов в лакокрасочных материалах.

Несомненным преимуществом предлагаемой технологии получения пигментов на основе хвостов обогащения железистых кварцитов является то, что в данном случае не требуется дополнительных дорогостоящих энергоемких операций по измельчению и совместному помолу и, что самое главное предлагается 100% утилизация отходов с получением товара народного потребления.