Аннотация
Выборов С. Г., Силин А. А. Перспективы отвальных пород в качестве алюминиевого сырья. Рассматриваются вопросы возможности использования породных отвалов в качестве вторичного сырья для извлечения полезных компонентов. Для оценки перспектив использования породных отвалов были исследованы терриконы, расположенные в пределах города Донецка, на содержание глинозема, и перспектив дальнейшего извлечения алюминия из них.
Содержание работы
Алюминий – один из важнейших металлов современной индустрии. По масштабам производства и потребления он занимает второе место после железа и первое среди цветных металлов, что связано с его универсальными свойствами: малой плотностью (2,7 г/см3), высокой электропроводностью, пластичностью, механической прочностью, устойчивостью против коррозии – обусловившими его широкое применение во всех областях техники. Широко используется в авиационной и автомобильной промышленности, в строительстве и машиностроении, электропромышленности, в производстве тары и упаковки.
Алюминий – наиболее типичный литофильный породообразующий элемент Земли (кларк его составляет 8%, по А. П. Виноградову). Наряду с кремнием входит в состав большей части породообразующих минералов-алюмосиликатов. Содержание алюминия в горных породах изменяется от 0,45% (в ультрабазитах) до 10,45% (в глинах и сланцах) [1].
Для получения металлического алюминия и других целей в промышленных масштабах глинозем производят преимущественно из бокситов (малокремнистых и маложелезистых), в значительно меньшей степени – из нефелиновых и алунитовых руд. Глинозем может быть получен и из некоторых других видов нетрадиционного сырья: псевдолейцита, дистена, силлиманита, андалузита, корунда, полевых шпатов, каолинита, высокоглиноземистых глин, анортозитов, алюможелезных руд, пирофиллита, давсонита, алюминита, алюмофосфатов, вторичного высокоглиноземистого минерального сырья (зола, шламы).
Украина, как и любая другая страна с мощной многопрофильной промышленностью, потребляет большое количество металлического алюминия (первичного, вторичного, проката, фольги, сплавов). Химический глинозем и первичный алюминий производятся на достаточно больших по мощностям Николаевском глиноземном заводе (НГЗ) и Запорожском алюминиевом комбинате (ЗАК). Сырьем для этих предприятий являются бокситы, импортируемые из Гвинеи (около 80%), Австралии, Ямайки и других стран. Таким образом, алюминиевая промышленность Украины ныне обеспечивается только импортными бокситами стоимостью 450–550 дол. за 1 т. [2]. Вместе с тем в недрах страны сконцентрированы существенные ресурсы сырья, которые могут стать значительным источником глинозема, других высокоглиноземистых продуктов и позволят снизить долю импортных бокситов [3].
.Всевозрастающий спрос на алюминий и его сплавы вызывает необходимость вовлечения в сферу глиноземного производства новых видов сырья. В настоящее время в мировой практике существуют примеры использования в экспериментальных условиях для производства алюминия глин с повышенным содержанием глинозема (США), лейцитовых (Италия) и андалузитовых (Швеция) пород, лабрадоритов (Норвегия), алунитов и алюмосланцев (Япония), угольной золы в сочетании с высоко-глиноземистыми глинами (ФРГ). Во всех этих случаях стоимость глинозема в 4–5 раз превышает стоимость его извлечения из высокосортных бокситов.
Перспективно извлечение алюминия из отходов угольных предприятий – отвальных пород. Использование отходов добычи и обогащения угля – одна из важных задач, определяющих пути рационального развития всей угледобывающей промышленности. Породные отвалы, особенно горящие, – источники выбросов пыли и различных токсичных соединений, что негативно сказывается на окружающей среде и вызывает необходимость рассмотрения вопросов рационального, экономически и экологически эффективного использования отвальных пород. На предприятиях Донбасса практически отсутствуют мероприятия по использованию отходов угледобычи. Вся выдаваемая шахтами порода в основном складируется в отвалы. По ориентировочным данным, на территории бассейна находится около 1250 больших и малых породных отвалов, в которых на площади 5,5 тыс. га сосредоточено до 1800000 тыс. т. отходов.
Использование породных отвалов в качестве источника техногенного сырья, в том числе алюминиевого, позволит решить сразу несколько проблем: в процессе разработки часть породных отвалов региона будет разобрана, что существенно снизит экологическую нагрузку; полученное в ходе переработки сырье позволит снизить объемы его импорта, что обеспечит большую независимость промышленного комплекса, его конкурентоспособность и повысит экономическую эффективность; в результате разборки породных отвалов будут освобождены значительные территории, которые можно использовать в различных отраслях народного хозяйства либо в целях рекреации.
Ранее уже проводились работы по изучению породных отвалов в качестве техногенных месторождений, ориентированные на расширение минерально-сырьевой базы народного хозяйства [3-7]. Разные авторы рассматривали Al, Sc, Ga, Y, V, Ni, Ge как потенциально полезные компоненты. Исследователи сходятся в едином мнении о высокой сырьевой ценности отвальных пород. Подобные оценки периодически появляются в средствах массовой информации. Вместе с тем системные исследования оценки перспектив отвальных пород как вторичного сырья практически не проводились. В отчетах и фондовых материалах приводятся противоречивые данные о количестве отвалов, их размерах, морфологии, состоянии, об объемах сосредоточенных в них отходов, о площадях занимаемых земель.
С 2008 г. авторы совместно с управлением экологической безопасности Донецкого горсовета систематизировали породные отвалы города, изучали их состояние, геохимическую специализацию, степень экологической опасности, оценивали перспективы отвальных пород как вторичного сырья. В 2008 г. были отобраны 22 пробы различных типов пород на трех отвалах. В лабораторных условиях количественными методами были определены концентрации токсичных элементов (Cd, Hg, As, Pb), основных породообразующих оксидов (силикатный анализ), солевой состав водной вытяжки. Изучено распределение установленных микроэлементов и макрокомпонентов, установлены их поведение в процессе горения и окисления отвальных пород, минералого-геохимическая зональность ореолов окисления, что позволило определить степень экологической опасности процессов преобразования отвальных пород [8-10].
.В 2011 г. было отобрано 100 литохимических проб отвальных пород из 29 отвалов, расположенных вблизи центральной части города. Пробы подверглись полуколичественному спектральному анализу на 40 элементах, количественными методами определена ртуть, в 50 пробах, специально отобранных из аргиллитов как наиболее перспективных и количественно преобладающих в отвалах, выявлены концентрации глинозема (Al2O3). Пробы из зон окисления с интенсивными проявлениями сульфатной минерализации на содержание глинозема не исследовались.
Сколь-нибудь значимые аномальные концентрации микроэлементов не установлены. Концентрации компонентов в породной массе отвалов по данным полуколичественного спектрального анализа приведены в таблице.
Во всех 50 пробах, отобранных для определения содержания глинозема, выявлены повышенные концентрации алюминия, превышающие кларк в 1,12–2,86 раза, что для петрогенного элемента весьма существенно. На основании полученных результатов сделан вывод: породная масса исследованных отвалов в качестве вторичного сырья может рассматриваться лишь на Al.
Один из основных показателей качества алюминиевого сырья – соотношение содержаний кремнезема и оксида алюминия (кремниевый модуль). Концентрации кремнезема в отобранных пробах не определялись, поэтому характеристика данного параметра приводится по опубликованным результатам исследований некоторых отвалов города [6,7]. Отвальные породы содержат кремнезем на уровне 44–66%, что, безусловно, осложняет извлечение из них алюминия. Отношение концентраций глинозема к кремнезему (кремниевый модуль) – в пределах 0,30–0,42 ед.
Установлено, что концентрация глинозема в породных отвалах Донецка колеблется в пределах 11,7–29,4%. Она зависит от уровня его изначального содержания в отрабатываемой осадочной породе, которое определяется условиями седиментогенеза первичного осадка, последующими процессами диагенеза, катагенеза и гидротермальных преобразований. Установлено также, что одними из важных факторов, влияющих на распределение глинозема в породной массе, являются характер и степень ее преобразования в пределах отвала.
Процессы окисления породной массы детально изучены в 2008 г. на отвале шахты Ветка № 1-7
. В разной степени они заметны на поверхности прак-тически всех обследованных отвалов. По визуальным структурно-вещественным признакам в очагах окисления отвальных пород выделяются четыре зоны, проявившиеся в приповерхностной части отвалов. В этих зонах происходит значительное преобразование исходного вещества, активизируются процессы миграции. В первой зоне находится первичный рыхлый материал отвала характерного черного цвета. Породы представлены неизмененными аргиллитами и алевролитами, реже песчаниками, встречаются отдельные куски угля, по составу они соответствуют поступающим в отвал породам углеотходов.
Далее расположена переходная зона, в которой породы приобретают бурый, вишневый оттенок. Отчетливо выделяются налеты, прожилково-вкрапленные тонкозернистые агрегаты серы желтого цвета. В ассоциации с серой отмечается белая сульфатная минерализация, которая также заполняет поры, трещины, образует налеты в виде корочек тонкозернистых «землистых» агрегатов. Здесь породы хрупкие, крошатся в случае приложения незначительных усилий.
Зона желтой гидрогенной минерализации сменяется зоной белой сульфатной минерализации, которая пропитывает породную массу и отдельные обломки, образует прожилки, вкрапленники и налеты, заполняет поры и межобломочное пространство. Здесь исходные породы приобретают красный цвет. Эта зона постепенно сменяется полностью окисленными породами кирпично-красного цвета. Сульфатная минерализация визуально не обнаруживается. Породы приобретают более прочную структуру и пористость, местами под действием высоких температур спекаются в прочную брекчиевидную массу, включающую в себя обломки пород различного размера, а также мелкие спекшиеся частицы.
Увеличение концентрации кремнезема, глинозема и оксидов железа обусловлен их практически неподвижным состоянием в процессе окисления. Эти компоненты не могут переходить в высокоминерализованный поровый водный раствор, насыщенный сульфатами, поэтому их концентрация возрастает благодаря выносу подвижных компонентов из исходных пород при окислении или горении последних. При этом монолитные породы становятся пористыми. В переходных зонах поры заполняют сера и легко растворимые водой сульфаты, гидрокарбонаты, а на удалении от очагов окисления, где вымывание этих минералов атмосферными водами опережает процессы их образования, видны пустоты различной формы. Пустоты образовались на месте ранее существовавших окисленных минеральных агрегатов и органического вещества. Поэтому для роста концентрации малоподвижных компонентов достаточно выноса других, подвижных компонентов.
Увеличение концентрации оксидов кальция и микроэлементов может быть обусловлено их выносом из промежуточных зон окисления, где отмечается падение содержания. Сера в качестве самостоятельной минеральной фазы формируется как промежуточный продукт окисления сульфидной серы в сульфатную, поэтому ее агрегаты желтого цвета окаймжуточной зоне развития белой сульфатной минеральные очаги окисления и горения отвальных пород.Оксиды натрия, серы и сульфат-ион подвижные, их снижение концентраций неподвижных компонентов.
Рис. 1. Распределение Al2O3 в аргиллитах выделенных зон процесса окисления.
Рис. 2. Схема размещения обследованных породных отвалов г. Донецка и установленные в них уровни концентраций глинозема
Проблема породных отвалов не имеет однозначного разрешения. Каждый отвал уникален по своим параметрам (состоянию процессов окис-ления, вещественному составу, размерам, морфологии) и по месту расположения. Поэтому решение по конкретному отвалу должно быть индивидуальным на основе комплексных исследований. Исходя из установленных высоких концентраций глинозема, некоторые отвалы можно рекомендовать для дальнейшего более детального изучения.
Полученные в ходе исследований данные позволяют сделать вывод о том, что большая часть породных отвалов угольных шахт г. Донецка перспективна в качестве вторичного сырья для производства глинозема. Особого внимания заслуживают отвалы с концентрацией глинозема выше 20%. Однако использование отвальных пород в качестве алюминиевого сырья будет определяться технологией извлечения глинозема, которая должна предусматривать переработку преобладающей в количественном отношении породной массы с концентрацией Al2O3 от 20% и выше. Отсутствие экономически эффективных технологий извлечения глинозема из отвальных пород – основная причина того, что отвалы до настоящего времени не переработаны.
Список использованной литературы
1. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Алюминиевые руды. – М., 2007. – 38 с.
2. Мировой рынок: цены на неметаллические ископаемые в июне (СIF, основные порты Западной Европы)*/ Металл Украины, СНГ, мира// http://ukrmet. dp.ua/2011/08/07/mirovoj-rynok-ceny-na-nemetallicheskieiskopaemye-v-iyune-sif-osnovnye-porty-zapadnoj-evropy. html [16.10.2011 19:15:24]
3. Металічні і неметалічні корисні копалини України [Гурський Д. С., Єсипчук К. Ю., Калінін В. І., Куліш В. А. ]. – Київ – Львів: Центр Європи, 2005. – 785 с.
4. Мнухин А. Г. Комплексная переработка породных отвалов шахт Донецкого региона// http://www.maknii. makeevka.com/razrabotki.shtml?otval1
5. Проскурня Ю. А. Минералогия породных отвалов угольных шахт Донбасса (на примере Донецко-Макеевского промышленного района): дис. канд. геолог. наук: 04.00.11 / Ю. А. Проскурня. – Донецк, 2000. – 165 с.
6. Пелипенко С. А. Изучение отвалов шахт и углеобогатительных фабрик с целью их утилизации (Донецко-Макеевский район) // С. А. Пелипенко. – Артемовск: ГГП «Донбассгеология», Артемовская ГРЭ, 1993. – 279 с.
7. Канана Я. Ф. Анализ и обобщение данных по оценке пригодности вскрышных пород и отходов добычи и переработки угля для промышленного использования. – Донецк: ПО «Укруглегеология», Димитровская ГРЭ, 1987. – 185 с.