CC BY
39
УДК 549+550.2+553+622
ПРОТОТИПЫ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РАЗВИТИЯ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО КОМПЛЕКСА ТИМАНО-СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО РЕГИОНА
И.Н. БУРЦЕВ, О.Б. КОТОВА, Д.В. КУЗЬМИН, Д.О. МАШИН, И.А. ПЕРОВСКИЙ, А.В. ПОНАРЯДОВ, Д.А. ШУШКОВ
Институт геологии Коми научного центра УрО РАН, г. Сыктывкар burtsev@geo.komisc.ru, kotova@geo.komisc.ru
Рассматриваются актуальные проблемы технологии минерального сырья Ти-мано-Североуральского региона. Описана роль технологических разработок в развитии и эффективном использовании минерально-сырьевого потенциала региона. Обосновываются перспективы развития угольной отрасли и возможности расширения сырьевой базы и повышения эффективности использования титанового алюминиевого сырья, синтетических цеолитов, химических чистых известняков. Показана необходимость дальнейшего развития исследований технологии минерального сырья и создания регионального геотехнологического центра.
Ключевые слова: Тимано-Североуральский регион, минеральные ресурсы, технологическая оценка, уголь, горючие сланцы, бокситы, титановые руды, цеолиты, промышленные минералы
I.N. BURTSEV, O.B. KOTOVA, D.V. KUZMIN, D.O. MASHIN, I.A. PEROV-SKIY, A.V. PONARYADOV, D.A. SHUSHKOV. PROTOTYPES OF NEW TECHNOLOGIES FOR DEVELOPMENT OF THE MINERAL RAW MATERIALS COMPLEX OF THE TIMAN-NORTH URALS REGION
Urgent problems of technology of mineral raw materials of the Timan-North Urals region are considered. The role of technological developments in the development and effective use of mineral resources is shown. The prospects of development of coal industry connected with essential increase in depth of benefication of coals and creation of the coal chemical productions are substantiated. The possibility of receipt of hyper coals from coals of various technological groups of the Pechora basin is for the first time proved. Brown coal and oil shales are perspective raw materials for industrial development. Their development will promote creation of new industries in the region. Possibilities of expansion of the mineral resources potential and increase in efficiency of use of aluminum raw materials are shown. New methods of desiliconization of bauxites and leucoxene concentrates, obtaining of microporous titanosilicates, photocata-lysts and nanotubes from titanium raw materials are proposed. Production of zeolitic raw materials having a wide range of applications - from sorption of radionuclides to obtaining of new heat-insulating materials is perspective. The possibility of production of synthetic zeolites from fly ashes of the thermal power plants is shown. Development of fields of high-quality carbonate raw materials is of great importance for the region. The resource base of chemically pure limestones is estimated, the original organic and mineral composites with increased content of mineral substance being in demand in pulp and paper industry, construction, medicine are developed.
The necessity of development of researches in the field of technology of mineral raw materials and creation of the regional geotechnological center is substantiated.
Keywords: Timan-North Urals region, mineral resources, technological assessment, coal, oil shale, bauxites, titanium ores, zeolites, industrial minerals
Введение
Тимано-Североуральский регион, охватывающий территории Республики Коми (РК), востока Архангельской области, Ненецкого автономного
округа (НАО), севера Пермского края и Свердловской области, запада Ханты-Мансийского (ХМАО) и Ямало-Ненецкого автономных округов (ЯНАО) Тюменской области, выделяется среди других геоэкономических регионов России своим внушительным
и разнообразным минерально-ресурсным потенциалом. Здесь реализуются крупные проекты освоения минеральных ресурсов - ведется добыча нефти и газа, угля, бокситов, золота, хромовых руд, жильного кварца, строительных материалов. Регион занимает важнейшее место в интеграции европейского Северо-Востока России, Урала и Сибири, через его территорию проходят межрегиональные авто- и железнодорожные магистрали, трубопроводы нефти и газа, здесь же располагаются морские порты и отгрузочные терминалы европейской части Северного морского пути.
Вклад деятельности предприятий минерально-сырьевого сектора в экономику весьма значителен. Дальнейшее развитие минерально-сырьевого комплекса является ведущим фактором экономического роста и промышленного развития региона. Рациональное и эффективное использование минерально-сырьевого потенциала определяется горно-техническими и технологическими решениями, применяемыми при добыче и переработке руд. В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН проводятся поисковые технологические исследования, ориентированные на разработку основ новых технологий обогащения и переработки минерального сырья Тимано-Североуральского региона. Некоторые результаты, полученные по этой проблеме с конца 1990-х до 2010-х гг., можно найти в опубликованных работах [1, 2]. В настоящей статье демонстрируются технологические разработки - прототипы новых технологий переработки минерального сырья. Их развитие и промышленное использование будут способствовать инновационному технологическому развитию минерально-сырьевого комплекса Тима-но-Североуральского региона.
Материал и методы
Методами и средствами технологической минералогии, геохимии, химии и физики твердого тела проведено комплексное изучение бурых и каменных углей, горючих сланцев, бокситов, титановых (лейкоксеновых) руд и концентратов, цеолитов, известняков и доломитов, техногенных минеральных отходов.
Исследования выполнялись на технической базе центров коллективного пользования уникальным оборудованием (ЦКП) УрО РАН «Геонаука» (ИГ Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар), «Хроматография» (ИБ Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар), ДВО РАН «Центр исследования минерального сырья» (ИГД ДВО РАН, Владивосток), аналитических сертификационных испытательных центров (АСИЦ) (ВИМс, Москва; ЦНИИгеолнеруд, Казань), лабораторий ОАО «Уралмеханобр» (Екатеринбург), Института керамики и полимеров, отделом инжиниринга керамики и силикатов Университета Мишкольца (Ми-школьц, Венгрия).
Результаты исследований
Топливно-энергетические ресурсы. Уникальное разнообразие и ресурсный потенциал нефти, газа, бурых и каменных углей, горючих сланцев и природных битумов региона составляют
сырьевую базу топливной промышленности и энергетики и формируют основу для развития новых отраслей промышленности.
Эффективное освоение угольных ресурсов региона является наиболее сложной в техническом и технологическом отношении проблемой. Добыча угля в Печорском бассейне составляет 14-15 млн. т/год, в перспективе она может вырасти до 1721 млн. т/год. Развитие сырьевой базы и потенциала добычи коксующихся углей связано с доразвед-кой и освоением запасов Усинского, Верхнесыръя-гинского, Нижнесыръягинского, Янгарейского, Си-ловского, Талотинского месторождений, отработкой оставшихся запасов Юньягинского месторождения. Увеличение добычи энергетических углей возможно в Воркутинском и Интинском углепромышленных районах за счет ввода в промышленную эксплуатацию новых шахтных полей на Воркутском, Ворга-шорском (угли марки ГЖО) и Сейдинском (угли марки Д) месторождениях. Определенные перспективы имеет добыча открытым способом бурых углей (Неченское, Шаръю-Заостренское, Верхнеро-говское месторождения). Сегодня прослеживается отчетливая тенденция уменьшения балансовых запасов угля вследствие интенсивной эксплуатации месторождений, списания нерентабельных запасов с баланса и практической ликвидацией геологоразведочных работ. Для увеличения добычи коксующихся углей необходимо подготовить новые экономически эффективные запасы и осуществить строительство новых предприятий в Воркутинском (углепромышленном) и Кара-Силовском (потенциальном) районах. Для повышения конкурентоспособности энергетических углей Интинского углепромышленного района необходимо кардинально модернизировать обогатительное производство. Комплексный характер проблем требует координации основных направлений развития угольной промышленности с программами развития смежных отраслей и заставляет задумываться о необходимости создания регионального угольного кластера. Остро сказывается и отсутствие отраслевого научно-исследовательского учреждения в регионе.
Перспективы развития угольной отрасли связываются с существенным увеличением глубины обогащения углей, созданием углехимических производств [3]. Технологическая изученность углей Печорского бассейна находится на довольно низком уровне. В конце 1990-х гг. нами была выполнена минералого-технологическая оценка углей Интинского углепромышленного района. Экспериментальным путем доказано, что в результате гравитационного обогащения рядовых интинских углей и мелко- и тонкозернистых продуктов (отсевов, шла-мов) можно получать концентраты с зольностью 12-16 %, содержанием серы до 1-1,5 %. На основе выявленных особенностей петрологии углей, состава минеральных примесей, закономерностей измельчения и разделения компонентов в гравитационных процессах были даны конкретные предложения по подготовке горной массы и обогащению углей на обогатительной фабрике «Интинская». В частности, рекомендовано внедрение гравитацион-
ного обогащения мелких и тонких классов углей, а также шламов отсадки и тяжелосредной сепарации на винтовых сепараторах. В этот период разработаны принципиальные схемы обогащения, созданы винтовые сепараторы оригинальной конструкции, модели модульных обогатительных установок (авторы Б.А. Остащенко, И.Х. Шумилов, И.Н. Бурцев). В дальнейшем, также по результатам технологических исследований (2000-2012 гг.), было рекомендовано внедрение методов пневмосепарации угля, тяжелосредного обогащения в гидроциклонах, колонной флотации тонких классов углей. В 20062010 гг. оценивались бурые угли Неченского месторождения. Получены новые данные о геологическом строении месторождения, о вещественно-петрографическом составе углей и их технологических свойствах, показаны перспективные направления комплексного использования углей [4-7]. Технико-экономическими расчетами обоснована возможность открытой добычи и создание разнообразных по масштабам и спектру получаемых товарных продуктов (облагороженный уголь, полукокс, жидкое топливо, синтез-газ, углеродные материалы и гуматы) углеперерабатывающих производств.
С 2010 г. комплексно исследуются угли различных технологических групп Печорского бассейна. Особое внимание уделяется развитию углехи-мии в Печорском бассейне - проводятся исследования по различным направлениям термохимической переработки и получению обеззоленных углей.
Разработки ИГ Коми НЦ УрО РАН представлялись на совместном заседании Министерства энергетики Российской Федерации и Правительства Республики Коми, прошедшем 14 августа 2014 г. в г. Воркуте, где получили высокую оценку. Исследования в этом направлении было рекомендовано продолжить, а также на основе полученных нами результатов разработать ряд мероприятий для корректировки и реализации государственных программ развития сырьевой базы угольной промышленности и углехимических технологий. Поддержано предложение о развитии технологических исследований посредством организации геотехнологического центра в Республике Коми и реализации пилотного проекта по внедрению новых углехими-ческих технологий в Печорском бассейне.
Одним из самых перспективных направлений в углехимии является получение обеззоленных продуктов - гиперуглей. Технология получения таких углей впервые предложена и освоена в промышленных масштабах японской компанией Кобе Стил совместно с Мицубиши Кемикалс и Университетом Кобе. Эти продукты характеризуются высоким содержанием углерода (более 80 %) и водорода (более 5 %) и весьма низким содержанием золы (1000-200 ррт), щелочных металлов (сумма оксидов калия и натрия - до 0,5 ррт) и тяжелых металлов (менее 1 %). Гиперуголь имеет широкую область применения. В черной металлургии незначительная добавка гиперугля существенно повышает реакционную способность и прочность получаемого кокса. Гиперуголь может непосредственно сжигаться в газогенераторных установках, использоваться
для получения солнечного кремния, особо чистых углеродных материалов. Угольный остаток после выделения обеззоленной части является традиционным энергетическим сырьем, причем, если перерабатываются окисленные угли, то теплота сгорания остаточного угля будет выше за счет удаления кислородсодержащих групп.
Получение гиперугля позволяет эффективно решить проблему с зольностью низко- и среднеме-таморфизованных углей и дает возможность производства высокоценного продукта фактически на месте добычи угля, что особо актуально для месторождений, располагающихся в удаленных регионах (в Республике Коми, НАО, Якутии). Транспортироваться гиперуголь может в сухом виде (порошок), брикетах или в смеси с водой. В энергетике важным преимуществом гиперугля является возможность достижения высоких показателей энергоэффективности при его использовании на автономных малых энергетических установках, что открывает широкие возможности применения в условиях Крайнего Севера и Арктики, позволяет существенно сократить затраты, связанные с сезонным завозом топлива, улучшить экологическую обстановку.
В лабораторных исследованиях нами использовался доступный, недорогой и простой в обращении растворитель - ^метилпирролидон. В промышленном производстве растворителями могут выступать метилнафталиновые масла, которые можно получать из самого угля при его полукоксовании. В этом случае процесс переработки угля приобретает необходимую автономность. Теплота сгорания полученного нами гиперугля составила 31,37 МДж/кг, что близко к предельно достигаемой величине (32 МДж/кг).
Использование предложенных технологий переработки угля позволяет получать различные топливные продукты для самообеспечения жизнедеятельности персонала и сотрудников арктических и антарктических станций (автономное получение синтез-газа, синтетического жидкого топлива, беззольных углеводородов, водорода, сорбентов на мини-установках). Для получения обеззоленных продуктов испытаны угли марки Т (Верхнесыръягин-ское месторождение), ОС (Хейягинское, Силовское месторождения), ГЖО (Воркутское месторождение), Г (Еджыд-Кыртинское месторождение), Ж (Ворга-шорское, Янгарейское месторождения), К (Юньягин-ское месторождение), длиннопламенных углей (угли марки Д Интинского, Д, ДГ - Сейдинского, ДГ - Вор-гашорского месторождений), бурых углей марки Б-Д (Неченское месторождение). Наилучшие результаты - с выходом до 40 % - получены при обработке углей марок ГЖО, Д, Б-Д. На основе знаний о составе и структуре исходных углей прогнозируются свойства и технологические характеристики получаемых из них обеззоленных продуктов.
Таким образом, проведенные исследования создают основу для существенной корректировки основных направлений развития угольной отрасли региона.
Ресурсы горючих сланцев в Тимано-Северо-уральском регионе (на территории Республики Ко-
ми и НАО) определены свыше 50 млрд. т, что в пересчете на потенциально извлекаемую из сланцев смолу полукоксования (сланцевое масло или сланцевую нефть) составляет около 1 % мировых запасов [8 и ссылки в ней]. Это высокое значение, определяющее национальный уровень решаемых задач по освоению этих ресурсов. Добыча и переработка нетрадиционных энергетических ресурсов, какими являются горючие сланцы, характеризуются применением большого числа новых технологий. Вовлечение месторождений горючих сланцев в промышленную эксплуатацию позволяет создать в регионе принципиально новые химико-технологические производства.
Детальные исследования были проведены в Яренгском сланценосном районе, где наибольшие перспективы имеет Чим-Лоптюгская площадь. При непосредственном участии и научно-методическом руководстве ИГ Коми НЦ УрО РАН на площади проведены геологоразведочные работы (недропользователь - ООО «Рудная Промышленная Компания», г. Сыктывкар). По результатам работ один из девяти участков был подготовлен к промышленному освоению, его запасы в объеме около 95 млн. т в 2011 г. поставлены на учет государственным балансом. В Ижемском р-не наиболее перспективным для освоения является Айювинское месторождение, характеризующееся благоприятными горно-техническими и социально-экономическими условиями для разработки, крупными запасами (свыше 500 млн. т) и неплохим качеством полезного ископаемого.
Одной из сложных проблем геологии горючих ископаемых, в частности углей и горючих сланцев, является идентификация и корреляция пластов полезных ископаемых. Для этого применяют различные методы - палеонтологические, литологиче-ские, геофизические, геохимические. Нами разработаны методические приемы, позволяющие однозначно идентифицировать и строго увязывать между собой отдельные пласты и слои горючих сланцев в Вычегодском и Тимано-Печорском бассейнах: предложена новая схема расчленения горючих сланцев на пласты и слои, выделены границы и реперы, обосновано применение методов гамма-каротажа для выделения в разрезах пластов и отдельных слоев горючих сланцев [4, 9]. Проведенные исследования позволили уточнить геологическое строение месторождений, детализировать химический и петрографический состав органического вещества. В результате лабораторных работ и опытно-промышленных испытаний определены основные горно-технические и технологические параметры для технико-экономической оценки и подсчета запасов, создана горно-геологическая модель месторождения, установлены особенности распространения в разрезе тяжелых, токсичных и редких металлов. В подстилающих горючие сланцы отложениях впервые выявлена цеолитовая (гейландит-клиноптилолитовая) минерализация, оцененная нами как среднемасштабное месторождение [9]. Установлена эффективность совместной переработки бурых углей и горючих сланцев.
Ряд из предложенных технических и технологических решений по бурению скважин и геофизическим исследованиям внедрен в практику геологоразведочных работ и использовался геологами производственных организаций при разведке месторождений угля и калийно-магниевых солей. Экспериментально доказана возможность применения методов рентген-радиометрической сепарации для повышения качества добываемого горючего сланца. Лабораторные испытания были выполнены в тестовом центре Commodas Mining GmbH (г. Ве-дель, Германия) на промышленном сепараторе Pro Secondary XRT Commodas-Ultrasort.
Большое значение для экономики региона имеет освоение крупнейших в России и Европе месторождений бокситов и титана, расположенных в Республике Коми. Геолого-технологическое изучение месторождений, поисковые исследования в области глубокой переработки сырья и его комплексного использования создают основу для обоснования дальнейших перспектив развития минерально-сырьевого комплекса.
Металлические и неметаллические полезные ископаемые. Тимано-Североуральский регион характеризуется крупнейшей в России сырьевой базой алюминия. С 1998 г. отрабатывается открытым способом Вежаю-Ворыквинское месторождение, подготовлены к эксплуатации Восточное и Верхнещугорское. На Вежаю-Ворыквинском месторождении ежегодно добывается 2,5-3,0 млн. т бокситов. Планируется освоение Южных залежей Верх-нещугорского месторождения и дальнейшее увеличение добычи бокситов. Геологические предпосылки не позволяют рассчитывать на значительный прирост ресурсов высококачественного сырья, поэтому в ближайшем будущем будут отрабатываться бокситы худшего качества и, возможно, нетрадиционные типы сырья. Проблема повышения качества сырья, отправляемого на отечественные глиноземные заводы, обострилась с резким сокращением потребления в России бокситов спекатель-ных сортов.
В связи с проблемой сокращения запасов высококачественного алюминиевого сырья нами проводится изучение минералогии и кристаллохимии бокситов, выполняются эксперименты по обогащению бокситов методами магнитной сепарации с учетом различного рода энергетических воздействий на руду.
При обогащении кремнистых и высококремнистых бокситов наиболее важной задачей является повышение содержания глинозема за счет соответствующего уменьшения доли кремнезема. На основе экспериментальных данных доказана пригодность применения для целей обескремнивания бокситов фторидных технологий. Установлено, что с использованием фторидов аммония можно эффективно перерабатывать не только бедные бокситы, фосфат-бокситовые руды, но и глиноземистые породы - аллиты, метаморфические сланцы. Получаемые продукты с содержанием глинозема свыше 75 %, бемитового состава, пригодны для непосредственной плавки на алюминий и соответствуют
лучшим образцам огнеупорного сырья. Разрабатываются и альтернативные технологии, связанные с высокоэнергетическими воздействиями. Так, при лазерной обработке бокситов, красных шламов и железосодержащих концентратов наблюдается перераспределение вещества с концентрацией титана в спёке (содержание титана увеличивается в среднем в 1,7 раза), причем спекание титансодер-жащей фазы наблюдается при конкретных величинах плотности энергии лазерного излучения. В ходе экспериментов были выявлены оптимальные параметры плотности энергии лазерного излучения, при которых наблюдается кристаллизация новой фазы. Установлена возможность концентрации и агломерации ценных металлов (золота, платины, гафния, вольфрама, висмута и др.), "невидимых" до обработки [10]. Выделение ценных минералов на границах зерен или обособление в виде микроминеральных фаз позволяет применить в дальнейшем стандартные процедуры обогащения и переработки.
Как резерв для глиноземного производства на более дальнюю перспективу в пределах Среднего и Южного Тимана рассматриваются месторождения в пределах Ворыквинского рудного поля и ресурсы нетрадиционного алюминиевого сырья. В эту группу включены некондиционные и забалансовые бокситы, высокоглиноземистые и высокожелезистые аллиты, бемит-каолинитовые глины, высокоглиноземистые сланцы. По предварительным оценкам, ресурсы такого сырья только на Тимане в 2-2,5 раза превышают имеющиеся запасы бокситов металлургических сортов.
Рентгеновскими (метод малоуглового рассеяния) и микроскопическими (растровая электронная микроскопия) методами были оценены размерные характеристики основных минералов железа и алюминия и характер агрегации минеральных частиц в бокситах. Показано, что в тонкодисперсной составляющей гематит-шамозит-бёмитовых и као-линит-бёмитовых бокситов Вежаю-Ворыквинского месторождения преобладают минеральные частицы с размерами от 20 до 40 нм. Более кристаллич-ными являются каолинит-бёмитовые бокситы. С использованием метода Мёссбауэра установлены важные кристаллохимические особенности железосодержащих минералов бокситов. Определено, что в результате различного рода физико-химических воздействий наблюдается изменение как магнитных свойств высокожелезистых бокситов, так и их вещественного состава. Спрогнозированы потери полезного ископаемого, обусловленные изоморфной примесью алюминия в составе минералов железа, обосновано применение методов восстановительного обжига и магнитной сепарации для обогащения руд [11 и др. работы упомянутых авторов]. Проведенные минералогические исследования составляют также важную основу для оценки перспектив промышленной разработки месторождений с нетрадиционными железо-алюминиевыми рудами.
Таким образом, за счет применения новых технологий переработки алюминиевых руд сырьевая база глиноземной отрасли в Тимано-Северо-
уральском регионе может быть существенно расширена.
Уникальное Ярегское нефтетитановое, Пи-жемское титановое месторождения, крупное Вод-ненское проявление титановых (лейкоксеновых) руд являются эталонными объектами гигантской Тиманской титаноносной провинции. Эффективное освоение этих месторождений имеет стратегическое значение для Российской Федерации.
Сложные для обогащения и процессов переработки лейкоксеновые руды месторождений Ти-мана затрудняют ввод объектов в промышленную эксплуатацию. Месторождения образуют собственный геолого-промышленный тип лейкоксеновых руд. Соответственно, различными исследовательскими коллективами ведутся работы по созданию и усовершенствованию технологий добычи, обогащения и переработки лейкоксеновых руд. Исходя из минералогии, структурно-текстурных особенностей руд Ярегского месторождения, нами обосновано применение многостадийной схемы выделения полезного ископаемого из руд и концентратов, включающей доизмельчение флотационного концентрата, обогащение дезинтегрированного материала методами флотации, селективной флокуляции или химическими методами. Для пижемских руд предложены методы крупнокусковой сепарации, магнитно-гравитационно-флотационного обогащения. В последние годы наши усилия сосредоточены на поиске эффективных процессов флотации лейкок-сеновых руд, обескремнивания флотационных концентратов, применении механоактивации, использовании сильных магнитных полей для разделения слабомагнитных минералов, получении из титановых концентратов продуктов с высокой добавленной стоимостью.
Так, в результате тестовых экспериментов по флотации лейкоксеновых руд установлено влияние температуры и рН среды на выход концентрата. Показано, что сепарация в сильномагнитных полях позволяет решить проблему разделения минералов со слабоконтрастными свойствами [12]. Разработаны основы фторидной технологии для обескремни-вания флотационных лейкоксеновых концентратов [13]. По этой технологии, аналоги которой успешно используются в российской атомной промышленности, нами получены высокотитановые (85-90 % ТЮ2) концентраты, пригодные для переработки в пигментный диоксид титана или в металлический титан. Также возможно получение синтетического диоксида кремния высокой чистоты. Разрабатываемая технология может стать основной технологией, используемой для переработки лейкоксеновых руд Ярегского месторождения, или может быть эффективно встроена как отдельный цикл производства высококачественного титанового концентрата в любой из существующих проектов освоения месторождения (проект ООО «Лукойл-Коми» и ЗАО «СИТТЕК», проект ОАО «Ярега-Руда»). Доказана возможность переработки по фторидной технологии титановых руд Пижемского месторождения (проект ОАО «Русминресурсы» и ЗАО «Руститан»). Приме-
чательной особенностью технологии является извлечение в коллективный концентрат редких металлов и редкоземельных элементов. В комплекс технологических решений входит также эффективная утилизация кремнисто-титановых промежуточных продуктов. Такие концентраты, отличаясь низким качеством и невысокой стоимостью, не имеют большого спроса и обычно утилизируются как недорогое сырье в лакокрасочной промышленности. В ходе исследований установлена возможность получения высокоценных и остродефицитных продуктов - микропористых титаносиликатов [14], использующихся в качестве сорбентов радионуклидов, тяжелых металлов и других опасных загрязнителей. Выполнены работы по очистке воды от хлорсодержащих загрязнителей (трихлорфенола) с применением в качестве активного фотокатализатора как лейкоксена (Пижемское месторождение), так и полученного из него рутила, в том числе с нанесенными частицами платины. Установлены факторы, определяющие фотокаталитическую активность образцов (степень измельчения; присутствие на поверхности образцов частиц благородных металлов). Высокая стоимость наночастиц ТЮ2 и их востребованность в промышленности определяют актуальность синтеза нанотрубок из недорогого минерального сырья. Нанотрубки диоксида титана были синтезированы гидротермальным методом непосредственно из лейкоксеновых концентратов Пижемского месторождения. Нано-трубки диоксида титана имеют внешний диаметр 70-100 нм и длину 2000-4500 нм, обладают развитой поверхностью и хорошими сорбционными характеристиками [15].
Большое внимание уделяется вопросам технологической оценки промышленных минералов. В этой группе рассматриваются природные и синтетические цеолиты, химически чистые карбонатные породы, кварцевые стекольные пески, глинистое сырье. Эти виды сырья остаются недооцененными в регионе.
В качестве наиболее перспективных для освоения объектов выделяются проявления аналь-цимолитов «Весляна» (Коинская площадь, Средний Тиман) и гейландит-клиноптилолитов в пределах Чим-Лоптюгского месторождения горючих сланцев.
В результате проведенных исследований были определены перспективы использования данных пород в качестве сорбентов и ионообменных материалов. Ионообменная емкость анальцимоли-тов пород варьирует в интервале от 28,7 до 195 мг-экв/100 г, анальцима - от 16,5 до 21,5 мг-экв/100 г. Установлены высокие адсорбционные свойства по отношению к аммонию, барию, нефтепродуктам и поверхностно-активным веществам. Проведены эксперименты по очистке вод, используемых для водоснабжения г. Сыктывкара (открытый водозабор на р. Вычегда). Анальцимсодержащая порода снижает цветность, мутность, содержание железа и перманганатную окисляемость.
Цеолитсодержащие породы проявляют исключительно высокую сорбционную активность в отношении радионуклидов (радия, урана, тория). Степень поглощения тория анальцимолитами и
гейландит-клиноптилолитовой породой составляет 100 %. Анальцим проявляет высокие сорбционные свойства только по отношению к торию, в то время как поглощение радия и урана значительно ниже (64,2 и 55,4 % соответственно). Гейландит-клиноп-тилолитовые породы практически полностью сорбируют торий и радий, однако извлечение урана из раствора протекает хуже и варьирует от 71,3 до 80,8 %. Что касается прочности поглощения, то наиболее прочно удерживается торий, для которого наблюдается лишь незначительное извлечение в раствор при взаимодействии с водой и ацетатом аммония. Анальцим гораздо прочнее поглощает уран. Слабая прочность поглощения радия вызвана его склонностью к ионному обмену, в результате чего в раствор переходит около 50 % поглощенного гейландит-клиноптилолитовыми породами радионуклида, а в случае анальцима извлечение составляет более 60 % [16]. В итоге доказано, что в Республике Коми имеется доступный, дешевый и эффективный источник природного сырья для решения разнообразных экологических проблем, в том числе связанных с реабилитацией радиационно загрязненных территорий в пос. Водном.
Для улучшения физико-химических свойств цеолитсодержащие породы могут быть дополнительно активированы с помощью механического, термического воздействия и кислотной обработки. При термической обработке в диапазоне температур от 100 до 900 °С оптимальной для данных пород является температура прокаливания 450500 °С, при которой удельная площадь поверхности и обменная емкость возрастают в 1,9 и 1,25 раза соответственно. Эксперименты по механоактива-ции показали, что оптимальной является активация в течение 2 мин, в результате чего происходит увеличение удельной площади поверхности в 1,5 раза, обменной емкости - в 1,2. Также эффективна кислотная обработка цеолитов (растворами соляной, серной, азотной кислот). При обработке пород 5- и 10 %-ной соляной кислотой удельная поверхность увеличивается в два и три раза соответственно, а катионообменная емкость - в 1,3-1,35 [17].
Одним из крупнотоннажных потребителей продукции на основе природных цеолитов является строительная индустрия. Основными мероприятиями Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г. и дальнейшую перспективу до 2030 г. предусмотрено расширение источников и увеличение объемов производства эффективных теплоизоляционных материалов. Из анальцимолитов и гейландит-клиноп-тилолитовых пород получены пенокристаллические материалы насыпной плотностью 260-280 кг/м3. Особый интерес представляет получение синтетических цеолитов из техногенных и горнопромышленных отходов. Из золы-уноса, образующейся при сжигании углей Печорского бассейна на теплоэлектростанциях, синтезированы следующие цеолиты: анальцим, цеолиты типа фожазита (№Х) и жис-мондина (№Р) [18]. Выявлены условия синтеза, влияющие на тип цеолита, построена схематичная диаграмма кристаллизации [19].
В Тимано-Североуральском регионе подготовлена крупная сырьевая база химически чистых известняков, характеризующаяся большими возможностями расширения по качеству и количеству сырья. К месторождениям химически чистых известняков проявляют интерес многие производители бумаги и минеральных наполнителей. Химически осажденный карбонат кальция (ХОКК), получаемый чаще всего из известняков, рассматривается сегодня как неотъемлемый компонент мирового рынка вместе с железной рудой, нефтью и углем. В странах ЕС химически чистые известняки относятся к числу стратегически важных для экономики видов минерального сырья. Модернизация целлюлозно-бумажных комбинатов и других производств в России, а также строительный бум объясняют беспрецедентный рост объёмов потребления дисперсных марок карбоната кальция. В 2003 г. завод мощностью 80 тыс. т/год был построен компанией Отуа (Швейцария) в Республике Коми - саттелит при Сыктывкарском целлюлозно-бумажном комбинате (ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК»). По содержанию основных компонентов и лимитирующих примесей требованиям, предъявляемым к карбонатному сырью для производства ХОКК, отвечают известняки Бельгопского месторождения (карьер Бель-гоп-2), а также из Пузлинского, Седъюского, Сере-говского карьеров. По результатам технологического опробования и ревизии геологических материалов предлагаются для изучения новые площади, перспективные на выявление месторождений химически чистых известняков на Очь-Пармской площади в Княжпогостском р-не. Нами доказана возможность получения ХОКК из известняков сирачой-ской свиты верхнего девона (Сирачойское, Бель-гопское, Седъюское и другие месторождения). Полученный ХОКК удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сырью, используемому в целлюлозно-бумажной промышленности, характеризуется малым размером частиц (5-10 мкм) и практически полным отсутствием примесей. Такой продукт будет также востребован в лакокрасочной промышленности, в производстве сухих строительных смесей и поливинилхлоридного профиля.
Одним из направлений улучшения качества бумаги является увеличение содержания минерального наполнителя без потери основных потребительских характеристик. Сегодня содержание ХОКК в отдельных видах мелованной бумаги может достигать 40-45 % по массе. В ходе наших исследований были созданы органоминеральные (карбонатно-целлюлоз-ные) композиты с содержанием минерального вещества 80-90 % масс. Полученная композиция может быть использована в целлюлозно-бумажной промышленности, строительстве, медицине.
На базе комплексного использования ресурсов энергетических углей, доломитов, известняков и кварцевого сырья возможно развитие различных отраслей промышленных производств. В их числе производство извести, доломита флюсового, карбида кальция, силикокальция, силикомарганца, фер-росицилия, ферросиликомарганца, ферромарганца, феррохрома, феррониобия, силикобария. Эти но-
вые направления требуют дополнительных геологических, технологических и геолого-экономических исследований.
Выводы
В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН осуществляется минералого-технологическое изучение различного минерального сырья. Предложены новые методы обогащения угля, ориентированные на повышение качества энергетических углей -снижение зольности, содержания серы, в практическую плоскость выходят проблемы создания и развития углехимических производств. Актуальны вопросы освоения нетрадиционных источников углеводородов. Разработаны и испытаны в лабораторных условиях новые способы обогащения и переработки бокситов, лейкоксеновых руд, цеолитов. Эти разработки могут служить прототипами новых технологий переработки минерального сырья Тимано-Североуральского региона.
Практическое внедрение полученных результатов будет способствовать инновационно-технологическому развитию минерально-сырьевого комплекса региона, освоению месторождений особо ценных полезных ископаемых, развитию новых технологий переработки минерального сырья, созданию новых предприятий, решению экологических проблем, связанных с разработкой месторождений полезных ископаемых.
Современные и предстоящие масштабы освоения недр выдвигают на первое место необходимость расширения исследований в области технологии минерального сырья. При наличии в регионе разнообразных минеральных ресурсов, различных источников сырья для энергообеспечения, внушительного научно-исследовательского потенциала, развитой системы высшего и специального технического образования, благоприятных инфраструктурных предпосылок, сохраняются тенденции технологического отставания и сырьевой направленности развития экономики региона.
Проблемы технологического развития должны быть четко обозначены в региональных программах социально-экономического развития. В каждой отраслевой программе в качестве обязательного компонента или приложения должен присутствовать перечень конкретных технологий и разработок, имеющих важнейшее значение для развития отрасли. Сегодня же, вместо этого, в программах фиксируются предпочтения развития и соответствующим образом создаются преференции для реализации отдельных бизнес-проектов, пусть даже и очень важных для отрасли. Стратегическое же планирование должно строиться на развитии технологий, а не конкретных предприятий в отрасли. В регионе остается острой потребность в расширении исследований в области технологии минерального сырья и создании регионального центра технологических исследований - геотехнологического стационара. Совместно с уже имеющимся уникальным исследовательским комплексом по изучению состава и особенностей строения минерального вещества работа данного центра может обеспечить
любые потребности формирующегося горнопромышленного комплекса и отраслей, использующих и перерабатывающих минеральное сырье.
Работа выполнена при частичной поддержке Комплексной программы Уральского отделения РАН (проекты: «Оценка ресурсного потенциала стратегических полезных ископаемых Тимано-Североуральского региона, перспективы развития и освоения на базе новых технологий глубокого обогащения и переработки», № 15-11-5-29; ««Развитие инновационных технологий эффективного и комплексного использования минерального сырья и получение новых материалов на минеральной основе», № 15-11-5-33), Фонда содействия развитию малых форм предприятия в научно-технической сфере (программа ««Умник», договор № 6171 ГУ.2015), гранта РФФИ № 16-35-00017 мол_а.
Литература
1. Перспективные геотехнологии / Н.П. Юш-кин, Б.А.Остащенко, О.Б. Котова, И.Н. Бурцев и др. СПб.: Наука, 2010. 376 с.
2. Технологические исследования и их значение в развитии минерально-сырьевого комплекса Тимано-Североуральского региона / И.Н. Бурцев, О.Б. Котова, Д.В. Кузьмин и др. // Вестник Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 2016. Вып. 31. С.122-134.
3. Перспективы и возможности глубокой переработки углей Печорского бассейна / И.Н. Бурцев, И.Г. Бурцева, В.А. Салдин, О.С. Проць-ко, Н.С. Инкина, Д.В. Кузьмин, И.А. Перовский // Актуальные проблемы, направления и механизмы развития производительных сил Севера - 2014: Материалы IV Всероссийского научного семинара (24-26 сентября 2014 г., Сыктывкар): в 2-х ч. Сыктывкар: ООО «Коми республиканская типография», 2014. Ч. 1. С. 278-287.
4. Геологическое строение Чим-Лоптюгского месторождения горючих сланцев / И.Н. Бурцев, В.А. Салдин, Д.О. Машин, Д.Н. Ше-болкин, Н.С. Инкина, И.В. Попов // Геология и минеральные ресурсы европейского Северо-Востока России: Материалы XVI Геологического съезда Республики Коми. Т. III. Сыктывкар, 2014. С. 206-210.
5. Процько О.С. Условия формирования Нечен-ского угольного пласта (южная часть Печорского бассейна) // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2011. № 3. С. 7-11.
6. Валяева О.В., Бушнев ДА., Бурцев И.Н. Геохимия углей Неченского месторождения // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2012. №8. С. 2-5.
7. Бурые угли - перспективный ресурс для создания новых отраслей промышленности в Тимано-Североуральском регионе / И.Н.Бурцев, В.А.Салдин, А.А.Иевлев, Л.А.Анищен-ко, О.С.Процько, Д.В.Кузьмин, И.А.Перов-ский, Д.О.Машин, И.Г.Бурцева // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2012. № 10. С. 26-31.
8. Нетрадиционные источники углеводородного сырья Арктической зоны европейского
Северо-Востока России как основа развития новых отраслей промышленности/И.Н. Бурцев, Д.А. Бушнев, О.С. Котик, Д.В. Кузьмин, Д.О. Машин, И.Г. Бурцева // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2015. Вып. 3 (23). С. 71-78.
9. Маркирующие горизонты в верхнеюрских отложениях Яренгского сланценосного района (Северо-Восток Русской плиты) / В.А. Сал-дин, И.Н. Бурцев, Д.О. Машин, Д.Н. Ше-болкин, Н.С. Инкина // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2013. № 11. С. 25-29.
10. Kotova O. Physics and chemistry of minerals under laser processing / O. Kotova, N. Leo-nenko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. № 123. Р.1-7. doi:10.1088/1757-899X/123/1 /012016.
11. Kotova O. Mineralogy and crystal chemistry of iron in the Timan bauxite and products of their technological processing / Kotova O., Si-laev V., Lutoev V., Vakhrushev A.// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. № 123. Р.1-6. doi:10.1088/1757-899X/123/1/012024.
12. Котова О.Б., Рябков Ю.И., Рубцова СА., По-нарядов А.В. Минералогические особенности титановых руд россыпных месторождений. Новые технологии переработки // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2014. №9. С. 34-37.
13. Перовский ИА., Игнатьев Г.В. Фтораммо-нийный способ обескремнивания лейкоксе-нового концентрата Ярегского месторождения // Прогнозная оценка технологических свойств полезных ископаемых методами прикладной минералогии: Материалы VII Российского семинара / Институт геологии КарНЦ РАН. Петрозаводск, 2012. С.110-116.
14. Перовский И.А. Синтез титаносиликатов из лейкоксеновых руд // Вестник Томского государственного университета. 2014. № 384. С. 182-188.
15. Kotova O.B., Ponaryadov A.V., Gomze LA.
Hydrothermal synthesis of TiO2 nanotubes from concentrate of titanium ore of Pizhem-skoe deposit (Russia) // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2016. № 1. С. 34-36.
16. Шушков ДА., Шуктомова И.И. Сорбция радиоактивных элементов цеолитсодержа-щими породами // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2013. Вып. 1 (13). С. 6973.
17. Kotova O.B., Shabalin I.L., Shushkov DA., Po-naryadov A.V. Sorbents based on mineral and industrial materials for radioactive wastes immobilization // Vestnik IG Komi SC UB RAS. 2015. № 2. P. 32-34.
18. Котова О.Б., Шушков ДА. Процесс получения цеолитов из золы уноса // Обогащение руд. 2015. № 5. С. 60-63.
19. Kotova O.B., Shabalin I.N., Shushkov DA, Kocheva L.S. Hydrothermal synthesis of zeolites from coal fly ash // Advances in Applied Ceramics: Structural, Functional and Bioce-ramics. 2016. Vol. 115. Iss. 3. Р. 152-157.
References 8.
1. Perspektivnie geotekhnologii [Perspective geo-technologies]/N.P. Yushkin,
B.A. Ostashchenko, O.B. Kotova, I.N. Bur-tsev, etc. St.Petersburg: Science, 2010. 376 p.
2. Tekhnologicheskie issledovaniya I ikh znache-nie v razvitii mineralno-syryevogo kompleksa Timano-Severouralskogo regiona [Technological researches and their value in development of a mineral resources complex of the TimanNorth-Urals region]/ I.N. Burtsev, O.B. Ko- 9.
tova, D.V. Kuzmin, et al. // Contribution of the academic science to development of productive forces of the Komi Republic: An interregional scientific and practical conference (To the 95 anniversary of formation of the Komi Republic). Bull. of Komi Sci.Centre, Ural Branch, RAS. Issue 31. Syktyvkar. 2016. P.122-134.
3. Perspektivy i vozmozhnosti glubokoi perera-botki uglei Pechorskogo basseina [Prospects and possibilities of deep processing of coals of the Pechora basin] / I.N. Burtsev, I.G. Bur-tseva, V.A. Saldin, O.S. Protsko, N.S. Inkina, D.V. Kuzmin, I.A. Perovskiy // Actual problems, directions and mechanisms of development of productive forces of the North -2014: Materials of the Fourth All-Russian scientific seminar (September 24-26, 2014, Syktyvkar): in 2 parts. Syktyvkar, Komi Republican Printing House/ 2014. Pt.1. P. 278287.
4. Geologicheskoe stroenie Chim-Loptyugskogo mestorozhdeniya goryuchikh slantsev [Geological structure of the Chim-Loptyugsky oil shale field]/I.N.Burtsev, V.A.Saldin, D.O. Mashin, D.N. Shebolkin, N.S. Inkina, I.V. Popov// Geology and mineral resources of the European Northeast of Russia: Materials of XVI Geological congr. of the Komi Republic. Vol. III. Syktyvkar: Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS, 2014. P. 206-210.
5. Protsko O.S. Usloviya formirovaniya Nechens-
kogo ugolnogo plasta (yuzhnaya chast' Pe-chorskogo basseina) [Conditions of formation of Nechensky coal layer (southern part of the Pechora basin)] // Bull. of Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS. 2011. No. 3. P. 7-11.
6. Valyaeva O.V., Bushnev DA.., Burtsev I.N. Geo-
khimiya uglei Nechenskogo mestorozhdeniya [Geochemistry of coals of the Nechensky field // Bull. of Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS. 2012. No. 8. P. 2-5.
7. Burye ugli - perspektivnii resurs dlya sozda-niya novykh otraslei promyshlennosti v Tima-no-Severouralskom regione [Brown coals - a perspective resource for creation of new industries in the Timan-Noth-Urals region] / Burt-sev I.N., Saldin V.A., Ievlev A.A., Anishchen-ko L.A., Protsko O.S., Kuzmin D.V., Perovsky I.A., Mashin D.O., Burtseva I.G. // Bull. of Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS. 2012. No. 10. P. 26-31.
Netradicionniye istochniki uglevodorodnogo sy-rya Arkticheskoi zony evropeiskogo severo-vostoka Rossii kak osnova razvitiya novykh otraslei promyshlennosti [Nonconventional sources of hydrocarbonic raw materials of the Arctic zone of the European Northeast of Russia as basis of development of new industries] / I.N. Burtsev, D.A. Bushnev, O.S. Ko-tik, D.V.Kuzmin, D.O.Mashin, I.G.Burtseva// Proc. of Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS. Issue 3 (23). Syktyvkar, 2015. P. 71-78. Markiruyuschie gorizonty v verhneyurskikh otlozheniyakh Yarengskogo slancenosnogo raiona (Severo-Vostok Russkoi plity) [The marking horizons in the upper Jurassic deposits of the Yarengsky oil shale area (The northeast of the Russian plate)] / V.A. Saldin, I.N. Burtsev, D.O. Mashin, D.N. Shebolkin, N.S. Inkina // Bull. of Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS. Syktyvkar, 2013, No. 11, P. 25-29.
10. Kotova O. Physics and chemistry of minerals under laser processing / O. Kotova, N. Leo-nenko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. № 123 (2016). P.1-7. doi:10.1088/1757-899X/123/1 /012016.
11. Kotova O. Mineralogy and crystal chemistry of
iron in the Timan bauxite and products of their technological processing / Kotova O., Si-laev V., Lutoev V., Vakhrushev A.// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. № 123 (2016). P.1-6. doi:10.1088/1757-899X/123/1/012024.
12. Kotova O.B., Ryabkov Yu.I, Rubtsova SA., Ponaryadov A.V. Mineralogicheskie osobennos-ti titanovykh rud rossypnykh mestorozhdenii. Novie tekhnologii pererabotki [Mineralogical features of titanium ores of placer deposits. New technologies] // Bull. of Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS. 2014. No. 9. P. 34-37.
13. Perovskiy I.A., Ignatyev G.V. Ftorammoniiny sposob obeskremnivaniya leikoksenovogo kon-centrata Yaregskogo mestorozhdeniya [Fluorine-ammonium way of desilification of leu-coxene concentrate of the Yarega deposit] // Projection of technological properties of minerals by methods of applied mineralogy: Materials of VII Russian seminar. Petrozavodsk: Inst of Geology, Karelian Sci. Centre, RAS, 2012. P. 110-116.
14. Perovskiy I.A. Sintez titanosilikatov iz leikok-senovikh rud [Synthesis of titanosilicates from the leucoxene ores] // Bull. of Tomsk State Univ. 2014. No. 384. P. 182-188.
15. Kotova O.B., Ponaryadov A.V., Gomze LA. Hydrothermal synthesis of TiO2 nanotubes from concentrate of titanium ore of Pizhemskoe deposit (Russia) // Bull. of Inst. of Geology, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS . 2016. № 1. C. 34-36.
16. Shushkov D. A., Shuktomova I.I. Sorbtsiya radioaktivnykh elementov zeolitsoderzhaschi-mi porodami [Sorption of radioactive elements by zeolite-containing rocks] // Proc. of Komi
Sci. Centre, Ural Branch, RAS. Issue 1 (13). Syktyvkar, 2013. P. 69-73.
17. Kotova O.B., Shabalin I.L., Shushkov DA.., Po-naryadov A.V. Sorbents based on mineral and industrial materials for radioactive wastes immobilization // Vestnik IG Komi SC UB RAS. 2015. № 2. P. 32-34.
18. Kotova O.B., Shushkov DA. Process polucheniya zeolitov iz zoly unosa [A process of zeolites production from fly ash] // Obogashenie Rud (Benefication of ores). 2015. № 5. P. 60-63.
19. Kotova O.B., Shabalin IN, Shushkov DA., Kocheva L.S. Hydrothermal synthesis of zeolites from coal fly ash // Advances in Applied Ceramics: Structural, Functional and Bioce-ramics, 2016. Vol. 115, Issue. 3, P. 152-157.
