CC BY
46
УДК 622.755
ВЫБОР МЕТОДА УТИЛИЗАЦИИ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД С ПОЗИЦИИ ОЦЕНКИ ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ свойств
А.А. Фёдоров
Российский университет дружбы народов Ул. Миклухо-Маклая, 6, 117198 Москва, Россия
Г.З. Казиев, Г.Д. Казакова
Московский педагогический государственный университет Ул. Малая Пироговская, 1, 119882 Москва, Россия
Рассмотрены вопросы комплексного использования минерального сырья, связанные с использованием вскрышных пород и отвалов горного производства. Оценены потребительские качества вскрышных пород и отвалов горного производства для промышленного использования с позиций химического состава, гранулометрических и структурных характеристик. Предложен способ регулирования потребительских свойств вскрышных глинистых пород.
Одной из проблем комплексного использования продукции горнодобывающей промышленности является утилизация вскрышных пород и отвалов.
Под утилизацией в целях данной статьи понимается совокупность технологических процессов переработки, использования и размещения отходов в целях производства товарной продукции либо предотвращения их вредного влияния на окружающую среду.
Согласно общепринятой точке зрения утиль — результат не технологии, а длительной или неправильной эксплуатации продукта. Однако, поскольку вскрышные породы можно рассматривать как не всегда правильно используемый продукт процесса добычи полезных ископаемых, термин «утилизация» корректен. Вскрыша и отвалы — основные (по массе) отходы добычи руды. Продукты представлены преимущественно минералами алюмосиликатного состава. Считается [1], что их полная утилизация нерентабельна из-за крайне широкого распространения. В большинстве исследований и рекомендаций по комплексному использованию минерального сырья высказывается мнение о том, что наиболее реальным является применение породы в качестве закладочного материала непосредственно либо с добавкой низкокачественных цементов.
Если вскрышные породы удовлетворяют соответствующим стандартам, возможно их применение в производстве строительных материалов.
Анализ практики применения вскрышных пород в строительной индустрии [2] выявил ряд ограничений, связанных с их химическим составом, который оказывает существенное влияние на качество породы в качестве сырья для производства цемента, строительных блоков и наполнителей при проведении стройтельных работ. Вместе с тем не учитывается возможность использования глинистых минера-
Фёдоров А.А. КазиевГ.З., Казакова Г.Д. Выбор метода утилизации вскрышных... 73
лов, составляющих на некоторых месторождениях до 80% объема вскрышных пород в качестве сырья для производства керамики. На некоторых месторождениях Китайской Народной Республики вскрышные глинистые породы, особенно групп каолинитов, серпентина и смектита считаются более ценными, чем собственно отраслевое сырье (руды металлов и твердое топливо), так как используются в производстве высококачественного фарфора.
Ограничение использования вскрышных пород в строительной индустрии определяется их вяжущими свойствами, связанными преимущественно с соотношением слагающих их кислотных и основных оксидов.
Для глин, используемых в производстве керамики, характерно наличие в них примесей рудообразующих минералов, главным образом железосодержащих. Приведенные в литературе методы отделения железа главным образом полиградиент-ной магнитной сепарацией не всегда обеспечивают нужный эффект, так как приходится работать с тонкодисперсным материалом с большой удельной поверхностью, обладающим ионообменными свойствами. Исходя из этого, нами исследованы физико-химические особенности поведения материала вскрышных пород определяющие степень пригодности к утилизации и возможность повышения их потребительских качеств. Многие строительные материалы по структуре аналогичны цементированным горным породам (песчаникам и конгломератами), что и позволяет предложить для их характеристики термин «искусственные строительные конгломераты» (ИСК). Для производства ИСК необходимо сырье двух видов; химически активное (тонкодисперсное) и механически активное (грубозернистое). Вскрышные породы силикатного и алюмосиликатного состава необходимо рассматривать как химически активное сыр^е. В качестве его потребительской характеристики следует использовать коэффициент основности (Кос), рассчитываемый по формуле [2]:
v _ ([CaO] + 0,93[MgO] + 0,6[С02] - 0,55[А1203] + 0,35[Fe203] + 0,7[S03]
JN.OCH — ---- ---------------------------------------------------—--------———
(0,9 + [Si02 ])
В квадратных скобках указано процентное содержание указанных компонентов в исследуемом сырье, которое определяется по результатам химического анализа.
На основании химического анализа и расчетов коэффициента основности вскрышные породы можно разделить по признакам применения на три группы:
- используемые для производства вяжущих веществ (цементы, жидкое стекло), отличающиеся высоким содержанием оксидов первой и второй групп периодической системы элементов и Кос >1,5;
- применяемые в качестве наполнителей (КоСН > 1,2);
- возможное сырье для производства керамики, автоклавных материалов, стекла, минеральной ваты (значение Косн < 1,2).
Критериями оценки связывания и твердения материала служат модуль основности М0 = ([CaO] + [MgO]) / ([Si02] + [А120з]) и силикатный модуль Мс = [Si02] /
/ [А120з], определяемые химическим составом вскрышных пород.
Существующие гранулометрические и структурные требования к химически активному сырью: высокая дисперсность (размер зерен — менее 0,1 мм, удельная поверхность в пределах 2000-5000 см2/г), предпочтительно аморфные, стеклообразные и частично кристаллизованные структуры, также учитываются при выборе способа утилизации вскрышных пород.
В силу особенности кристаллического строения глинистых минералов подход к оценке возможности их утилизации с физико-химических позиций более сложен. Традиционной характеристикой горных пород является содержание глинистой фракции, которое в исследовании руд на обогатимость обычно определяется путем седиментационного анализа. Удельная поверхность глинистой фракции составляет, в среднем 70 м2/г. Наиболее часто в природных осадках встречаются такие слоистые силикаты, как каолинит, иллит и монтмориллонит. Как мы уже говорили, с позиций промышленного использования наибольший интерес представляют вскрышные глинистые породы групп каолинитов, серпентина и смектита.
Структура поверхности глинистых минералов довольно однообразна [3] и может быть рассмотрена на примере мусковита (рис.).
Поверхность его пакета имеет лунки (адсорбционные центры). В межпакетном пространстве все лунки оказываются занятыми, тогда как при отделении пакетов друг от друга ионы калия поровну распределяются между поверхностью «верхнего» и «нижнего» пакетов. Поэтому на по-
Рис. Структура поверхности мусковита верхности мусковита только половина лунок занята ионами калия.
Общее количество лунок на поверхности мусковита составляет 7,08 моль/м2, а поверхностная емкость обмена — 3,54 экв/м2. На дне каждой лунки находится • гидроксильная группа, координированная двумя атомами алюминия. Своеобразие глинистых минералов определяется ионным обменом. Заряд поверхности глинистого минерала в отличие от оксида более или менее фиксирован. Поэтому стехиометрические соотношения при обмене противоионов в данном случае проявлены в явном виде.
Целью данного этапа исследований являлось обоснование условий удаления технологически нежелательных примесей катионов переходных металлов (главным образом Fe3+) из глин путем ионного обмена. Была поставлена задача оценить влияние на ионообменный процесс растворов солей натрия, кальция и алюминия.
Опыты проводили при тех значениях pH раствора (2,25-2,31), при которых сохраняется ионообменный механизм взаимодействия Fe(III) и сорбентов. Интервал концентраций солей в растворе составил от 0,005 до 0,05 моль/л. Как показали опыты, во всех случаях наличие в растворе конкурирующего электролита снижает величину сорбции Fe(III). Для количественного описания опытных данных использовали уравнение
lge = A-Zl/Z2 -lg ар,
где: в — коэффициент распределения Fe(III) между сорбентом и раствором (сорбционное отношение, равное S/IS, где S — степень извлечения из раствора иона железа); Z\ и Z2 — заряды иона железа и конкурирующего катиона; ар — активность конкурирующего катиона в растворе; А — константа, зависящая от концентрации катионов электролита в твердой фазе, константы обмена и коэффициентов активности извлекаемого и конкурирующего ионов, как в твердой фазе, так и в растворе.
• (Si, Al)
(^) О (верхн. СЛОЙ) (^J О (нижн. слой)
Фёдоров А.А. Казиев Г.З., Казакова Г Д. Выбор метода утилизации вскрышных... 75
Таблица Значение угловых коэффициентов ЪХ1Ъ2 при сорбции и десорбции Ре(Ш)
Минерал Соль г,/г2
Ыа2804 0,53
Каолинит Са(Ш3)2 0,67
А12(804)з 0,42
Иа^О., 0,57
Серпентин Са(Ш,), 0,66
А12(804)з 0,45
Минерал Соль г,/г2
Ка^О., 0,4
Смектит Са(ЫОз)2 0,55
А12(804)з 0,75
Полученные результаты представлены в таблице. Они не противоречат предположению об ионообменном характере взаимодействия ионов железа с природными сорбентами, так как графические зависимости от ^ ар) удовлетворительно спрямляются. По степени подавления сорбций Ре(ПГ) изученные катионы располагаются в ряд: Ыа+ < Са2+ < А13+. Это свидетельствует о том, что при прочих равных условиях конкурентное влияние добавляемых ионов тем сильнее, чем выше их заряд и радиус. Анализируя характер замены железа на катионы натрия, кальция или алюминия, можно определить условия, при которых катионы железа будут удаляться из глинистых минералов, входящих в породосоставляющую.
Из данных таблицы следует, что для глин при использовании соли алюминия наблюдается обмен между катионами Ре(Ш) и А13+, близкий к эквивалентному (2\ 17а = 2/з).В остальных случаях этого не происходит. Дело в том, что повышение в растворе концентрации соли согласно закону действующих масс влечёт за собой в случае ионного обмена уменьшение сорбируемости Ре(Ш). При повышении концентрации электролита в растворе происходит более глубокая дегидратация ионов, вследствие чего в известной степени изменяется и природа взаимодействующих ионов в процессе ионного обмена. При этом «константа» обмена не является постоянной и зависит от степени гидратации ионов. Увеличение ионной силы раствора в случае ионообменного взаимодействия иона меди и сорбента приводит, с одной стороны, к уменьшению этого взаимодействия в результате конкуренции, а с другой стороны, к увеличению взаимодействия вследствие соответствующего роста величины константы обмена за счёт его дегидратации. Реальный результат является следствием проявления обоих процессов. Такой наглядно интерпретируемый фактор, как степень гидратации, характеризующий отклонение системы в случае ионного обмена от идеальной, используют для объяснения результатов опытов уже достаточно давно. В приведенных условиях преобладающим между конкуренцией и дегидратацией процессами оказывается конкуренция ионов электролитов и отмечается лишь более пологий характер зависимости
18е = /(1ёар)-(21/22=0,4-0,б).
Следствием же изменения степени гидратации ионов при повышении количества электролита является также изменение порядка сорбируемости ионов, что отражается на величине 7\/72.
При изменении условий сорбционного процесса, например, кислотности, массы сорбента и т.п., меняется и характер ионообменного взаимодействия, т.е. отношение зарядов реальных обменивающихся ионов 7\ 17л, которое в определенных условиях достигает теоретических значений. Следовательно, применение уравнений, являющихся следствием закона действующих масс, для описания ионообменной десорбции Ре(Ш) с глин является правомерным.
Таким образом можно сделать следующие выводы:
1) выбор метода утилизации вскрышных пород должен основываться на оценке их химического состава, гранулометрических и структурных характеристик, а также ионообменной способности;
2) обработка загрязненных природных глин раствором сульфата алюминия обеспечивает придание им потребительских свойств, удовлетворяющих требованиям получения качественных керамических изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихонов О.Н., Назаров Ю.П. Теория и практика комплексной переработки полезных ископаемых в странах Азии, Африки и Латинской Америки. — М.: Недра, 1989.
2. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. — М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994.
3. Grin R.E. Clay mineralogy, 2-nd ed. —N-York, 1989.
CHOICE OF A METHOD OF RECYCLING CAPPING FROM A POSITION OF AN ESTIMATION OF THEIR PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES
A.A. Fedorov
Peoples’ Friendship University of Russia Mik.luk.ho-Mak.lay st,, 6, 117198 Moscow, Russia
G.Z. Kaziev, G.D. Kazakova
Moscow State Pedagogical University Malaya Pirogovskaya St., I, 119991 Moscow, Russia
Questions of complex use of the mineral raw material, connected with use of waste of mountain manufacture are considered. Their consumer qualities for industrial use from positions of a chemical compound, the size of grains and structural characteristics are estimated. The way of regulation of consumer properties of clay breeds is offered.
Фёдоров Анатолий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горного и нефтяного дела Российского университета дружбы народов.
Казиев Гарри Захарович, доктор химических наук, профессор, декан химического факультета Московского педагогического государственного университета.
Казакова Галина Дмитриевна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической и аналитической химии Московского педагогического государственного университета.
