Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 2, стр. 58-63

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие отечественного минерально-сырьевого комплекса неизбежно приводит к накоплению значительного количества отходов, которые негативно влияют на окружающую среду. Поэтому переработка и утилизация отходов имеет государственное значение и рассматривается в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации – “рациональное природопользование”. Сегодня можно констатировать факт, что переработка отходов является самостоятельной крупной задачей для нашей промышленности.

Отходы добычи и переработки руд и горных пород весьма разнообразны [1, 2, 4, 7]. Это вскрышные, вмещающие породы, отходы сухой переработки сырья, забалансовые и некондиционные руды, которые по своим составу и свойствам не только близки к природным аналогам, но обычно используются в тех же направлениях. Отходы переработки металлургических, химических, теплоэнергетических производств более многообразные. Шлаки, шламы, золошлаки, нефтешламы, горелые породы, пиритные огарки, клинкеры, пыли в значительной степени отличаются от природных руд и горных пород.

Вопросами утилизации и вторичной переработки отходов занимаются многочисленные организации различной ведомственной принадлежности. В зависимости от решаемых задач и объектов исследования реализуются различные технологии их изучения, и соответственно принимаются решения по их использованию в народном хозяйстве [2, 5–7].

Горнопромышленные отходы, являющиеся техногенным сырьем, практически всегда отличаются от природных сырьевых объектов. Им присущи переменный гранулярный состав, нередко высокая дисперсность, наличие аморфных образований, сложные взаимоотношения минеральных и (или) техногенных фаз, незначительное количество одного или нескольких полезных минералов, полиминеральные (полифазные) агрегаты, присутствие минералов изоморфных рядов и политипных модификаций, вторичные изменения, связанные в основном с процессами гипергенеза [3].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Минералогическое изучение горнопромышленных отходов базируется на современном научном, методическом, техническом и инструментально-аппаратурном обеспечении исследований техногенного сырья, и позволяет прогнозировать возможность вовлечения его во вторичную переработку, включая ликвидацию экологических последствий промышленной переработки. Необходимая и достаточная минералогическая информация может быть получена комплексом физических методов (оптическая и электронная микроскопия, рентгенографический, рентгенотомографический, микрорентгеноспектральный, термический анализы, инфракрасная и мессбауэровская спектроскопия). Для разных видов отходов используется индивидуальный комплекс методов минералогического анализа, позволяющий получать полную и достоверную информацию, включающую сведения о фазовом составе техногенных образований, в том числе форме нахождения полезных элементов, гранулярном составе, морфометрических параметрах, характере локализации конкретных фаз [3].

Минералогический анализ отходов добычи осуществляется преимущественно согласно методическим документам Научного совета по минералогическим методам исследования, разработанным для анализа природного минерального сырья. Специальных методик минералогического анализа отходов переработки полезных ископаемых не существует. Исследование таких объектов носит междисциплинарный характер, обусловленный разумным сочетанием методов анализа, заимствованных из различных областей знаний и адаптированных к решению минералого-технологических и минералого-экологических задач.

Объектами исследования являлись лежалые хвосты железорудных фабрик, исследование которых выполнено комплексом физических методов, включающим оптическую микроскопию, рентгенографический, рентгенотомографический, электронно-микроскопический и микрорентгеноспектральный анализы. В соответствии с требованиями к аккредитованным лабораториям минералогические анализы проводились согласно отраслевым методическим документам Научного совета по минералогическим методам исследования (НСОММИ) на поверенном оборудовании.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лежалые хвосты железорудной фабрики представлены отложениями пляжной зоны (рыхлый песчано-глинистый материал) и пруда-отстойника (плотные илистые образования) (рис. 1 a, б).

Рис. 1.

Лежалые хвосты железорудной фабрики. Общий вид исходной пробы: а – зона пляжа; б – зона пруда. Общий вид проб после отмучивания, класс крупности –1 + 0.5 мм: в – пляж; г – пруд.

Главным полезным элементом является железо Fe (27.7–30.4%) Породообразующие компоненты представлены SiO₂ (39.5–41%), Al₂O₃ (5.99–9%) и MgO (0.28–0.59%). В хвостах четко выделяются рудная и количественно преобладающая нерудная составляющие. В отмытых пробах явно доминируют рудные минералы и агрегаты (рис. 1 в, г).

Взаимоотношения рудообразующих фаз в полиминеральных агрегатах четко прослеживаются на томограммах (рис. 2. 1, 2): преобладают породообразующие минералы, образуя матрицу, в которой неравномерно распределены рудные минералы, что характерно для техногенных отходов данной категории. Подобное распределение рудных и породообразующих фаз в значительной степени будет влиять как на методы рудоподготовки, так и на технологию обогащения. Главными рудными минералами являются магнетит 10–13% и гетит 8–13%, к категории вторичных минералов относится гематит 7%. Породообразующие минералы: кварц 30–32%, полевой шпат 4%, слоистые алюмосиликаты 35%. Отмечаются пирит, халькопирит, гранат, пироксен, эпидот, рутил, кальцит. Лежалые хвосты можно отнести к гематит-магнетит-гетитовому и гематит-гетит-магнетитовому минеральным типам.

Рис. 2.

Лежалые хвосты обогащения, исходная проба, размер обломков 1 × 1.5 см. 1 – зона пляжа, 2 – пруд, µРТ, слева направо: томограмма; сегментация по TomAnalysis, гистограмма выделенных фаз, в %: 1 – слоистые алюмосиликаты, 2 – кварц, 3 – полевые шпаты и карбонаты, 4 – гидроксиды железа (гетит), 5 – гематит, 6 – магнетит-2, 7, 8 – магнетит-1.

Магнетит – главный рудный минерал, содержание которого в магнитных фракциях достигает 80%. Преимущественно зерна минерала сохраняют кристаллографическую огранку, но встречаются также фрагменты кристаллов и окатанные зерна. Электронно-микроскопическими исследованиями установлены срастания октаэдрических кристаллов магнетита, поверхность которых обычно отличается высокой микропористостью и микротрещиноватостью, связанными с гипергенными процессами. Интенсивное воздействие природных факторов на лежалые хвосты в целом и магнетит в частности привело к образованию вторичных гроздевидных выделений, обнаруженных на кристаллах магнетита. Рентгеноспектральным микроанализом установлено, что они отличаются более высокими содержаниями марганца, титана, кремния, алюминия, фосфора.

Магнетит неравномерно гематитизирован (мартитизирован). Гематит развивается по магнетиту в виде пятен и кайм. Магнетит достаточно часто полностью замещен гематитом, гетитом и гидрогетитом с сохранением формы зерен (рис. 3, а, б, в, г).

Рис. 3.

Строение зерен магнетита: а – стадии изменения зерен магнетита, б – магнетит, неизмененный и почти полностью замещенный гематитом, в – зерно магнетита, полностью замещенное гетитом и гидрогетитом, г – зерно магнетита с каймами и прожилками гематита; отраженный свет, николи параллельны.

Неоднородность магнетита связана не только с мартитизацией, но и с широко развитыми в нем сетчатыми и решетчатыми структурами распада. Структуры распада свойственны магнетиту, обогащенному титаном (рис. 4, а).

Рис. 4.

Структуры распада в магнетите; отраженный свет; николи параллельны.

По данным электронной-микроскопии установлено, что в магнетите блочного микростроения структуры распада нередко ориентированы субпараллельно плоскостям микроблоков (рис. 5). Неоднородное строение магнетита в целом негативно влияет на его магнитные и плотностные характеристики.

Рис. 5.

Структуры распада, ориентированные субпараллельно плоскостям микроблоков магнетита, РЭМ.

Гематит встречается в тесной ассоциации с магнетитом, образует частичные и полные псевдоморфозы по нему. Сложный характер срастания гематита и магнетита позволяет рассматривать их в качестве единого полиминерального рудного агрегата, который невозможно селективно разделить на конкретные минеральные фазы. Уверенно можно говорить о негативном влиянии гематитизации на процессы селективного выделения магнетита. Содержание свободных зерен гематита весьма незначительно, поэтому вопрос выделения гематита в самостоятельный продукт не представляет практической значимости и не рассматривается.

Гетит и гидрогетит при рудоподготовке и дальнейших обогатительных операциях будут переизмельчаться и концентрироваться в хвостах, что обусловлено их морфоструктурными характеристиками и тесной ассоциацией, с одной стороны, с главными рудными минералами, а с другой – со слоистыми алюмосиликатами.

Кварц – главный породообразующий минерал, в немагнитных фракциях его содержится до 80%. Более 50% кварца концентрируется в легких фракциях.

ВЫВОДЫ

Исследование минерального состава и текстурно-структурных характеристик лежалых хвостов железорудной фабрики и установленные особенности их состава и строения позволяют сделать выводы о характерных признаках минералов, определяющих технологические свойства сырья. Гематитизация, микроблочность, микротрещиноватость и микропористость магнетита, наличие структур распада, а также присутствие изоморфных примесей в минерале приводит к снижению его плотностных и магнитных свойств. Микроблоковое строение магнетита может способствовать повышению коэрцитивной силы и флуокуляции мелких зерен минерала. Основываясь на результатах изучения гранулярного состава хвостов, характера раскрытия сростков рудных минералов и их распределении по классам крупности, а также поведении лежалых хвостов в процессах дезинтеграции с последующей магнитной сепарацией, предлагается использовать для вторичной переработки лежалых хвостов методы гравитационного и магнитного обогащения.