Казахстан является одним из мировых лидеров по запасам минерального сырья. Имея мощную минерально-сырьевую базу, страна обладает по мировым запасам урана – 18 %, свинца – 9 %, цинка – 8 %, 10 % хрома, серебра, меди и марганца имеют по 5 % соответственно. Республика является одним из крупных поставщиков энергетического сырья, цветных и черных металлов. Особенности технологических процессов приводят к образованию промышленных отходов. Ежегодно во всем мире в биосферу поступает много миллионов тонн твердых, жидких и газообразных техногенных отходов, наносящих непоправимый ущерб живой и неживой природе. На территории Казахстана накопилось около 43 млрд т различных отходов, из которых лишь 5 % идет на переработку [1].
Цель исследования: научный обзор по проблеме утилизации техногенных отходов различных производств с получением целевых продуктов.
Материалы и методы исследования
Выявление в ходе аналитического анализа литературных источников и на основе физико-химических анализов отходов различных производств наиболее экологически безопасных способов их утилизации.
Результаты исследования и их обсуждение
По данным работ авторов [2, 3] выявлено расположение 45 месторождений Каратауского фосфоритоносного бассейна.
По качественной и количественной характеристикам фосфорсодержащие руды и породы бассейна Каратау подразделяются (мас. %):
– на балансовые фосфоритные руды – 60;
– забалансовые фосфоритные руды – 13;
– фосфатно-кремнистые породы – 8;
– фосфатизированные кремни – 19.
Анализируя изменения содержания Р2О5 в руде, авторы в работах [4, 5] классифицируют фосфориты на следующие промышленные типы:
- богатые фосфоритные (28–30 % Р2О5);
- рядовые карбонатные и кремнисто-карбонатные (22–26 % Р2О5);
- рядовые кремнистые и карбонатно-кремнистые (21–25 % Р2О5);
- бедные (забалансовые) (18–21 % Р2О5);
- фосфатно-глинистые-кремнистые сланцы (флюс) (7–15 % Р2О5);
- фосфатизированные кремни (флюс) (2–6 % Р2О5).
По данным автора [6], основные запасы фосфоритных руд осадочно-метасоматического типа содержат до 14–23 % Р2О5.
При содержании Р2О5 менее 18 % фосфориты относят к забалансовым рудам, занимающим значительные земельные площади по отвалохранилищам, где находятся десятки сотен миллионов некондиционного материала, накопленного за период существования и эксплуатации промышленных месторождений. Заскладированные в отвалохранилищах материалы нарушают экологическое равновесие, поэтому рациональное их использование позволит повысить площади угодий сельскохозяйственного назначения.
следующий химический состав (в %):
- забалансовая руда месторождения Жанатас P2O5 – 17,4; MgO – 4,76; н.о – 30,3; Р – 7,5; K – 0,51; Ca – 36,5; Mn – 0,0942; F – 0,004;
- забалансовая руда месторождения Тьесай – P2O5 – 16,4; HO – 27,0; MgO – 31,3; CO2 – 5,2; CaO – 13,0; Fe2O3 – 1,3; Al2O3 – 1,4;
- забалансовая руда месторождения Коксу P2O5 – 21,9; HO – 25,8; MgO – 35,7; CO2 – 2,6; CaO – 8,1; Fe2O3 – 0,8; Al2O3 – 1,0;
- забалансовая руда месторождения Аксай P2O5 – 19,1, Р – 8,32, K – 1,49, MgO – 4,72, CaO – 29,85, MnO – 1,7.
Качественные и количественные характеристики фосфорсодержащих и забалансовых руд бассейна Каратау
|
Наименование |
Балансовые фосфоритные руды, % |
Забалансовые фосфоритные руды, % |
Фосфатно-кремнистые руды, % |
Фосфатизированные руды, % |
||||
|
Пределы содержания |
Средн. данные |
Пределы содержания |
Средн. данные |
Пределы содержания |
Средн. данные |
Пределы содержания |
Средн. данные |
|
|
P2O5 |
15–30 |
23,5 |
15–30 |
17,5 |
5–15 |
11 |
0,5–8 |
4 |
|
CaO |
25–50 |
42,5 |
25–40 |
30 |
12–30 |
20 |
1,6–16 |
8 |
|
MgO |
0,5–7 |
3,5 |
0,5–6 |
3 |
0,5–3,5 |
2 |
0,2–0,3 |
1,6 |
|
SiO2 |
5–35 |
15 |
15–45 |
30 |
40–70 |
50 |
65–95 |
80 |
|
CO2 |
2,5–15 |
8 |
3–13 |
7 |
1–8 |
5 |
1–6 |
3 |
|
R2O3 |
0,5–3 |
1,5 |
1–3 |
2 |
1,5–8 |
4 |
0,5–2,5 |
1 |
|
K2O + Na2O |
0,5–1,5 |
1 |
0,5–1,5 |
1 |
0,5–1,5 |
2 |
0,5–1,5 |
1 |
|
Запасы (в % от всего месторождения) |
60 |
13 |
8 |
19 |
||||
Вторым немаловажным по своей сущности и применению в экономике государства является фосфогипс, который образуется при химической переработке фосфоритов Каратауского бассейна сернокислотным способом в экстракционную фосфорную кислоту [7–10].
Так, например, на заводе минеральных удобрений ТОО «Казфосфат при получении 1 тонны аммофоса расходуется 2,44 т фосфоритной муки, 1,85 т серной кислоты, 0,151 т аммиака 0,088 т извести, и образуются отходы производства в виде фосфогипса в количестве 3,53 т. В настоящее время в хвостохранилище завода накоплено свыше 14 млн т фосфогипса, который требует кардинальных решений по его утилизации.
Фосфогипс для сельского хозяйства в соответствии с требованиями НТД содержит CaSO4*2H2O – 80,0; H2O – 20,0; (H2SiF6; Na2SiF6; K2SiF6; HF) – 0,3;
Приведены данные по изучению минералогического и химического состава микроскопическим, рентгенофазовым, термографическим и спектральным методами анализа и процессов, происходящих при нагревании фосфогипса со старого и нового отвалохранилищ, показавшие их идентичность.
В то же время фосфогипс, отобранный из старого и нового отвалохранилища, содержит: Са – 17,55 % и 19,42 %; К – 0,13 % и 0,14 %; Р – 0,35 % и 0,30 %; Р2О5 – 0,80 % и 0,69 %, а также поминералогическому составу CaSO4 ·2H2O – 87,93 % и 85,04 %; SiO2 – 9,10 % и 10,58 % соответственно. Усредненный гранулометрический состав фосфогипса по классам крупности содержит в %: 2–5 мм – 0,3; 1–2 мм – 21,8; 1–0,5 мм – 63,6; 0,1–0,5 мм – 10,1 менее 0,1 мм – 4,2.
Удельная активность природных радионуклидов в пробах фосфогипса составляет 4,0 кБк/кг, что соответствует требованиям СТ РК 2208-2012.
Фосфогипс и забалансовые руды могут быть рекомендованы для использования как в агропромышленном комплексе в виде сухих тукосмесей взятых в определенных соотношениях с другими компонентами шихты, так и дорожном строительстве.
Фосфогипс является побочным продуктом производства экстракционной фосфорной кислоты, получаемой при разложении фосфатного сырья или апатитового концентрата смесью серной и фосфорной кислот дигидратным способом, также можно использовать как материальный ресурс, позволяющий нейтрализовать кислые и засоленные почвы.
В процессе угледобычи, как и в горнодобывающем комплексе фосфоритного сырья образуются значительные объемы внутренних вскрышных пород и мелочи угля, которые содержат в себе от 45 до 75 % углерода и микроэлементы, остро необходимые растениям и сое-овоще-бахчевым, а также плодово-ягодным культурам агропромышленного комплекса. Следует отметить, что минеральная часть внутренних вскрышных пород представлена ферритами, алюминатами, силикатами кальция и магния, анортитами и диопсидами. Поэтому для применения их в составе новых номенклатур тукосмесей из твердых отходов различных производств и предприятий экономики изучены их химические составы, так как в почвенной среде углекислоты, находящиеся в ВВП и мелочи углей, вступают во влажной среде в реакцию с гидрооксидами и оксидами натрия и калия, образуя гуматы. Усредненный химический состав ВВП содержит (в %): SiO2 – около 50; А12O3 – 13,5; CaO – около 2; MgO – около 2; Fe2O3 – 9,3; MпO – 0,3; K2O – 0,5; Na2O 0,5; Cсвоб – 28.
Кроме этого, ВВП и мелочь углей, при применении их в дорожном строительстве могут регулировать водно-тепловой баланс подстилающего слоя дорожной одежды [7].
Сотрудниками научно-исследовательской лаборатории «Неорганические соли, стимуляторы роста и защиты растений» НАО «Южно-Казахстанский университет им. М. Ауэзова», совместно с учеными Российской Федерации и Республики Беларусь разработаны и разрабатываются ряд тукосмесей новых номенклатур, на основе пыли циклона аглокомплекса ТОО «Казфосфат», внутренних вскрышных пород, бурых углей, отсевов мелочи забалансовых фосфоритов, фосфогипса и обожженного вермикулита, который является, как известно, влагоудерживающим веществом. Указанные исходные материалы шихты тукосмеси в почвенном покрове играют роль сорбентов влаги, отдавая ее корневой системе различных сельскохозяйственных культур, нейтрализатора кислых почв, а также позволяют получить гуматы при взаимодействии углерода с щелочными металлами почвы и внутренних вскрышных пород.
Получаемая новая номенклатура тукосмеси содержит такие микроэлементы, как медь, цинк, сера, железо, магний, кобальт и марганец, остро необходимые сельскохозяйственным культурам.
Предлагаемая к внедрению в производство и АПК тукосмесь содержит ( %):
- пыли циклона агрокомплекса – до 62;
- вермикулита – до 12
- внутренних вскрышных пород – до10;
- фосфогипса – до 10;
- бурого угля – до 5;
- поташа – до 5, и других компонентов, из различных забалансовых руд, при различном соотношении.
В зависимости от химического состава посевных площадей и применяемой к использованию тукосмеси, в ее состав могут быть введены аммофос, серосодержащие вещества или комовая сера размером до 3 мм, а также другие микроэлементы.
Природные ресурсы являются невосполнимыми материальными ценностями в плане решения экологических проблем и охраны окружающей среды для фауны и флоры любого государства и трансграничных территорий. Поэтому рациональное и бережное отношение к ним, с одновременным использованием техногенных отходов различных отраслей экономики, актуально на многие десятилетия, так как на территории любого государства скопились миллионы тонн техногенных отходов горнодобывающей отрасли химической и металлургической промышленности, стройиндустрии и угледобывающего комплекса.
Так, например, в статьях ряда авторов [8, 9] рассматриваются уникальные по своим технологическим и потребительским свойствам дорожно-строительные материалы из техногенных отходов фосфорных подотраслей электротермическим способом и переработки тонкомолотых фосфоритов химическим методом, в частности «Фосфогипс дорожный», золошлаковые отходы ТЭЦ, которые еще не успели завоевать всеобщую популярность среди подрядных организаций, но показали свои значительные преимущества перед обычными материалами, традиционно применяемыми в дорожном строительстве. Согласно исследованиям авторов [10–12], слой из фосфогипса работает как легкая и единая монолитная плита, распределяющая нагрузку на большую грунтовую поверхность и снижающая напряжения в грунте.
Использование фосфогипса, золошлаковых отходов ТЭЦ и забалансовых руд включает следующие операции, с учетом улучшения безопасности жизнедеятельности населения:
- разравнивание поверхности основания автогрейдером;
- уплотнение катком;
- распределение и уплотнение щебня фракции 20–40 толщиной слоя 5–8 см.
Общеизвестно, что снижение удельного давления на грунт понижает вероятность появления в нем местных пластических деформаций. Это обеспечивает длительную сохранность ровности покрытия. Физико-химические свойства фосфогипса, за счет относительных деформаций гибкости с растяжением, позволяют использовать принципы унификации конструкций дорожной одежды, что обеспечивает толщину конструктивных слоев и количество технологических операций, а также времени и номенклатуры эксплуатируемой строительной техники. Принципы унификации дорожных конструкций на основе использованием фосфогипса и забалансовых природных материалов для дорожного покрытия обеспечивают все многообразие воздействия природно-климатических факторов. Кроме этого они оказывают влияние на технологические свойства подстилающего слоя, по сравнению со слоями из зернистых материалов с получением слоев, выдерживающих более высокие нагрузки. Это обеспечивает снижение до 40–50 % потребности в природных минеральных ресурсах, таких как щебень и песок.
В дорожном строительстве широкое развитие получил метод направленного структурообразования и создания однородной массы строительного материала на основе принципов физико-химии дисперсных систем по академику П.А. Ребиндеру. Рядом исследований выявлено, что кристаллизационные структуры наиболее водоустойчивы, прочны и долговечны при высокой плотности и отсутствии крупных пор, понижая их морозостойкость. Процесс перекристаллизации полугидрата в дигидрат и включения свободной влаги в кристаллическую структуру приводят к образованию таких структур, которые выявлены в работе [13] с применением фосфогипса полугидратной форме в дорожном строительстве.
Авторами была разработана и применена технология упрощенного строительства нижних слоев дорожного полотна автомобильных дорог общего пользования.
Подготовка участка для проведения работ включает в себя выравнивание или подготовку основания для укладки фосфогипса, его доставку и выгрузку, а также выравнивание материала бульдозером.
С целью применения золошлаковых отходов при получении тукосмесей из твердых материалов, содержащих микроэлементы, и в дорожном строительстве исследован химический состав золошлаков Экибастузских углей и ТЭЦ-3 г. Караганды, так как золошлаки находят широкое применение в дорожном строительстве [14, 15].
По сравнению с Республикой Казахстан и Российской Федерацией, в зарубежных странах вовлечение отходов в хозяйственный оборот более значительно в плане сбережения природных минеральных ресурсов и утилизации отходов производства, так как отходы горно-обогатительного и горнодобывающих комплексов являются серьезными источниками загрязнения окружающей среды [16–18].
Заключение
На основании проведенного обзора предлагается использование указанных отходов по двум направлениям при определенных соотношениях исходных материалов и разработкой оптимальных технологических решений:
- получение минеральных удобрений из различных твердых материалов в виде тукосмесей;
- применение вышеуказанных сырьевых компонентов в качестве подстилающего слоя дорожной одежды.