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.
Библиографическая ссылка
Жантасов К.Т., Жуматаева С.Б., Лавров Б.А., Дормешкин О.Б., Сарыпбекова Н.К., Жантасов М.К., Зият А.Ж., Жантасова М.К., Бекаулова А.А. ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЗАБАЛАНСОВЫХ РУД И ОТХОДОВ РАЗЛИЧНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2021. – № 12-1. – С. 40-44;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38952 (дата обращения: 25.04.2024).