Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

THE CONDITIONS OF FORMATION OF CLUSTERS OF SIGNIFICANT COMPONENTS AS A CLASSIFIED SIGN OF TECHNOGENIC DEPOSITS

Usmanova T.V. 1 Rikhvanov L.P. 1
1 Tomsk Polytechnic University
Целью исследований являлось усовершенствование предложенной нами ранее классификации техногенных месторождений в связи с полученными нами новыми данными. В процессе работы проанализированы данные о составе отходов различного производства, на их основе и данных о составе исходного добываемого или перерабатываемого сырья, а также используемых технологий его переработки показаны возможные причины образования скоплений ценных компонентов в отходах. Полученные результаты использованы для обоснования выделения различных типов техногенных месторождений. Разработанная нами классификация техногенных месторождений позволит на стадии предварительного изучения техногенных объектов сделать анализ возможностей накопления в отходах производства ценных компонентов и в зависимости от этого оценить перспективность данных объектов на предмет возможности получения из них ценной продукции.
The purpose of the research was to improve our earlier proposed classification of technogenic deposits in connection with the new data received. In the process of data analysis on the composition of various waste products based on these data and the composition of raw extracted or processed feedstock as well as technology used for its processing, the possible causes for the accumulation formation of valuable components in the waste are shown. The results obtained are used for distinguishing different types of technogenic deposits. The classification of technogenic deposits developed by us would allow for making the analysis of possible accumulation of valuable components in the production waste at the stage of preliminary study of technogenic formations and, depending on it, evaluating the prospects of these facilities for the possibility of valuable products production from them.
valuable components
technogenic deposits
classification
waste products
1. Alekseev S.V., Alekseeva L.P. t dr. Vahromeev A.G., Gornyjzhurna-Mining Journal, 2012, no. 2, pp. 8-13.
2. Afanasenko S.I., Lazaridi A.N. Materialy 14 Mezhdunarodnogo soveshhanija «Rossypi i mestorozhdenija korvyvetrivanija: sovremennye problemy issledovanija iosvoenija» (Proc of 14thInt Meet. «Alluvial sand weathering crustsdeposits: modern problems of researchand development»). Novosibirsk, 2010, pp. 64 – 68.
3. Benevol’skij B.I., Krivcov A.I., Romanchuk A.I. Mineral’nye resursy Rossii. Jekonomika i upravlenie-Mineral resources of Russia. Economics and Management, 2011,no. 1, pp. 37-41.
4. Ignatova T.N. Jelementnyj sostav organizma chelovekai ego svjaz’ sfaktoramisredyobitanija [The elemental compositionof the human bodyand its connection withenvironmental factors], Tomsk, 2010, 228 p.
5. MakarovaJu. A. Tehnogenezgeologicheskoj sredy Verhne-Pyshminskogo promyshlennogo uzla (Srednij Ural) [Technogenes is geological environment ofthe Upper Pyshminskyindustrial unit (Middle Urals)], Ekaterinburg, 2004, 20 p.
6. Obruchev V.A., Izv. AN SSSR. Ser. geologicheskaja-Proceedings of theAcademy of Sciences ofthe USSR .geologicalseries, 1942, no. 3, pp. 48–57.
7. TVEL (2012), Available at: http://www.tvel.ru/wps/wcm/connect/tvel/tvelsite/presscentre/news/aef18d00477a351bbc28fe9e1277e356 (accessed 12 October 2012).
8. Puchkov V.N., Salihov D.N., Abdrahmanov R.F. i dr., Geojekologija. Inzhenernaja geologija. Gidrogeologija. Geokriologija-Geoecology. Engineering geology. Hydrogeology. Geokriologiya, 2007.no. 3, pp. 238–247.
9. RenardJe.V., Velichko A.V. Atomnajatehnika zarubezhom – Atomic energy technologyabroad, 1993, no. 9, pp. 3–9.
10. Rihvanov L.P., F.Got’e-Ljafej, T.V. Materialy 2 Mezhdunarodnoj konferencii «Radioaktivnost’ i radioaktivny ejelementy v srede obitanija cheloveka» (Proc. of 2thInt. Conf. «Radioactivity and radioactive elements in the human environment»), Tomsk, 2004, pp.506-511.
11. Rihvanov L.P., Filinova (Usmanova) T.V. Materialy regional’noj konferencii geologov Sibiri, Dal’nego Vostokaisevero-vostoka Rossii (Proc. of the Reg.Conf.of Geologistsof Siberia, the Far East and north-east Russia), Tomsk, 2000, Vol. 2, pp. 61–63.
12. Solov’ev A.I., Maljutina V.M., Rihvanov L.P., Usmanova T.V., Babenko S.A. Gornyjzhurnal. Spec. vypusk. Cvetnyemetally – Mining Journal. Special Issue. Non-ferrous metals, 2006.no. 4, pp. 52–56.
13. Teoreticheskie osnovy biogeohimicheskojj ekspertizy okruzhajushhej sredy [Theoretical basis ofthe examination of the biogeochemical environment], Vladivostok; Habarovsk: Dal’nauka, 1998, 157 p.;
14. Usmanova T.V. Trudy Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «Problemy razvedki, dobychi i obogashhenija rud blagorodnyh metallov i tehnogennogo syr’ja» 8–11 nojabrja 2000 (Proc. Int.Scien. and Technic. Conf.»Problemsof exploration,mining and millingof preciousmetals andtechnogenic raw materials», November 8-11,2000) – Ekaterinburg, 2000, pp. 44–46.
15. Usmanova T.V. Perspektivy razvitija tehnologijpere rabotkiv to richnyh resursov v Kuzbasse. Jekologicheskie, jekonomicheskie i social’nyea spekty (Proc. «Prospects forthe development ofrecycling technologiesof recycled resourcesin the Kuznetsk Basin. Environmental, economicand social aspects»), Novokuzneck, 2012, pp. 189–197.
16. Usmanova T.V. Materialy 3 Mezhdunarodnoj konferencii «Radioaktivnost’ i radioaktivnye jelementy v srede obitanija cheloveka» (Proc. ofthe Third Int. Conf. «Radioactivity and radioactiveelements in thehuman environment»), Tomsk, 2009, pp. 619–622.
17. Usmanova, T.V. Vestniknauki Sibiri-Siberian Journal of Science, 2012, Vol. 3(2). availableat: www.sjs.tpu.ru/journal/article/view/310.
18. Shakuro S.V. Primenenie jelektrorazvedochnyh metodov priizuchenii benzinovyh (kerosinovyh) linznaob ektahhranenija i pererabotki nefte produktov (Application of electro prospecting methods in the studyof petrol(kerosene) lenses on thestorage andprocessing ofoil products), availableat: http://geology.front.ru/gas/2004_2/index.htm (accessed 20 October 2009).
19. Jurovskij A.Z. Mineral’nye komponenty tverdyh gorjuchih iskopaemyh [Mineral componentssolid fossil fuel], Moskow, Nedra, 1968, 214 p.

Большинство предложенных на настоящий момент классификаций техногенных минеральных объектов носит общий характер (Трубецкой, Уманец, Никитин, 1987 г., 1989 г.; Наркелюн, 1996 г. и др.), они в основном направлены на пересмотр отходов как техногенного минерального сырья в отдельных горнодобывающих районах. При этом, как правило, не учитываются условия, при которых происходит накопление ценных компонентов, позволяющие рассматривать отходы производства как техногенные месторождения. Но при выборе способа переработки техногенного сырья необходимо учитывать механизм образования скоплений ценных компонентов в такого рода объектах.

Целью исследования являлось усовершенствование предложенной нами ранее классификации техногенных месторождений [11], которая была создана с учетом причин образования в отходах различных производств ценных компонентов.

Материал и методы исследования

Исходными материалами являлись результаты исследований, которые были получены авторами при изучении отходов различных производств, а также результаты других исследователей, позволившие обосновать образование скоплений ценных компонентов в отходах производства как классификационный признак техногенных месторождений. Для достижения поставленной цели использовались методы системного анализа, построение классификации и другие методы, используемые в науке.

Результаты исследования и их обсуждение

В таблице представлена классификация техногенных месторождений, в которой основным классификационным признаком являются условия накопления ценных компонентов в отходах различных производств.

Классическими образцами объектов первого типа являются месторождения пятиэлементной рудной формации Центральной Европы (Co–Ni–Bi–Ag–U месторождения), из руд которых уже в 15–16 веках добывалось серебро, а другие компоненты, в том числе богатые урановые руды, уходили в отвал. С момента открытия в 1896 году явления радиоактивности эти отвалы стали использовать как источники радия – продукта распада U238, один грамм которого оценивался в 1 миллион золотых рублей, а после 1939 года, когда было открыто явление деления U235 и началась борьба за ядерное преимущество, из этих же отвалов добывался уран.

Возможные причины возникновения (генезис) техногенных месторождений

Тип

Причина возникновения

1

Потери ценных компонентов, неизвестных науке в период отработки месторождения, в продуктах горно-металлургического передела

2

Потери ценных компонентов вследствие несовершенства существующих на момент отработки технологий их извлечения

3

Потери ценных компонентов из-за недостаточной степени изученности руд и продуктов их переработки на содержание ценных компонентов

4

Потери в технологических цепях химических, металлургических и других производств, когда используемые в технологии ценные компоненты накапливаются в шламах, отстойниках, сбросных водах и так далее

5

Потери ценных компонентов, образующихся в результате ядерных превращений и захораниваемых в отходах производств ядерно-топливного цикла

6

Потери ценных компонентов при проведении технологических процессов (плавка и т.д.) в зданиях и помещениях

7

Потери ценных компонентов в свалках промышленных и бытовых отходов

8

Потери ценных компонентов вдоль путей транспортировки, в районах перегрузки и хранения сырья и готовой продукции

9

Сточные шахтные и карьерные воды; подтоварные воды, извлекаемые при добыче углеводородного сырья

10

Накопление отходов добычи, обогащения и переработки, для которых не были найдены эффективные направления использования

Наиболее ярким примером объектов второго типа являются отвалы, прежде всего так называемые эфеля, золоторудных и других благороднометалльных россыпей. По современным оценкам и многочисленным литературным данным, современные старательские артели, использующие традиционные промывочные приборы, теряют от 20 до 50 % золота [2]. Одним из первых, кто обратил внимание на этот факт, был основатель сибирской геологической школы В.А. Обручев [6].

Приблизительная оценка прогнозных ресурсов Auво всех элементах техногенных объектов в целом по стране составляет порядка 5000 т, что эквивалентно в лучшем случае половине всего добытого из россыпей золота [3].

К объектам третьего типа можно отнести многочисленные отвалы, хвосты переработки, золы и шлаки, илы отстойников самых разнообразных месторождений Сибири, содержащих ценные компоненты в промышленно значимых концентрациях, о чем на момент добычи и переработки руды отсутствовала информация. Примером такого рода месторождений можно считать золошлаковые отходы, образованные при сжигании угля, добытого на Бородинском разрезе, в которых были обнаружены повышенные концентрации Zn и Sr, превышающие минимально промышленные значения в золах углей соответственно в 2,5 и 2,7 раза [15]. В золошлаковых отходах, образующихся в промышленной котельной шахты «Хакасская» обнаружены повышенные концентрации Bе – в 4, V ‒ в 16, Y ‒ в 10, Nb и Bi ‒ в 6 раз превышающие минимальные промышленно значимые для зол углей и Ва – в 2,5 раза превышающие кларк для золы углей по Я.Э. Юдовичу [15]. Вопросы комплексной переработки золошлаковых отходов рассматривал А.З. Юровский [19].

Нами проводились исследования особенностей химического состава лежалых отходов некоторых горнопромышленных предприятий Хакасии, с этой целью студентами под руководством профессора кафедры ГЭГХ ТПУ С.И. Арбузова были опробованы хвостохранилища месторождений Сорское, Киялых-Узень, Юлия.

В результате проведенных исследований были получены данные, что в хвостах Сорского ГОКа, перерабатывающего медно-молибденовые руды, обнаружены высокие концентрации Mo,Cu, Pb, Ag, что говорит о том, что на данном объекте имеют место потери как основных, так и сопутствующих компонентов руд, а сами хвосты могут являться объектом переработки [17].

В хвостах переработки руд бывшего медно-молибденового месторождения Киялых-Узень обнаружены повышенные концентрации Мо Cu, Ag,Sb,Zn, As, Sn, Cr, что говорит как о несовершенстве существовавшей технологии извлечения основных компонентов из руд месторождения, применяемой на обогатительной фабрике, так и недостаточной степени изученности элементного состава руд месторождения Киялых-Узень [17].

В материале старого хвостохранилища обогатительной фабрики, перерабатывающей медные и свинцовые руды, в настоящий момент уже не разрабатываемого месторождения Юлия, обнаружены повышенные концентрации ряда элементов, представляющих как основные рудные, так и сопутствующие компоненты, и эти образования могут представлять интерес для извлечения методами выщелачивания золота и серебра.

Примером четвертого типа месторождений могут являться отстойники шламонакопителей производств, использующих процессы хромирования, никелирования, золочения и так далее, когда в шламах или вентиляционной пыли происходит накопление Cr, Ni, Au и других компонентов.

Примером объектов пятого типа нашей классификации являются жидкие радиоактивные отходы, образующиеся на радиохимических заводах при переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ), и в которых происходит накопление продуктов деления ядер урана. На это мы обратили внимание после знакомства с геохимическими и минералогическими особенностями месторождения Окло, являющегося природным ядерным реактором [10]. Среди них особый интерес представляют благородные элементы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Ag, Au) [16]. Количество металлов платиновой группы (МПГ) в ОЯТ зависит от вида топлива, глубины его выгорания в реакторе и продолжительности последующей выдержки, наибольших величин оно достигает в топливе реакторов на быстрых нейтронах [9]. Эти отходы могут рассматриваться как источник платиноидов в будущем.

К шестому типу нашей классификации можно отнести конструкции зданий и сооружений, в которых осуществлялся аффинаж драгоценных металлов, например, золотоплавильные или золото-аффинажные заводы, а также почвогрунты прилегающих к ним территорий. Примером такого типа объектов является район старого аффинажного завода в г. Новосибирске, который был закрыт в 1994 г. После проведения экспертизы на предприятии обнаружено, что за 53 года с газом, с проливами металла в стены и грунт въелось неучтенного золота – 630 кг и серебра – 4,5 тонны [4].

Примером седьмого типа могут являться как старые (в том числе несанкционированные) свалки промышленных предприятий, так и полигоны бытовых отходов. Например, за счет рекуперации при производстве 1 т алюминия из бытовых отходов можно сэкономить около 5 т бокситов, а при производстве 1 т меди ‒ почти 130 т медной руды [13].

К восьмому типу объектов могут быть отнесены почвогрунты вдоль путей транспортировки сырья и готовой продукции с промышленно значимыми содержаниями ценных элементов. К примеру, Ю.А. Макаровой с соавторами были проведены исследования почв и грунтов территории Верхне-Пышминского промышленного узла (Средний Урал), включающего ныне недействующий подземный рудник, обогатительную фабрику, шламохранилище, комбинат «Уралэлектромедь». Среди выявленных в вертикальном профиле почв тяжелых металлов превышение ПДК фиксируется у Cu, Zn, Pb, As, Cr, Ni, Sb. Были получены данные, что максимальные их концентрации приурочены к местам складирования и транспортировки сырья и продукции [5].

На основе полученных данных Ю.А. Макаровой был проведен подсчет прогнозных ресурсов цветных металлов в грунтах комбината. Выполненный расчет дал основание поставить вопрос о вероятном использовании техногенных грунтов территории комбината в качестве сырья для извлечения цветных металлов.

К этому типу объектов также могут быть отнесены скопления нефтепродуктов с извлекаемыми объёмами в сотни, тысячи и более кубометров, формирующиеся в почвогрунтах и приповерхностных горизонтах в районе нефтебаз, нефтехранилищ, нефтеперерабатывающих заводов, находящихся в эксплуатации достаточно длительный срок (20, 30 и более лет) за счёт постоянных утечек, происходящих (или, по крайней мере, происходивших ранее) практически на всех стадиях производства. Помимо очевидной экологической опасности эти залежи в некоторых случаях представляют и определённый коммерческий интерес, поскольку в благоприятных условиях большая часть продукта – бензина (смеси бензинов) или керосина может быть извлечена и переработана [18].

К девятому типу техногенных объектов могут быть отнесены подтоварные воды нефтяных месторождений, извлекающиеся на поверхность попутно при добыче нефти.

С.В. Алексеевым и др. [1] были получены данные о том, что, к примеру, эксплуатационные запасы высококонцентрированных рассолов Иркутской области и Западной Якутии являются достаточной базой для организации промышленного производства лития и других ценных компонентов с низкой себестоимостью. Важным преимуществом пластовых вод как сырьевого источника редких элементов является экологическая чистота добычи и производства продукции, исключающая нарушение состояния окружающей природной среды, дробление и измельчение огромных масс горных пород и применение сложных схем их обогащения.

Другим примером такого рода объектов могут являться шахтные, карьерные, подотвальные воды горнорудных предприятий. Исследования подотвальных вод месторождений Южного Урала показали, что в них водах встречаются редкие, редкоземельные элементы; большинство из них содержатся в концентрациях, во много раз превышающих региональный кларк [8]. Таким образом, они представляют собой минеральное сырье, и в то же время высокие концентрации металлов предопределяют высокую токсичность таких вод, что говорит о необходимости их извлечения.

К десятому типу техногенных объектов могут быть отнесены отвалы вскрышных пород, отходы обогащения и металлургического передела, золошлаковые отходы и так далее, для которых пока еще не были найдены эффективные области использования.

Например, золошлаковые отходы золоотвала Назаровского разреза могут рассматриваться на предмет их использования в сельском хозяйстве вследствие повышенного содержания в них таких элементов, как Са и Mn, а повышенное содержание в них бария может быть использовано в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями [15]. Еще одним примером месторождений этого типа является обедненный гексафторид урана UF6 (ОГФУ), накапливающийся на предприятиях ядерно-топливного цикла, который составляет около 85 % от общего объема перерабатываемого сырья. В 2009 г. в Зеленогорске была пущена первая в России промышленная установка по переработке ОГФУ W-ЭХЗ, позволяющая переводить его в более удобную для длительного хранения закись-окись урана и получать фтороводородную кислоту, востребованную во многих отраслях промышленности. Только за 1-е полугодие 2011 г. было произведено и отгружено 2 355 тонн кислоты, кроме того, было произведено более 100 тонн нового продукта – безводного фтористого водорода [7]. Получаемый фтористый водород может быть использован при переработке коллективных ильменито-циркониевых концентратов [12].

Выводы

Разработанная нами генетическая классификация техногенных источников минерального сырья позволит на стадии их предварительного изучения сделать анализ о возможных путях накопления в отходах производства ценных компонентов и в зависимости от этого выбрать методику их геолого-экономической оценки, а также выявить перспективность данных объектов на предмет возможности получения из них ценной продукции.

Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» по теме 3.2702.2011.

Рецензенты:

Короткова Е.И., д.х.н., профессор кафедры физической и аналитической химии, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;

Арбузов С.И., д.г.-м.н., профессор, кафедра геоэкологии и геохимии, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 01.07.2013.