ЛАРИЧКИН Ф.Д. Особенности и закономерности ... комплексного его использования. / Ф.Д. ...

ЛАРИЧКИН Ф.Д. Особенности и закономерности вещественного состава минерального сырья и
комплексного его использования. / Ф.Д. Ларичкин, А.И. Николаев, А.А. Александров А.А //
Цветная металлургия. - 2004. - № 10. - С. 33-39. - Библиогр.: 16 назв.
Ф.Д.Ларичкин, А.И.Николаев, А.А.Александров
ОСОБЕННОСТИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЕЩЕСТВЕННОГО
СОСТАВА МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ И КОМПЛЕКСНОГО ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Исходной предпосылкой комплексного использования сырья является его
сложный вещественный состав, наличие1 в нем не одного, а нескольких
необходимых народному хозяйству химических элементов, соединений, ценных
свойств.
Распределение
отдельных
химических
элементов
по
различным
минералам в процессах образования горных пород подчиняется законам
геохимии и зависит, главным образом, от строения внешних электронных
оболочек атомов и размеров атомных и ионных радиусов, определяющих
физико-химические свойства элементов. Элементы, соседние по своему
положению в определенных частях таблицы Д.И. Менделеева, сходны по
физическим и химическим свойствам и в природных условиях образуют
характерные обширные ассоциации [1-3].
Известно
несколько
геохимических
классификаций
элементов,
предложенных В.М.Гольдшмидтом, А.Е.Ферсманом, В.И.Вернадским, А.Н.
Заварицким, Г.Вашингтоном [1-3], причем наиболее общими, отражающими
распределение и ассоциации элементов в различных оболочках Земли,
считаются классификации В.М.Голдшмидта и В.И.Вернадского.
Все элементы таблицы Д.И.Менделеева в соответствии с классификацией
В.М.Гольдшмидта
подразделяются
на
четыре
геохимические
группы:
литофильные, халькофильные, сидерофильные и атмофильные. В особую
2
группу выделяются элементы биофильные, склонные концентрироваться в
живых организмах.
Литофильные элементы (или оксифильные) - элементы горных пород,
имеющие специфическое сродство с кислородом, в условиях земной коры
образуют минералы - кислородные соединения (оксиды, гидрооксиды, соли
кислородных кислот). К литофильным относятся 54 элемента или большая
часть периодической системы элементов, в том числе большинство ценных и
породообразующих компонентов апатитонефелиновых руд Хибин.
Халькофильные
элементы
имеют
склонность
давать
природные
соединения с серой и ее аналогами по периодической системе - селеном и
теллуром. В природе образуют сульфиды, селениды, теллуриды. Легко
переходят в самородное (свободное) состояние. Типичным примером являются
рудные минералы сульфидных полиметаллических руд, в частности медноникелевых.
Сидерофильные элементы растворяются в железных расплавах и дают
сплавы с железом. Большинству сидерофильных элементов свойственно
самородное
состояние.
Имеют
специфическое
сродство
с
мышьяком.
Примерами их могут быть железо, никель, кобальт, фосфор, золото, платина.
Атмофильные элементы – это элементы земной атмосферы: водород, азот,
углерод, кислород, хлор, благородные газы.
Среди элементов рассматриваемой классификации наряду с типичными
представителями геохимических групп с ясно и однозначно выраженными
геохимическими свойствами имеются и такие элементы, которые сочетают в
себе
свойства
литофильных.
сидерофильных
Такие
элементы
и
халькофильных,
занимают
халькофильных
промежуточное
и
положение,
отражающее отсутствие резких границ в природе и особенности конкретной
Здесь речь идет о содержании элементов выше среднего в земной коре (кларка), так как тончайшими
анализами в любом минерале и любой породе обнаруживаются практически все известные элементы кроме
трансурановых и ряда других, которые в природе не встречаются, а получены искусственно [2].
1
3
среды,
в
которой
находится
элемент.
Например,
железо
обладает
литофильными, халькофильными и сидерофильными свойствами. В среде,
богатой кислородом, железо ведет себя как литофильный элемент, образуя
оксиды и гидрооксиды, в среде богатой серой - образует сульфиды. Олово в
природе встречается главным образом в форме оксида - касситерита, но по ряду
своих других свойств оно относится к халькофильным элементам, так как в
определенных условиях образует сульфиды (станнин, герценбергит и др.).
Фосфор ведет себя в условиях земной коры как литофильный элемент, но он
обладает также и сидерофильными свойствами [1].
Значительная часть благородных металлов (золото, серебро, платина),
химически не взаимодействующих с большинством химических элементов, а
также частично медь, ртуть, висмут, мышьяк и др., встречаются в горных
породах в свободном, “самородном” состоянии.
Для халькофильных или тиофильных (“любящих” медь, серу) химических
элементов, составляющих ценную часть сульфидных полиметаллических
месторождений,
являются
обычными
изоморфные
замещения
в
кристаллических решетках одних элементов другими. Особенно большую роль
играет
изоморфизм
в
распределении
редких
рассеянных
элементов,
собственные минералы которых, как правило, не имеют промышленного
значения или вообще не обнаружены в природе.
Часть полезно используемых химических элементов (их минералов)
находится в форме чрезвычайно тонких механических (неструктурных)
примесей в рудных и нерудных минералах.
В общем случае любой химический элемент в рудной залежи, добытом
или перерабатываемом сырье может быть представлен несколькими (иногда
многочисленными)
разновидностями,
разнообразной крупности.
минеральными
комплексами
4
При разработке месторождений неизбежно попадание в полезное
ископаемое (добытую руду) части вмещающих горных пород, минералы
которых могут оказаться ценными для некоторых отраслей производства, либо
могут быть с пользой использованы в строительстве, в том числе в рамках
самого природоэксплуатирующего предприятия.
Во многих случаях ассоциации элементов объясняются различием их
свойств. Таковы соединения металлов с металлоидами, катионов с анионами, в
основе которых лежит взаимодействие разноименно заряженных ионов.
Наконец,
некоторые
ассоциации
элементов
образуются
в
результате
радиоактивного распада.
С течением времени при изменении условий (температуры, давления,
водной, ветровой эрозии и т.п.) часть химических соединений, механических и
изоморфных смесей горных пород распадаются, одни элементы выносятся,
другие образуют новые соединения и накапливаются, прежние ассоциации
заменяются новыми (явление метаморфизма горных пород). Например, в
гидротермальных рудных отложениях и сульфидах тяжелых металлов сера,
селен и теллур находятся вместе, но, попадая на поверхность земли, они
разделяются: сера легко окисляется и сбрасывается, в конечном счете, в море,
селен трудно окисляется и в виде нерастворимых водных солей селенистой
кислоты образует скопления, теллур при окислении рассеивается [3].
Поэтому состав и технологические свойства руд верхних частей
месторождений, подвергшихся эрозии, разрушению, выветриванию, окислению,
выщелачиванию и т.д., существенно отличается от первичного рудного массива.
Например, свинец, цинк, медь, железо и другие металлы в зонах окисления
представлены преимущественно несульфидными минералами - сульфатами,
карбонатами, силикатами, вторичными сульфидами меди и др. В результате
процессов
физического,
химического
выветривания
массивный
кристаллический оливинит Ковдора (скальная горная порода, используемая для
5
производства огнеупоров) в среднем на 46м по мощности от поверхности
превратился в дресву, рыхлый песчано-глинистый материал, отрабатываемый
практически на всей площади месторождения без применения взрывного
рыхления.
Таким образом, в природных условиях одни геохимические ассоциации
накладываются
на
другие,
а
отмеченные
общие
закономерности
их
формирования в конкретных условиях образования и видоизменения каждого
месторождения имеют свои особенности, проявляющиеся в различной
концентрации и формах нахождения отдельных ценных составляющих.
Знание вещественного состава полезного ископаемого, особенностей и
свойств его составляющих, как полезно используемых в настоящее время, так и
выделяемых в виде отходов, не находящих применения, является непременным
условием наиболее полного – комплексного, экономически и экологически
эффективного использования сырья на всех стадиях его трансформации: от
геологического изучения недр (оконтуривания промышленных запасов), добычи
полезного ископаемого, обогащения, до химической или металлургической
переработки, включая наиболее эффективное использование извлекаемых
химических элементов или их стандартных соединений в различных отраслях
народного хозяйства.
Переход ценных компонентов в те или иные продукты обогащения
зависит, главным образом, от форм их нахождения в рудах. Так как процессы
обогащения
осуществляются
без
разрушения
кристаллической
решетки
минералов, то и принципиальная возможность выделения того или иного
компонента в самостоятельный концентрат существует только для элементов,
которые находятся в самородном состоянии или имеют собственные минералы
не меньше определенной (флотационной - 30-40 мкм) крупности. Элементы,
находящиеся в рудах преимущественно или только в форме изоморфных или
чрезвычайно тонких механических (неструктурных) примесей в рудных и
6
нерудных минералах, распределяются по продуктам обогащения в соответствии
с распределением их минералов-носителей. Практически каждый химический
элемент
многокомпонентного
минерального
сырья
современными
технологическими способами может быть выделен в виде обособленного
продукта необходимой чистоты на стадиях металлургической или химической
переработки концентратов, полупродуктов (полуфабрикатов) или исходной
рудной массы.
Таким образом, современный уровень развития геохимии позволяет
утверждать,
что
мономинерального
в
природе
сырья,
нет
есть
как
лишь
такового
руды
с
однокомпонентного,
преимущественным
(преобладающим) содержанием какого-либо элемента, используемые до
определенной ступени развития науки и техники (а также состояния экономики)
не комплексно, односторонне.
Ценные компоненты комплексного сырья имеют, как правило, близкие
физико-химические свойства, что затрудняет их разделение и выделение в
самостоятельные продукты, обусловливает усложнение технологических схем
переработки и повышение издержек по сравнению с переработкой сырья более
простого состава, содержащего только один полезный компонент. Поэтому
комплексное
использование
сырья
становится
возможным
лишь
на
определенной ступени развития науки и техники, когда разработаны технология
и соответствующая техника, а также созданы необходимые производственные
мощности для одновременного или последовательного извлечения из сырья
нескольких ценных составляющих в самостоятельные продукты.
Без наличия указанных научно-технических предпосылок использование
многокомпонентного сырья либо может быть осуществлено только в
одностороннем порядке для извлечения какого-нибудь одного компонента,
либо, большей частью, невозможно в принципе.
7
Так,
богатые
полиметаллические
сульфидные
руды
не
могли
использоваться до разработки и практической реализации флотационного
метода обогащения. Ни один другой способ обогащения не мог, да и сейчас не
может, обеспечить удовлетворительную селекцию сульфидов разных металлов.
Открытие крупных хибинских месторождений потребовало разработки
специальных методов извлечения апатита из апатитонефелиновых руд,
поскольку подобное сырье не использовалось в мировой практике. Нефелин,
как и апатит, легко разлагается серной кислотой (и другими кислотами),
поэтому традиционная технология производства суперфосфата из богатой
апатитонефелиновой руды не могла быть применена. Благодаря успешной
работе российских ученых, разработавших в 1928-1929гг. флотационный метод
обогащения
указанных
руд
с
получением
высокочистого
апатитового
концентрата с содержанием 39,4%Р2О5 (в настоящее время концентрат марки
«супер» поставляется на экспорт с содержанием 40%Р2О5), апатитонефелиновые
руды
стали
основным
сырьем
для
производства
высококачественного
фосфатного концентрата и концентрированных удобрений в стране. А
хибинский апатитовый концентрат пользуется стабильным высоким спросом на
мировом рынке как наиболее концентрированное и экологически высокочистое
фосфатное сырье.
Организация комплексного использования всех ценных составляющих
сырья связана с дополнительными издержками, поэтому экономически
оправдана только в определенных пределах. Получение продукции из
комплексного сырья в объемах сверх потребностей народного хозяйства (с
учетом возможного экспорта) даже при небольших дополнительных затратах
экономически нецелесообразно. Так, в настоящее время в ограниченных
объемах потребляется нефелиновый концентрат, поэтому не развивается его
производство в ОАО “Апатит”.
8
Изучение специфических свойств каждого элемента и его разнообразных
соединений может привести к выявлению новых эффективных областей
применения и соответственно расширению рынков сбыта и повышению
эффективности производства.
Нецелесообразно
получение
из
комплексного
сырья
также
такой
продукции, которая может быть выработана на других предприятиях из
аналогичного или принципиально другого вида сырья с лучшими техникоэкономическими показателями.
Следует, однако, подчеркнуть постоянный рост потребностей народного
хозяйства в самых разнообразных продуктах, появление новых эффективных
областей потребления известных продуктов, повышение эффективности
производства продуктов в результате научно-технического прогресса. Так что
вывод о целесообразности и экономической эффективности комплексного
использования конкретного сырья может с течением времени изменяться
коренным образом и притом неоднократно. Кроме того, по мере закономерного
исчерпания
невозобновимых
ресурсов
освоенного
минерального
сырья,
приходится постоянно вовлекать в эксплуатацию все более бедные и сложные
руды,
осваивать
нетрадиционные
виды
минерального
сырья,
включая
разнообразные горнопромышленные отходы различных стадий производства –
техногенное сырье.
В теоретическом и прикладном плане весьма продуктивным для развития
глубокого, комплексного использования минерального сырья, как наиболее
перспективного направления ресурсосбережения, экологизации и повышения
экономической
эффективности
минерально-промышленного
комплекса
отраслей и национальной экономики России в целом, имеющей ярко
выраженный сырьевой характер, является использование понятия и показателей
контрастности свойств минеральных компонентов [4-6].
9
Исторически понятие контрастности минерального сырья введено,
наиболее детально разработано [4,5], широко и успешно используется
применительно
к
предварительному
радиометрическому
обогащению
(предконцентрации): порционной сортировке руд в транспортных емкостях и
сепарации-селекции кускового материала в классах крупности от +5 до 250мм,
как головному процессу подготовки минерального сырья, поступающего на
измельчение и последующее обогащение. При этом контрастность определена
[4,5] и охарактеризована как степень различия отдельных кусков (зерен,
частиц, агрегатов, минеральных комплексов, элементарных объемов) сырья по
содержанию полезных компонентов (соответственно вредных или инертных
примесей).
Очевидно, по мере повышения степени измельчении сырья в общем
случае уменьшается количество сростков, степень дезинтеграции различных
минералов и контрастность сырья возрастают, однако селективность и
эффективность
обогатительных
процессов
при
переизмельчении
сверх
определенного уровня резко снижается вплоть до экономически неприемлемой.
При
переходе
от
механического
измельчения
к
химическому
(гидрометаллургическому) вскрытию минералов кислотами, кислыми солевыми
растворами, щелочами и т.д. дезинтеграция и контрастность, по крайней мере,
части
обрабатываемого
«наноразмерный»
[7,8],
материала,
переходят
молекулярный,
на
ионный,
более
высокий
атомный
–
уровень.
«Нанонаука», «нанотехнология», «наноматериалы» - новое направление науки,
возникшей на стыке физики, химии, материаловедения, биологии, электронной
и компьютерной техники, получило особенно интенсивное развитие в
последние 10-15 лет. Оно оперирует наноразмерными объектами величиной
приблизительно от долей нанометра (нм) до 100нм (1нм = 10 9м). Причем
верхний предел интервала размеров чисто условен, а нижний определяется
размерами
атомов
и
молекул
[7].
Многие
ученые,
занимающиеся
10
нанотехнологией,
предсказывают
в
не
столь
отдаленном
будущем
революционные перемены во всех областях науки и жизнедеятельности
человека, в частности в химии, биологии, медицине, экологии, электронике и
др. [7,8]. Принципиальная возможность построения с помощью нанотехнологии
материальных структур атом за атомом или молекула за молекулой [7,8]
позволяет перейти в перспективе к идеальному, в принципе, комплексному
безотходному
(малоотходному)
использованию
определенной
части
практически любого природного или техногенного материала, рециклированию
полезных химических элементов из отходов производства и потребления и,
соответственно, резкому ограничению объемов добычи первичного природного
сырья. Очевидно, таким путем человечество в будущем сможет перейти к
экологосбалансированному устойчивому экономическому развитию, научному
преобразованию биосферы в ноосферу, сферу разума по В.И.Вернадскому [9].
Отсюда видно, что приведенное выше определение контрастности
применимо только в узких рамках предконцентрации для относительно
крупного «макроразмерного» минерального сырья. Уже на стадиях основных
процессов обогащения более подходящим и достаточно универсальным
представляется используемый акад. В.А.Чантурия [6] термин контрастность
свойств минеральных компонентов. На стадии химической переработки
сложного сырья чаще оперируют понятиями эффективность или фактор
разделения компонентов. По своей сути оба понятия контрастность свойств и
фактор разделения компонентов комплексного сырья равнозначны и, на наш
взгляд, лучше характеризуют особенности вещественного состава продуктов и
технологию разделительных процессов в комплексных производствах, чем
содержание полезных компонентов. Например, важно знать не столько общее
содержание железа в продукте, сколько содержание магнитной и немагнитной
его форм, аналогично содержание кислоторастворимого и других форм
алюминия и т.д.
11
Таким образом, контрастность свойств компонентов сырья в
сложных неоднородных многофазных системах и разделительный процесс
являются одними из специфических и основополагающих категорий
комплексного использования многокомпонентного минерального сырья2 (как
и каждого материального ресурса любой природы).
Измельчение и последующее вскрытие минералов различными физикохимическими методами, в общем случае, существенно повышает контрастность
свойств компонентов сырья с приближением к теоретически предельному при
снижении крупности обрабатываемого сырья до размеров наночастиц, вплоть
до молекул и атомов. Следует, однако, отметить, что интенсивное механическое
измельчение в ряде случаев может привести к снижению контрастности в
результате нарушения кристаллической решетки минералов с увеличением
наличия в них механических неструктурных примесей (образованием новых)
других компонентов, минералов.
Важность повышенного уровня контрастности для достижения высокой
технической и экономической эффективности переработки минерального сырья
(и,
особенно,
комплексного
его
использования)
обусловливают
целесообразность разработки теоретических основ и практической реализации
методов
управления
повышением
контрастности
физико-химических
и
технологических свойств минеральных компонентов. В частности, это
достигается за счет селективной дезинтеграции, безреагентных дозированных
энергетических воздействий или непосредственно на минеральные частицы, или
через газовую или водную фазу, направленно изменяющих состав поверхности
минералов в процессах измельчения и обогащения [6,10-12]. В результате
возрастает
степень
раскрытия
зерен
минералов,
повышается
качество
концентратов, производительность процесса измельчения, снижается расход
мелющих тел.
2
Даже самородные ископаемые (золото, платина, медь, алмазы и др.) нуждаются в доводке, доочистке, огранке.
12
Выполненные исследования в этой области позволили разработать новые
экологически
безопасные
обеспечивающие
как
методы
высокую
подготовки
эффективность
минерального
раскрытия
сырья,
минеральных
комплексов, так и возможность получения высококачественной продукции
(концентратов), конкурентоспособной на мировом рынке [6].
Высокая контрастность минерального сырья является принципиально
важным, непременным, но не единственным и не исчерпывающим фактором
эффективного его обогащения (переработки, вообще) и разделения на
отдельные составляющие - комплексного использования. Важное значение
имеет также степень соответствия признака (фактора) разделения (какого-либо
физического, технического, химического и т.д. параметра) содержанию
разделяемых компонентов в элементарных объемах рудной массы [4,5].
Из изложенного видно, что успешное разделение многокомпонентного
минерального сырья на отдельные его ценные составляющие и выделение
«балласта» – пустой породы, не имеющей в данный момент рациональных
областей практического применения, наряду с высокой контрастностью, связано
с поиском и подбором эффективного признака (фактора) разделения3, как
правило, близких по совокупности физико-химических свойств ценных
компонентов и безрудных составляющих.
В основных процессах обогащения минерального сырья широко
используются разнообразные признаки (факторы) разделения (различия
отдельных минералов): промывистость материала, плотность, твердость,
трение,
крупность,
магнитная
восприимчивость,
электропроводность,
смачиваемость, флотоактивность и др. Еще более разнообразен арсенал
факторов (признаков) разделения химических элементов и их соединений в
процессах
химико-металлургической
переработки
минерального
сырья:
Эффективность разделения в конечном счете зависит также от совершенства применяемой аппаратуры,
квалификации, мотивации и ответственности обслуживающего персонала и т.д.
3
13
различия в температурах плавления, кипения, кристаллизации, конденсации,
экстракции, сорбции, кинетики выщелачивания, сульфатизации, хлорирования,
фторирования и т.д. Изучение, наиболее полное выявление признаков сходства
и различий физико-химических свойств химических элементов и соединений
является необходимым условием и перспективным направлением разработки
эффективных методов управления контрастностью свойств минеральных
компонентов, разделением и комплексным использованием различных видов
минерального сырья.
Как показывает анализ, при определенных условиях, разделение
многокомпонентного ископаемого сырья на отдельные ценные составляющие (и
пустую
породу)
с
различным
успехом,
затратами
и
показателями
принципиально возможно на разных стадиях его добычи и переработки.
Так, даже на стадии добычи высокоценных сортов руд вместо валовой
отработки применяется селективная выемка сближенных, но пространственно
обособленных залежей, либо перемежающихся слоев полезного ископаемого
различного состава (при достаточно четких контактах и приемлемых мощностях
каждого из слоев). В качестве другого примера можно привести интенсивно
развивающиеся в последнее время геотехнологические способы добычи, не
требующие присутствия человека в выемочном пространстве, сущность
которых заключается в переводе полезных ископаемых (ценных составляющих)
в результате воздействия различных видов энергии в подвижное состояние и
извлечение их на дневную поверхность через скважины [13-15]. К таким
методам относятся, в частности, подземная выплавка серы, газификация углей,
скважинная гидродобыча рыхлых отложений [14,15]) и др.
Использование
понятий
контрастности
свойств
компонентов
и
разделительных процессов позволяют по новому представить и более
обоснованно решить многие сложные проблемы экономики комплексного
использования
минерального
сырья,
в
частности
дифференцированной
14
стоимостной
оценки
отдельных
ценных
составляющих
в
исходном
многокомпонентном сырье и разнообразных продуктах его переработки,
определения экономической эффективности извлечения отдельных ценных
компонентов и комплексного использования сырья в целом, обоснования
параметров кондиций при оконтуривании и подсчете промышленных запасов
комплексных месторождений и т.п. [16].
Литература
1. Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. Учебн. пособие для студентов
геологических специальностей вузов. М.: Высш. школа, 1976. –368с.
2. Сауков А.А. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. – М.:
МГУ, 1963. –248с.
3. Щербина В.В. Основы геохимии. – М.: Недра, 1972.
4. Мокроусов В.А, Лилеев В.А. Радиометрическое обогащение нерадиоактивных руд. – М.:
Недра, 1979. –192с.
5. Требования к изучению радиометрической обогатимости минерального сырья при
разведке месторождений металлических и неметаллических полезных ископаемых. М.:
ГКЗ, 1992.
6. Чантурия В.А. Теоретические основы повышения контрастности свойств и
эффективности разделения минеральных компонентов //Цветные металлы, 1998, №9. –
С.11-17.
7. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований /Под ред.
М.К.Роко, Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 292с.
8. Скорина М.Л., Юртов Е.В. Нанотехнология в материалах сайтов сети Интернет
//Химическая технология, 2003, №1. – С.39-43.
9. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. – М., 1965.
10. Чантурия В.А. Основные направления комплексной переработки минерального сырья
//Горный журнал, 1995, №1. С.50-54.
11. Чантурия В.А. Состояние и перспективы обогащения руд в России //Цветные металлы,
2002, №2. С.15-21.
12. Чантурия В.А. Теория и практика использования электрохимических и радиационных
воздействий в процессе первичной переработки минерального сырья. – М.: МГГУ, 1993.
13. Аренс В.Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. – М.: Недра,
1975. – 264с.
14. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). – М.: Недра,
1986. – 279с.
15. Рациональное использование Прибалтийских фосфоритов /Ларичкин Ф.Д., Шеремета
Р.И., Сыркин Л.Н. и др. - Таллинн: Валгус, 1986. -144с.
15
16. Ларичкин Ф.Д. Научные основы оценки эффективности комплексного использования
минерального сырья. – Апатиты: КНЦ РАН, 2004. – 252с.