ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ Техногенные месторождения

ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Техногенные месторождения - скопления минеральных веществ на поверхности Земли или в горных выработках, образовавшиеся в результате деятельности человека, которые по количественному и качественному составу, технологическим и экономическим показателям пригодны для промышленного использования.

Отвал на месторождении Юлия

Ориентировочные запасы компонентов в отходах горнодобывающих предприятий Читинской области (по Харитонову) Компонент Запасы Содержание Au 149 т 0, 3 -3, 5 г/т Ag 925 т 0, 5 -29, 0 г/т Sn 74, 3 тыс. т 0, 35 -0, 12 % W 10 тыс. т 0, 076 -0, 4 % Mo 24 тыс. т 0, 022 -0, 096 % Pb 133, 5 тыс. т 0, 18 %- первые % Zn 192, 3 тыс. т 0, 1 % - первые % Cu 7, 4 тыс. т 0, 02 -0, 1 % Cd ~ 480 т Н. д. Ta ~ 2 тыс. т Н. д. Nb ~ 2, 1 тыс. т Н. д. Li ~ 85, 7 тыс. т Н. д. Be ~ 13, 5 тыс. т Н. д. Bi ~ 690 т Н. д. As ~ 4, 5 тыс. т Н. д.

Основные особенности техногенных месторождений: 1) большинство из них находится на поверхности; 2) техногенное минеральное сырьё представлено разрушенными до различной степени крупности горными породами, бедными и некондиционными рудами и продуктами их переработки;

3) в большинстве случаев они имеют неоднородный вещественный состав слагающих его отходов, что осложняет их хозяйственное использование; 4) сроки освоения техногенных месторождений, начиная от изучения их внутреннего строения в процессе геологоразведочных работ и заканчивая получением готового продукта, могут быть короче, чем природных месторождений, что предопределяет более низкую себестоимость конечной продукции из техногенного сырья.

Существует множество классификаций техногенных месторождений, но можно выделить несколько основных признаков, по которым классифицируются техногенные месторождения: • по технологическим стадии производственного цикла: - ТМ, сложенные отходами добычи - сложенные отходами переработки - сложенные смешанными отходами; • по месту образования в отраслях промышленности: -Т М черной металлургии - цветной металлургии - угольные - строительных материалов - горно-химического сырья и т. п. ;

• по внутреннему строению: - простого строения (число отдельных залежей 1) - сложного строения (2 и более); • по гранулометрическому составу: - с крупнокусковой массой (>150 мм) - со среднекусковой массой (150 -50 мм) - с разнозернистой массой (50 -1 мм) - с мелкодисперсной массой (< 1 мм);

• по степени влажности: - маловлажные (0 -0, 5 доли ед. ) - влажные (0, 5 -0, 8) - водонасыщенные (0, 8 -1, 0) - обводненные; • по разрушению слагающего материала: - с сыпучей массой - со связно-разрушенной массой;

На кафедре ГЭГХ был выделен ряд причин накопления в отходах производства полезного компонента в таких количествах, что становится возможно их использование для получения полезной продукции, то есть создана их классификация по генезису.

1) Потери ценных компонентов, неизвестных вообще в период отработки месторождения, в продуктах горно- металлургического передела. Классическими образцами здесь являются месторождения пятиэлементной рудной формации Центральной Европы ( Co - Ni - Bi - Ag - U месторождения) из руд которых уже в 15 -16 веках добывались серебряные руды, 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 урана-238, один грамм которого оценивался в 1 миллион золотых рублей, а после 1939 года, когда было открыто явление деления урана-235, и началась борьба за ядерное преимущество, из этих же отвалов добывался уран.

2) Потери ценных компонентов из-за несовершенства существующих на момент отработки технологий их извлечения. Наиболее ярким примером объектов второго типа являются техногенные золотоносные россыпи. Именно этот тип месторождений наиболее широко развит на территории Сибири, где добыча золота из россыпей осуществляется более 150 лет.

Добыча россыпного золота ведется в России уже почти 200 лет и ежегодно составляет около 50 т. На предприятиях, осуществляющих добычу россыпного золота, происходят значительные потери основного компонента. Размеры этих потерь по результатам опробований и повторных переработок иногда достигали 30 -50 %. Анализ техногенных месторождений золотодобывающих районов показывает, что ежегодно в ряде регионов в отвалах теряется до 7 т золота. Еще в 1942 г. В. А. Обручев писал, что «ни одну россыпь нельзя считать окончательно выработанной» .

Потери золота в отвалах россыпных месторождений (по Зубову)

3) Потери ценных компонентов в отходах горно-металлургических производств, из-за недостаточной степени изученности перерабатываемых руд и продуктов их переработки на содержание ценных компонентов. Сюда относятся многочисленные отвалы, хвосты переработки, золы и шлаки, илы отстойников самых разнообразных месторождений Сибири, содержащие ценные компоненты в промышленно значимых концентрациях. Как правило, о них отсутствовала или была крайне недостаточна информация.

Например, в результате исследований исходной нефелиновой руды и белитовых шламов, проведенных на Ачинском глиноземном комбинате, были обнаружены: - высокие концентрации золота (0, 2 -6, 57 г/т в текущей нефелиновой руде и 3, 02 -5, 24 - в белитовом шламе) - и платиноидов ( 0, 005 -0, 2 г/т).

Прогнозные ресурсы извлекаемых благородных металлов в нефелиновой руде и в белитовых шламах, по оценке А. М. Сазонова и др. , составляют: - в остаточных запасах белитовых руд на Кия- Шалтырском месторождении: Au – 192 т, Ag – 192 т, Pd – 67 т, Pt – 19, 2 т; - в некондиционных рудах, складированных в спецотвалах на Кия-Шалтырском карьере: - Au – 31 т, - Ag – 31 т, - Pd – 5 т, - Pt – 6 т; - в белитовом шламе АГК : - – Au – 62 т, - Ag – 62 т, - МПГ – 60 -80 т.

4) Потери в технологических цепях химических, металлургических и других производств, когда используемые в производстве ценные компоненты накапливаются в шламах, отстойниках, сбросных водах и т. п. (нормативные потери или потери при нарушении технологий). Примером четвертой группы техногенных объектов могут быть отстойники и шламонакопители производств, использующих процессы хромирования, никелирования, золочения и т. д. , когда в шламах или вентиляционной пыли происходит накопление Cr, Ni, Au и других компонентов.

Доказательством тому, что в отходах производства возможно накопление используемых для технологических процессов веществ может служить то, что при изучении минералогических характеристик золота, обнаруженного в отвалах золотоизвлекательной фабрики (месторождение Наталка), была обнаружена его специфическая черта – появление в золоте техногенной ртути, оставшейся от амальгамации (>20 %), в некоторых случаях капли ртути были обнаружены под электронным микроскопом (рис. 1 ) Рисунок 1 - Капли техногенной ртути (светлая «пыль» 0, 1 -1, 0 мкм) на арсенопирите (серое в центре) и на самородном золоте (светлое справа, внизу) (Au 50, 84, Ag 13, 73, Hg 24, 72, S 7, 68, Fe 1, 11, As %) (по Горячкину)

Считается, что при захоронении ЖРО, из них извлекается практически весь плутоний, и в захораниваемых отходах он содержится в следовых количествах. Но, возможные нарушения технологии могут приводить к тому, что основная часть нептуния, недоизвлеченные уран и плутоний, трансплутониевые элементы и практически все продукты деления остаются в жидких отходах высокой удельной активности (ВАО). В настоящее время на объектах Минатома хранятся десятки тысяч кубометров радиоактивных пульп, содержащих суммарно до 1, 5 т. оружейного плутония

5) Потери ценных компонентов, например благородных и других металлов, образующихся в результате ядерных превращений и захораниваемых в отходах производств ядерно- топливного цикла. Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) – это совокупность технологических операций, включающих: добычу урановой руды, изготовление уранового концентрата и обогащение; изготовление топлива для ядерных реакторов; его сжигание в реакторах с целью производства тепловой и электроэнергии; переработку отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и обращение с радиоактивными отходами. Радиохимическая стадия ЯТЦ включает производство уранового концентрата, аффинаж и производство UF 4 и UF 6 , разделение изотопов урана, изготовление топливных элементов, переработку облученного топлива.

В отработанном ядерном топливе происходит накопление продуктов деления (ПД) урана. Некоторые примеры радиоактивных цепочек показывают, что в результате деления ядер урана образуются благородные элементы в виде стабильных изотопов (Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au): 98. Rb 98 → Sr 98 → Y 98 → Zr 98 → Nb Ag 98←Cd 98. • 103. Zr 103→Nb 103→Mo 103→Tc 103→Ru 103→Rh 103←Pd 103←Ag 103←Cd 103←In 103 ←Sn 103; • 104. Zr 104→Nb 104→Mo 104→Tc 104→Ru 104←Rh 104→Pd 104←Ag 104←Cd 104←In 104 ←Sn 104; • 107. Mo 107→Tc 107→Ru 107→Rh 107→Pd 107→Ag 107←Cd 107←In 107←Sb 107 ←Te 107; • 184. Hf 184→Ta 184→W 184←Re 184→Os 184←Ir 184←Pt 184←Au 184←Hg 184←Tl 184←Pb 184; • 191. Re 191→Os 191→Ir 191←Pt 191←Au 191←Hg 191←Tl 191←Pb 191←Bi 191; • 195. Os 195→Ir 195→Pt 195←Au 195←Hg 195←Tl 195←Pb 195←Bi 195; • 197. Ir 197→Pt 197→Au 197←Hg 197←Tl 197←Pb 197←Bi 197←Po 197←At 197.

Количество МПГ в ОЯТ АЭС зависит от вида топлива, глубины его выгорания и продолжительности последующей выдержки и достигает наибольших величин в топливе РБН (табл. 3) (по Ренарду). Таблица 3 - Расчетные данные о содержании техногенных платиновых металлов в ОЯТ различных реакторов (по Ренарду)

Согласно схеме переработки ОЯТ – пурекс-процессу- на первой стадии его растворяют в азотной кислоте, в результате образуется 2 технологических потока, которые могут содержать МПГ (по Григорьевой): 1) жидкие ВАО; 2) нерастворимые остатки (НО), оставшиеся в аппаратах для растворения. По усредненным оценкам разных авторов осколочные платиноиды распределяются между раствором и НО в соотношении (50± 15), при этом в большей степени в раствор переходит палладий и в меньшей – родий. С увеличением глубины выгорания, в том числе при переходе от топлива РТН к топливу РБН будет увеличиваться доля платиноидов, связанных с нерастворимыми остатками [Ренард].

Жидкие ВАО содержат продукты деления, коррозии конструкционных элементов отработавших твэлов и радиохимической аппаратуры (Fe, Cr, Ni, Ti, Mn и др. ). Суммарная концентрация этих элементов может достигать 10 г/л, содержание Ru, Rh, и Pd в них составляет сотни мг/л.

Содержание в ОЯТ нерастворимых остатков по одним данным составляет 3 -5 кг/т, содержание в них металлов платиновой группы может достигать 35 -40 % (по Ренарду). По другим данным, НО составляют 0, 19 -0, 65 % массы топлива и содержат от 44 до 68, 7 масс. % МПГ. Указанные металлы находятся в форме оксидов, интерметаллидов и, возможно, других соединений (по Никитиной). Содержание МПГ в НО от растворения ОЯТ РТН в 7 моль/л HNO 3 (по Ренарду) Характеристика Реактор KWO Bibles LWR PWR Состав топлива UO 2 (U 0. 96 Pu 0. 04)O 2 UO 2 UO 2 -Gd 2 O 3 Содержание МПГ, масс. %: 33 28 45 34. 2 30 -50 53. 0 50. 1 Ru Rh 6 9 7 4. 4 1 -7 7. 6 3. 7 Pd 5 20 11 6. 5 6 -10 8. 1 10. 4

Некоторые области возможного использования радионуклидов из отработавшего ядерного топлива (по Маруку, Озаве) Радио- Область возможного применения нуклид Tc 99 Покрытие подводной части кораблей для защиты от отложений и обрастаний, медицина, получение Ru Электроника, катализаторы, электрохимия, электрические контакты, сплавы, электродные катализаторы для топливных ячеек, производство и очистка водорода Rh Катализаторы в автомобильной и химической промышленности, сплавы, изготовление термопар и др. Pd Электроника, медицина (замена золота), сплавы, производство и очистка водорода для водородной энергетики, переработка отходов радиохимических предприятий (иммобилизация I 125 и/или трансплутониевых элементов)

6) Потери ценных компонентов при проведении технологических процессов (плавка и т. д. ) в зданиях и помещениях. Весьма своеобразной группой техногенных объектов являются здания и сооружения, в которых осуществлялся аффинаж драгоценных металлов, например, золотоплавильные или золото-аффинажные заводы, а также почвогрунты прилегающих к ним территорий. Примером такого типа объектов является бывший аффинажный завод в г. Новосибирске, представляющий собой компактное золоторудное месторождение, которое успешно было отработано.

7) Накопление ценных компонентов в несанкционированных свалках промышленных отходов. С бытовым мусором уничтожается вторичное сырье, содержащее Ag , W , Sn , Cu , Zn , Pb , Ni , Al и многие другие цветные металлы, не говоря о железе. Например, за счет потребления вторичных ресурсов при производстве: o 1 т алюминия можно сэкономить около 5 т. бокситов, o при производстве 1 т меди почти 130 т медной руды.

В чем выгода? Трудовые затраты на сбор и переплавку 1 т металлолома примерно в 7 раз меньше, чем при производстве, например, чугуна из железной руды. Количество газовых выбросов и твердых отходов при этом может уменьшиться в 9 раз. Кроме того, экономическая эффективность производства при этом выше, чем при производстве из первичного сырья по многим показателям: - затрачивается электроэнергии меньше в 23 раза, - условного топлива в 7, 4 раза, - себестоимость продукции ниже в 2, 5 раза, - капитальных вложений требуется меньше в 10 раз).

8) Потери ценных компонентов вдоль путей транспортировки, в районах перегрузки и хранения сырья и готовой продукции. К примеру Ю. А. Макаровой с соавторами были проведены исследования почв и грунтов Верхне-Пышминского промышленного узла: C реди выявленных в вертикальном профиле почв тяжелых металлов превышение ПДК фиксируется у Cu, Zn, Pb, As, Cr, Ni, Sb.

Сводная литологическая колонка отложений территории комбината «Уралэлектромедь» [по данным Макаровой Ю. А. ]

Максимальные их концентрации приурочены к местам складирования и транспортировки сырья и продукции. Прогнозные ресурсы цветных металлов в грунтах АО «Уралэлектромедь» составляют: § Cu -47, 175 т; § Zn -16, 65 т; § Pb-21, 525 т; § Ni-15, 975 т.

На основе полученных данных был проведен подсчет прогнозных ресурсов цветных металлов в грунтах комбината, которые отражены в таблице: Выполненный расчет дает основание поставить вопрос о вероятном использовании техногенных грунтов территории комбината в качестве сырья для извлечения цветных металлов.

9) Сточные шахтные и карьерные воды; соленые воды, используемые для создания напорного давления при добыче нефти. В настоящее время с нефтью извлекается более 120 млн. т в год попутных пластовых вод. Благодаря этому имеется реальная возможность по созданию химических производств для получения дешевой пищевой поваренной соли, ее дефицит по Росси на 2000 г. составил 5145 тыс. т. , между тем переработкой солевых растворов в мире занимаются сотни предприятий.

Обычно предприятия не останавливаются на одном продукте, а пытаются выделить из вод все полезные химические элементы: - йод, - бром, - соляную кислоту, - каустическую соду, - редкие элементы. Важным преимуществом пластовых вод как сырьевого источника редких элементов является их низкая себестоимость, так как они являются побочным продуктом при добыче нефти и газа. Поэтому в большинстве стран постоянно и планомерно ведутся технологические исследования для разработки методов извлечения этих элементов из данного типа природных вод.

Обычно предприятия не останавливаются на одном продукте, а пытаются выделить из вод все полезные химические элементы, совмещая при этом выпуск вторичной продукции, ведь из пластовых вод возможно получение кроме йода, брома, соляной кислоты, каустической соды также и редких элементов. Содержание элементов (мкг/л) в подсолевых рассолах Прикаспийской нефтегазоносной провинции [Торикова] Элементы Содержание Предел обнаружения Li 22000 -107000 0, 8 Sc 100 -400 0, 1 Ti 100 -3500 0, 2 V 160 -1500 1, 0 Cr 140 -1010 0, 3 Fe 26000 -960000 15 Co 9 -315 0, 1 Ni 20 -420 0, 3 Cu 10 -280 0, 2 Zn 40 -31000 0, 5 Ga 30 -350 0, 2 Ge 40 -1800 0, 3 Se 30 -1300 0, 3 Rb 320 -14000 1, 0 Sr 35000 -9 г/л 0, 05 Y 3 -80 0, 05 Zr 25 -100 0, 5 Nb 5 -40 0, 1 Mo 30 -80 0, 2 Ru 3 -100 0, 05 Rh 3 -100 0, 05 Pd 3 -100 0, 05 Ag 3 -10 0, 05 Te 5 -90 0, 05

Другим примером такого рода объектов могут являться шахтные, карьерные, подотвальные воды горнорудных предприятий. Исследования подотвальных вод месторождений Южного Урала показали, что в них встречаются редкие, редкоземельные элементы, большинство этих элементов содержатся в концентрациях, превышающих региональный кларк. Содержания микрокомпонентов в подотвальных водах месторождений Южного Урала в сравнении с региональным Кларком [Пучков] Элемент Бурибай, Cибай, Бакр-Тау, Учалы, n× 10 - Региональный n× 10 -4% Кларк гидросферы Li 10 9 -10 20 30 -40 5 Be 3 0 -4 2 2 -7 2 Co 200 7 -60 300 90 -100 8 Ni 200 20 -30 200 70 -90 1, 4 Ga 7 0 -4 5 1 16 Rb 8 2, 4 -7 8 5 -6 1 Sr 50 20 -800 200 50 -200 10 Mo 5 0 -2 3 0 -90 6 Sn 4, 4 2 -500 0 10 7 La 5, 4 3 -4 10 6 -14 1 Ce 20 7 -9 30 14 -40 - Pr 3 1 4 2 -6 - Nd 14 6 -54 20 9 -30 - Gd 6 0, 4 -4 10 6 -250 - Tb 0, 94 0, 06 -0, 8 2 1 -4 - Ho 1 0, 1 -0, 9 2 1, 34 -5 - Er 3 0, 3 -3 4 3 -14 0, 1 Tm 0, 4 0 -0, 3 0, 7 0, 5 -2 - Lu 0, 3 0, 03 -0, 3 0, 7 0, 4 -2 -

10) Накопление отвалов вскрышных пород, отходов обогащения, металлургического и химического передела и т. д. , для которых не были найдены эффективные направления использования. Сюда можно отнести прежде всего: - пески и глины, - золошлаковые образования и т. п. отходы

Из таблицы следует, что концентрация в золах большинства элементов возрастает (КК>1), для некоторых весьма значительно (КК Ti =20, КК Cu =4, 67, КК Zn =3, 47, КК Pb =2, 76) и только для трёх элементов уменьшается (КК Cr =0, 33, КК Co =0, 97, КК

Примером таких объектов также может являться хвостохранилище Бурибаевской ОФ (Южный Урал), перерабатывающей серно- колчеданные руды. Запасы полезных компонентов в хвостохранилище отходов флотации представлены в таблице:

Карта-схема размещения природного и техногенного сырья для производства строительной керамики в регионе Республики Хакасия и юга Красноярского края (М 1: 3000) [по Шильциной А. Д. , 2004]

Схема расположения источников техногенного минерального сырья на юге Сибири