Содержание к диссертации
Введение
1 Отходы горного производства и направления их использования 20
1.1 Предпосылки использования отходов горного производства 21
1.2 Отходы горнодобывающей промышленности 30
1.3 Оценка накопленных отходов горно-металлургической промышленности 38
1.4 Магнийсиликатные отходы и источники их образования и накопления 44
1.5 Перспективные технологии переработки магнийсиликатных отходов 47
1.6 Выводы 67
2 Месторождения магнийсиликатных пород 69
2.1 Месторождения магнийсиликатных пород 70
2.1.1 Кольский полуостров 70
2.1.2 Урал 73
2.1.3 Алтае-Саянская область 85
2.1.4 Северо-Байкальская габбро-пироксенит-дунитовая формация 90
2.1.5 Алданская провинция 94
2.1.6 Массивы Сибирского кратона 97
2.1.7 Камчатско-Олюторская складчатая система 100
2.2 Геоэкологическая оценка воздействия магнийсиликатных отходов на окружающую среду 103
2.3 Выводы 107
3 Месторождения магнийсиликатных пород в Республике Бурятия и их характеристики 109
3.1 Месторождения магнийсиликатных пород в Республике Бурятия 109
3.2 Йоко-Довыренский дунит-троктолит-габбровый массив 114
3.3 Химико-минералогическая характеристика магнийсиликатных пород 121
3.4 Определение класса опасности магийсиликатных отходов 125
3.5 Выводы 129
4 Утилизация магнийсиликатных отходов с получением новых видов цементов 131
4.1 Исследования по получению цементов 133
4.2 Определение активности магнийсиликатных отходов 142
4.3 Влияние механической активации на активность магнийсиликатных отходов 146
4.4 Влияние механической активации на физико-химические процессы взаимодействия сырьевых материалов 151
4.5 Взаимодействие магнийсиликатных отходов с цементным клинкером 156
4.6 Применение суперпластификатора в производстве цементов с использованием магнийсиликатных пород 186
4.7 Исследование строительно-технических свойств цементов с добавкой магнийсиликатных пород 188
4.8 Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве цемента 192
4.9 Выводы 198
5 Разработка технологических решений утилизации магнийсиликатных отходов при получении новых видов бетонов 201
5.1 Теоретические предпосылки получения новых видов бетонов 201
5.2 Тяжелый бетон на основе цементов с добавкой магнийсиликатных пород 206
5.3 Влияние крупного и мелкого заполнителя из магнийсиликатных пород на технологические свойства бетонных смесей 216
5.4 Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве бетона 228
5.5 Выводы 230
6 Утилизация магнийсиликатных отходов при производстве строительной керамики 232
6.1 Основы производства строительной керамики 232
6.2 Получение строительной керамики пластическим способом формования 235
6.3 Получение строительной керамики полусухим способом прессования 254
6.4 Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве керамики 266
6.5 Выводы 268
7 Применение магнийсиликатных отходов в дорожном строительстве 271
7.1 Исследования по влиянию минеральных и органических компонентов асфальтобетона на его структуру и свойства 271
7.2 Использование магнийсиликатных пород в качестве минерального порошка 277
7.3 Использование магнийсиликатных отходов в качестве заполнителей при производстве асфальтобетона 296
7.4 Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве асфальтобетона 303
7.5 Выводы 307
8 Оценка геоэкологических рисков при освоении месторождений с магнийсиликатными породами и экономической эффективности использования их в производстве строительных материалов 310
8.1 Факторы и оценка геоэкологического риска при освоении месторождений, содержащих магнийсиликатные породы 310
8.2 Факторы и оценка геоэкологического риска при освоении Йоко-Довыренского массива 313
8.3 Экономическая эффективность применения магнийсиликатных пород в производстве строительных материалов 320
8.4 Экологические платежи за размещение магнийсиликатных отходов. 321
8.5 Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве строительных материалов 323
8.6 Выводы 327
Заключение 329
Литература 333
Приложения 388
- Отходы горнодобывающей промышленности
- Йоко-Довыренский дунит-троктолит-габбровый массив
- Получение строительной керамики пластическим способом формования
- Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве строительных материалов
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из главных проблем современной цивилизации является стремительно развивающийся экологический кризис, связанный, в первую очередь, с освоением и использованием минеральных ресурсов нашей планеты. Ежегодно из недр земли добывается около триллиона тонн полезных ископаемых, большая часть которых в виде отходов различного качества и состава складируется на поверхности, приводя к нарушению экологического равновесия. Поэтому проблема геоэкологической безопасности освоения и использования минерально-сырьевых ресурсов приобретает особую актуальность.
Все чаще вопросам экологической безопасности уделяется внимание на
государственном уровне. Выходят в свет правительственные документы (указы,
постановления), формируются федерально-целевые программы. Главным
направлением в них становится разработка технологий, позволяющих предотвратить негативное воздействие отходов на окружающую природную среду на стадии освоения месторождений полезных ископаемых, а также ликвидировать накопленный экологический ущерб.
Среди объектов накопленного экологического ущерба центральное место занимают отходы горных предприятий в виде отвалов вскрышных и вмещающих пород, хвостов обогащения. В их числе - магнийсиликатные породы, входящие в состав отходов многих видов рудного сырья, что обусловливает их огромное количество. Это также связано с большим количеством месторождений магматического происхождения – платинометально-медно-никелевых, хромитовых, алмазных, асбестовых, вермикулитовых, огнеупорных дунитов и др. В них рудные компоненты тесно связаны с магнийсиликатными горными породами - дунитами, верлитами, перидотитами, троктолитами, оливиновыми габбро, серпентинитами. В основном эти вскрышные и вмещающие породы образуют отходы горнодобывающих предприятий и формируют экологически небезопасные отвалы. Данная проблема касается ряда регионов Российской Федерации, особенно Северо-Запада, Урала, Восточной Сибири, Якутии и Камчатки. Поэтому вопросы их переработки являются чрезвычайно актуальными.
Стратегическим направлением в сфере управления отходами является развитие методов их максимального использования. Какие бы меры не принимались по ликвидации накопленного экологического ущерба, они не будут действенными без создания системы эффективного управления текущими отходами. Это достигается созданием «зеленых» горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятий, использующих современные передовые мало- и безотходные технологии, когда отходы используются на стадии их образования, а также решением вопросов хранения и утилизации отходов. Из отраслей - потребителей отходов производства наиболее емкой и экономически выгодной является промышленность строительных материалов.
По нашему мнению, наиболее перспективным направлением утилизации
отходов, образующихся при добыче полезных ископаемых, является использование
их при получении принципиально новых экологически чистых конкурентоспособных
строительных материалов. В связи с этим, проводимые исследования по разработке
новых ресурсосберегающих экологобезопасных технологических решений
переработки отходов горных производств на стадии их образования, ликвидации накопленного экологического ущерба с созданием и развитием новых видов материалов являются существенно важными для минерально-сырьевого комплекса страны.
Решение данной проблемы соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации – «Рациональное природопользование».
Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности научных работников 25.00.36 – Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности) по пунктам 3.3. «Геоэкологические аспекты рационального использования и охраны минеральных ресурсов Земли и рекультивации территорий, нарушенных при разработке месторождений и обогащении твердых полезных ископаемых; 3.5. «Теория и методы создания экологически безопасных технологий, машин, оборудования и материалов, подготовки и повышения качества продукции, утилизации и переработки промышленных отходов при разработке природных и техногенных месторождений и обогащении твердых полезных ископаемых»; п. 3.10. – «Инженерная защита экосистем, прогнозирование, предупреждение и ликвидация последствий загрязнения окружающей среды при строительстве, консервации и ликвидации горных и горно-обогатительных предприятий».
Работа выполнялась в БИП СО РАН по темам НИР: «Создание научных основ и
разработка экологически безопасных технологий комплексной переработки
природного и вторичного сырья» № Г.Р. 01.200.1 13789 (2000-2003гг.), «Разработка
физико-химических основ эколого-безопасных технологий глубокой переработки
труднообогатимого и техногенного сырья» № Г.Р. 0120.0.406607 (2004-2006гг.),
«Разработка физико-химических основ экологически безопасных процессов
комплексной переработки окисленных руд, углей и техногенных отходов» № Г.Р.
01.2.007 04265 (2007-2009гг.), «Разработка комбинированных технологий
переработки природного и труднообогатимого минерального сырья, отходов
горнодобывающей промышленности» № Г.Р. 01201056060 (2010-2012гг.),
«Разработка физико-химических и техноэкологических основ глубокой переработки труднообогатимого минерального и техногенного сырья с целью получения товарных продуктов» № Г.Р. 01201369148 (2013-2016гг.).
Проводимые исследования поддерживались следующими грантами: «Изучение дунитов и ЭПГ-содержащих сульфидных руд как комплексное сырье для производства новых строительных материалов и добычи благородных металлов (на примере Йоко-Довыренского массива)» по программе «Бурятия. Наука. Технологии и инновации» (2003-2005гг.), по гранту СО РАН «Экспедиционные исследования» (2005-2008гг.), по программе ОХНМ РАН проект 5.5.2 «Получение новых видов материалов с высокими эксплуатационными характеристиками из отходов горнодобывающей промышленности» в (2009-2014гг.) (руководитель Худякова Л.И.).
Степень научной разработанности.
На территории России скопилось огромное количество отходов горного производства, в числе которых находятся магнийсиликатные породы, которые, практически, нигде не используются. Актуальными являются проблемы не только их утилизации, а также предотвращение их образования на стадии разработки месторождений полезных ископаемых. В связи с чем, важнейшим приоритетом деятельности горного предприятия должна быть минимизация воздействия на окружающую среду путем создания безотходных экологически безопасных технологий.
Решение проблем комплексного освоения недр базируется на научных трудах академика РАН К.Н. Трубецкого, члена-корреспондента РАН В.Н. Захарова, докторов технических наук Г.В. Калабина, В.С. Коваленко, Е.А. Кононенко, Д.В. Макарова, Р.Г. Мелконяна, Н.Н. Мельникова, П.И. Томакова, И.М. Щадова и др. Вопросами утилизации техногенного магнийсиликатного сырья занимаются сотрудники ИПКОН
РАН, Кольского и Карельского научных центров РАН, Санкт-Петербургской архитектурно-строительной академии, Томского политехнического университета, Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина и других учреждений.
Однако, несмотря на проводимые исследования, нет комплексного подхода к данной проблеме. Недостаточное внимание уделяется разработке научных основ комплексного использования магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности, нет технологических решений по утилизации отходов на стадии освоения месторождений полезных ископаемых, достаточно узкий перечень объектов исследования. Не рассматриваются вопросы геоэкологической защиты при выполнении исследований.
Цель работы - научно обосновать и разработать высокоэффективные технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности, соответствующие критериям геоэкологической защиты окружающей природной среды.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести оценку отходов горного производства: выявить основные возможные потенциальные источники экологических рисков при разработке месторождений магматического происхождения - платинометальных, медно-никелевых, хромитовых, провести сравнительный анализ возможных отходов и определить научные направления и технологические меры по повышению экологической безопасности горнодобывающего производства;
изучить возможность использования магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности в качестве сырья при получении строительных материалов: исследовать их минералогический, химический, гранулометрический составы, установить класс опасности, выявить влияние механической активации на повышение реакционной активности отходов;
изучить химизм взаимодействия магнийсиликатных пород с компонентами сырьевой смеси, определить фазовый состав и установить влияние механоактивации и качества смеси на свойства получаемых материалов; разработать технологические решения утилизации отходов при производстве новых видов цементов и выполнить их геоэкологическую оценку;
установить закономерности изменения физико-механических свойств затвердевших смесей от рецептурно-технологических параметров и разработать технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов при получении тяжелых бетонов, обладающие геоэкологическими защитными функциями;
установить структурные преобразования кристаллической решетки и закономерности интенсификации процессов спекания керамической массы; изучить влияние рецептурно-технологических параметров на свойства строительной керамики и разработать геоэкологически защитные технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов в производстве новых видов керамических материалов;
изучить механизмы адсорбции битума на поверхности минеральных порошков из магнийсиликатных пород; установить влияние рецептурно-технологических факторов и вида отходов на качество асфальтобетонной смеси; разработать технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов при получении новых видов асфальтобетонов и выполнить их геоэкологическую оценку;
исследовать физико-химические и технологические свойства новых видов материалов с использованием магнийсиликатных отходов горнодобывающей
промышленности и установить области их применения.
Идея работы: Комплексное использование магнийсиликатных пород на стадии
освоения месторождений полезных ископаемых предотвратит попадание их в отвалы,
позволит создавать малоотходные предприятия с получением новых видов
строительных материалов и решит вопросы геоэкологической безопасности в части
минимизации образования отходов, сохранения минеральных ресурсов,
энергосбережения, восстановления и сохранения природной среды.
Научная новизна:
Научно обоснована комплексная схема переработки магнийсиликатных отходов
горнодобывающей промышленности, базирующаяся на физико-химических
процессах структурообразования и способах их регулирования с целью получения новых видов строительных материалов.
-
Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности в качестве сырья при получении строительных материалов. Изучен химический состав, исследованы физико-технические свойства, определен класс опасности и дана радиационно-гигиеническая оценка отходов. Впервые исследована их активность по поглощению извести. Установлено, что они являются потенциально активными, взаимодействуют с известью с образованием кальций-магниевых и кальций-магний-железистых гидросиликатов. На повышение реакционной активности отходов оказывает влияние продолжительность их механической активации, с увеличением которой увеличивается аморфизация кристаллических фаз и деструкция кристаллических решеток с разрывом связей Mg-O-Si и Fe-O-Si, что приводит к повышению реакционной способности отходов и улучшению физико-химических свойств полученных материалов. Установлено, что магнийсиликатные отходы имеют высокое качество и могут быть использованы в производстве цементов, бетонов, асфальтобетонов и строительной керамики, что позволит сократить количество образуемых отходов, сохранить минеральные ресурсы, снижая негативные воздействия от их добычи на окружающую среду.
-
Научно обоснованы и экспериментально подтверждены механизмы гидратации и твердения цементов с добавкой магнийсиликатных отходов. Выявлено влияние магнийсиликатных модификаторов на структуру и формирующуюся прочность нового материала. В результате взаимодействия с портландцементным клинкером образуются гидросиликаты кальция, гидросиликаты магния и смешанные кальций-магниевые, кальций-железистые, магний-железистые и кальций-магний-железистые гидросиликаты. Образование дополнительных гидратированных минеральных форм с участием атомов Si и Mg с разным вкладом подтверждается уменьшением содержания портландита в цементах, совокупностью выявленных изменений в области колебаний основных структурных фрагментов соединений, а также изменением соотношений интенсивности пиков обнаруженных рефлексов. Показано, что механическая прочность цементов обусловлена удельной поверхностью и содержанием отходов, которые участвуют в образовании прочной структуры цементного камня и способствуют повышению его плотности и водостойкости. Геоэкологическая оценка технологических решений утилизации отходов в производстве цементов позволила установить их геоэкологические защитные качества в связи с уменьшением выбросов CO2 в атмосферу, снижением потребления энергии, сохранением минеральных ресурсов, сокращением площадей карьеров и отвалов, минимизацией негативного влияния на окружающую среду.
3. Изучена гидратация цемента в составе многокомпонентных смесей (бетонов).
Определено влияние модифицирующей добавки на структуру новых материалов.
Установлены закономерности изменения физико-механических свойств бетонов от рецептурно-технологических параметров их получения. Показано, что замена природного сырья на отходы обеспечивает не только сохранение, но и улучшение их качества. Разработаны технологические решения по использованию отходов горнодобывающей промышленности в виде магнийсиликатных пород при получении тяжелых бетонов, позволяющие не только сохранить минеральные ресурсы, а также снизить негативное воздействие на окружающую среду.
4. Установлены закономерности интенсификации процессов спекания
керамических масс в зависимости от рецептурно-технологических параметров их
получения. Установлены структурно-фазовые превращения в двухкомпонентной
шихте в условиях пирогенного синтеза: происходит разрушение кристаллической
решетки исходных соединений с образованием минералов группы кварца, а также
корунда, гематита, форстерита. Доказано, что кристаллические новообразования
позволяют сформировать новую структуру керамического черепка, определяющую
физико-механические свойства полученных материалов. Установлены режимы
модификации шихты магнийсиликатными отходами, позволяющие формировать
структуру и свойства керамических материалов. Предложены геоэкологические
защитные технологические решения по использованию отходов горнодобывающей
промышленности в производстве строительной керамики, основанные на
уменьшении образования отходов, снижении расхода электроэнергии, сохранении
минеральных ресурсов и природной среды.
5. Впервые изучены механизмы адсорбции битума на поверхности минеральных
порошков из магнийсиликатных пород. Установлено, что в результате их
интенсивного измельчения изменяется структура частиц порошков, приводящая к
образованию активных центров в виде катионов Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+. Они
взаимодействуют с поверхностно-активной частью битума с образованием устойчивых
хемосорбционных связей между битумом и минеральным порошком, о чем
свидетельствуют изменения рефлексов на данных РФА, а также пиков на ИКС.
Установлено влияние рецептурно-технологических факторов на качество
асфальтобетонной смеси. Разработаны технологические решения утилизации
магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности в производстве
асфальтобетона. Проведенная геоэкологическая оценка позволила отнести их к
защитным, позволяющим полностью заменить обычно используемые минеральные
ресурсы на отходы горного производства и сохранить природную среду от
нарушений.
Практическая значимость работы:
Разработаны геоэкологические защитные технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности в производстве новых видов цементов, бетонов, асфальтобетонов и строительной керамики;
получены комплексные вяжущие, твердеющие в нормально-влажностных условиях и при тепловлажностной обработке с образованием цементного камня прочностью до 61МПа (Патенты РФ на изобретение № 2168472, № 2212383);
предложены составы цементов с минеральными добавками (Патенты РФ на изобретение № 2256626, № 2256627, № 2288899, № 2320592), обладающие повышенной водо- и сульфатостойкостью;
получены бетонные изделия с использованием магнийсиликатных пород, производство которых расширит минерально-сырьевую базу строительных материалов (Патенты РФ на изобретение № 2372306, № 2393129);
получена строительная керамика на основе магнийсиликатных пород;
- получен минеральный порошок (Патенты РФ на изобретение № 2515239, № 2515274) и асфальтобетонные смеси (Патент РФ на изобретение № 2591572), позволяющие работать во всех климатических условиях.
На предприятии ассоциации «Дарханинвестстрой» выпущена опытная партия бетонных образцов с использованием малоцементного вяжущего на основе дунитов. По разработанной технологии опытные партии бетонных образцов с использованием верлита выпущены на ООО «Ермак» и ОАО «Стройград». Опытная партия бетонных блоков изготовлена в ООО «Экодом». Вся произведенная продукция по своим физико-механическим показателям удовлетворяет требованиям ГОСТ.
Результаты исследований могут быть реализованы в учебном процессе при подготовке специалистов по специальностям «Геоэкология» и «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Методология и методы исследования. В настоящей работе использован научно-методологический подход при разработке технологий получения прочных материалов на основе магнийсиликатных отходов горной промышленности за счет оптимизации процессов гидрато- и структурообразования с учетом минерального состава используемых форм и внешних условий.
Теоретической и методологической основой исследования являются работы ведущих отечественных и зарубежных исследователей в области переработки отходов горного производства. В работе осуществлено аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены натурные наблюдения, экспериментальные лабораторные исследования, статистическая обработка полученных данных. Использован комплекс современных физико-химических методов анализа, мотивированно и оптимально подобранный в соответствие с целями и задачами исследования, включающий химический, дифференциально-термический, рентгенофазовый и микроскопический анализы, метод инфракрасной спектроскопии, физические методы исследования при изучении процессов получения новых видов материалов, методы математической статистики при анализе полученных результатов, технико-экономический и эколого-экономический анализы при оценке эффективности результатов работы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Выявлено, на основе изучения физико-химических свойств магнийсиликатных
отходов, влияние механической активации на повышение их реакционной
активности, обусловленной увеличением дефектности кристаллической структуры, и
установлена возможность использования отходов при получении новых видов
строительных материалов.
2. Выявлены механизмы взаимодействия механоактивированных
магнийсиликатных отходов и портландцементного клинкера, обуславливающие
изменение реакционной способности системы, различие гидратационной активности,
позволяющие управлять структурой посредством модификации портландцемента,
интенсифицировать процесс связывания кристаллов в прочный цементирующий
каркас, а также возможности эффективного использования отходов в качестве
минеральной добавки при производстве смешанного цемента, основанные на
принципах геоэкологической защиты окружающей природной среды.
3. Выявлено влияние минеральных магнийсиликатных модификаторов на
структуру и формирующуюся прочность цементов, упрочнение зон контакта с
компонентами сырьевой смеси, установлены оптимальные значения водоцементного
отношения и дисперсности заполнителя, условия твердения и возможность
регулирования структуры, обусловленные использованием отходов при получении
тяжелых бетонов.
4. Выявлены механизмы образования керамического черепка высокого качества
с новой структурой при использовании магнийсиликатных отходов, вызванные
разрушением кристаллической решетки исходных соединений с образованием
минералов группы кварца, а также корунда, гематита, форстерита, и определены
факторы, влияющие на формирование структуры и свойств строительной керамики.
5. Высокая адсорбционная активность минеральных порошков из
магнийсиликатных отходов, содержащих на своей поверхности большое количество
адсорбционных центров в виде катионов Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ обусловливает
появление устойчивых хемосорбционных связей при взаимодействии с битумом,
приводящее к его структурным изменениям, который переходит из объемного
состояние в ориентированное, и позволяющее получать асфальтобетоны повышенной
прочности, трещиностойкости и сдвигоустойчивости.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, постановке задач и методологии исследований, в организации и непосредственном выполнении большинства экспериментов, анализе и обобщении полученных в них результатов, установлении основных закономерностей и разработке технологических решений утилизации магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности, обосновании выводов и подготовке публикаций.
Степень достоверности результатов исследований определяется
использованием стандартных методов испытаний и способов измерений с
применением сертифицированного оборудования, подтверждается согласованностью
экспериментальных данных и научных выводов, большим объемом и
воспроизводимостью результатов лабораторных исследований и положительными результатами полупромышленных испытаний.
Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения
доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-технических
конференциях и симпозиумах, на научных семинарах и научно-технических
конференциях вузов, в том числе: 5 Международном научном симпозиуме им. акад.
М.А. Усова (Томск, 2001г.); III научно-практической конференции «Забайкалье к
устойчивому развитию: ресурсы, экология, управление» (Чита, 2003г.);
Международной научной конференции «Геология и металлогения
ультрамафитмафитовых и гранитоидных интрузивных ассоциаций складчатых
областей» (Екатеринбург, 2004г.); Международной научно-технической конференции
«Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург,
2005, 2006гг.); 4 Международной научно-технической конференции «Современные
технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2006г.); Международной
конференции «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей» (Иркутск,
2007г.); Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения»
(Чита, 2009-2012гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Новые и
нетрадиционные типы месторождений полезных ископаемых Прибайкалья и
Забайкалья» (Улан-Удэ, 2010г.), XVII научной молодежной школы «Металлогения
древних и современных океанов – 2011. Рудоносность осадочно-вулканогенных и
гипербазитовых комплексов» (Миасс, 2011г.), Всероссийской конференции
«Тектоника, магматизм и геодинамика Востока Азии: VII Косыгинские чтения»
(Хабаровск, 2011г.), Международной конференции «Ультрабазит-базитовые
комплексы складчатых областей и их минерагения» (Улан-Удэ, 2012г.), Минералогическом семинаре с международным участием «Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения – 2013)» (Сыктывкар, 2013г.), Международной научно-практической конференции «Промышленные минералы: проблемы прогноза, поисков, оценки и инновационные
технологии освоения месторождений» (Казань, 2015г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-Востока России» (Якутск, 2016г.), Всероссийской научной конференции «Фундаментальные проблемы экологии России» (Иркутск, 2017г.) и др.
Разработанные технологические решения представлены в числе законченных разработок СО РАН на «Выставке научно-технических достижений» (Шеньян (Китай), 2006г.); Пятой китайско-российско-монгольской выставке (Маньчжурия (Китай), 2008г.); выставке «Инновационные разработки и проекты в Республике Бурятия» (Улан-Удэ, 2008г.); выставке инновационных разработок СО РАН в рамках Байкальского Международного экономического форума (Улан-Удэ, 2012г.).
Инновационная разработка «Цемент с минеральными добавками» была представлена на заседании комиссии Сибирского федерального округа по проекту «Старт-2006» по направлению «Химия, химическая технология, новые материалы, строительство» (Томск, 2006г.); на открытом конкурсе инновационных проектов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 2009г.). На первой городской инновационной выставке «Ярмарка изобретений» (Улан-Удэ, 2009г.) работа получила диплом в номинации «Лучшее изобретение в области строительства».
Под руководством автора защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано более 120 научных работ, в том числе 2 монографии, 32 статьи в рекомендуемых ВАК изданиях, получено 12 патентов РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы, включающего 492 наименования. Работа изложена на 397 страницах машинописного текста, включает 127 рисунков, 66 таблиц и 5 приложений.
Автор выражает искреннюю благодарность академику РАН Тулохонову А.К. за веру и поддержку; научному консультанту, д.т.н., проф. ИРНИТУ Тимофеевой С.С., д.х.н., проф. ИРНИТУ Сарапуловой Г.И., д.т.н., проф. АлтГТУ Козловой В.К. за ценные замечания, советы и помощь при подготовке диссертации; к.т.н. Войлошникову О.В., к.х.н. Котовой И.Ю., к.г.-м.н. Кислову Е.В. за помощь при работе над диссертацией; коллегам за помощь и поддержку на всех этапах работы.
Отходы горнодобывающей промышленности
С ростом промышленного производства количество отходов в мире неуклонно растет. По данным Евростата [420] в 2012 году во всех странах ЕС образовалось 2515 миллионов тонн отходов. По данным Росстата [288] в 2012 году в России количество отходов составило 5007,9 млн. тонн, в 2015 году было образовано 5060,2 млн. т отходов, а в 2016 – 5441,3 млн. т (таблица 1.2.1, рисунок 1.2.1), что на 8,7% больше, чем в 2012 году, и на 7,5%больше, чем в 2015 году. Из них использовано и обезврежено в 2016 году 3243,7 млн. т, что на 38,1% больше, чем в 2012 году и на 20,8% больше, чем в 2015 году. Доля использованных и обезвреженных отходов (рисунок 1.2.1) за три года составила в 2016 году – 59,6%, в 2015 году – 53,1%, в 2014 – 46,3%.
Как видно из представленных данных за 5 лет, динамика роста количества образованных отходов сменилась спадом в 2015 году, где наблюдается их сокращение на 2,1% по сравнению с 2014 годом. Однако кривая, представляющая количество использованных и обезвреженных отходов, характеризуется другим поведением – точкой минимума в 2013 году, когда было использовано всего 39,7% от образованных отходов.
Если рассматривать объем образовавшихся отходов в расчете на площадь России, то в 2014 году на 1 км2 территории приходилось 301798 кг отходов, в 2015 – 295485 кг, в 2016 – 317737 кг. В пересчете на душу населения в 2014 году образовалось 35378 кг отходов на одного жителя страны, в 2015 – 34563 кг, в 2016 – 37098 кг [288].
В структуре всех образовавшихся отходов более 95% занимают отходы производства. Основным источником промышленных отходов является добыча и переработка минерального сырья. Среди всех образовавшихся отходов более 87%, а за последние четыре года более 90%, составляют отходы горнодобывающей промышленности (таблица 1.2.1, рисунок 1.2.2). Из них использовано или обезврежено в 2015 году 2473,3 млн. т или 53,2%; в 2014 - 2165,7 млн. т или 45,1%; в 2013 – 1753,1 млн. т или 37,3%; в 2012 – 2125,9 млн. т или 45,9%; в 2011 – 1800,1 млн. т или 47,1% (таблица 1.2.1, рисунок 1.2.2) [288].
Наименьшее количество отходов горнодобывающей промышленности за последние 10 лет было образовано в 2007 году – 71,4%, из них использовано и обезврежено 65,7%, что является самым высоким показателем за данный период. Что касается затрат на обращение с отходами, то, хотя они и не снижаются, однако, практически, не оказывают влияние на степень использования и обезвреживания отходов.
Отходы от добычи полезных ископаемых включают в себя две составляющие: отходы от добычи топливно-энергетических полезных ископаемых и отходы от добычи полезных ископаемых, кроме топливно-энергетических, количество которых представлено в таблице 1.2.1. Основную долю отходов, образовавшихся в результате разработки месторождений полезных ископаемых, занимают отходы от добычи топливно-энергетических полезных ископаемых (более 60%).
Если рассматривать количество отходов, образованных от добычи полезных ископаемых, кроме топливно-энергетических, за 5 лет, то можно проследить следующую тенденцию. В 2011 году объем отходов составлял 30,0%, в 2012 и 2013 годах вырос более чем на 2% по сравнению с предыдущими годами. Это связано с вовлечением в производство бедных руд, так как легкодоступные и богатые по содержанию рудные жилы выработаны. Чем меньше содержание металла в руде, тем больше отходов образуется на 1 грамм товарного металла. Еще одна причина увеличения количества отходов – разработка месторождений открытым способом, когда для доступа к сырью удаляется слой почвы и горных пород. Также огромное количество пустой породы в виде хвостов обогащения образуется при переработке добытой руды. И все это оказывает негативное влияние на окружающую среду [45]. В 2014 году количество отходов снизилось на 1,5%, а в 2015 году на 0,7% относительно предыдущего года, что свидетельствует о снижении темпов освоения месторождений.
Таким образом, количество отходов в стране растет, а степень их переработки остается крайне низкой. Доля использованных и обезвреженных отходов производства не достигает 60%. Хуже всех перерабатываются твердо-бытовые отходы (около 11% от всех отходов). Поэтому большую техническую и экономическую проблему составляют размещение, хранение, обезвреживание и утилизация отходов, которая регулируется государством.
Отходы от добычи и обогащения полезных ископаемых составляют более 90% от отходов промышленного производства. Ежегодно во всем мире извлекается более 800 млрд. тонн вмещающих пород, а объем отходов горного производства превышает 1000 млрд. тонн [185]. Например, только в Канаде в сутки образуется более 2 млн. тонн горнопромышленных отходов [484]. Основные виды отходов горного производства по их образованию представлены на рисунке 1.2.3.
Отвалы горных предприятий содержат отходы от добычи полезных ископаемых, включающие вскрышные и вмещающие породы, забалансовые руды и отходы россыпных месторождений. В шламо- и хвостохранилищах размещаются отходы обогащения полезных ископаемых. В отвалах горнодобывающей промышленности накоплено более 34 млрд. т. вскрышных пород, распределение которых по отраслям представлено на рисунке 1.2.4 [34].
Основная масса отходов добычи и переработки минерального сырья образуется в угольной промышленности, черной и цветной металлургии, химической промышленности (включая производство минеральных удобрений).
В России существуют следующие основные ресурсные районы черной металлургии [220]:
1. Центральный район, основные ресурсы железных руд (21,6 млрд. т) которого сосредоточены в пределах Курской магнитной аномалии. Представлен такими месторождениями мирового значения, как Лебединское, Стойленское, Михайловское и Яковлевское.
2. Уральский район с ресурсами около 7,5 млрд. т. В нем выделяется Качканарская группа месторождений (3,5 млрд. т). Значительные запасы хромитовых руд находятся на месторождении Сараны.
3. Восточно-Сибирский район (5,3 млрд. т). Здеь находятся Абаканская группа месторождений, а также Коршуновское и Рудногорское месторождения (в Ангаро-Илимском бассейне).
4. Дальний Восток (4,5 млрд. т).
5. Северный район (2,8 млрд. т) с Ено-Ковдорским, Костамукшским и другими месторождениями.
6. Западная Сибирь (1,8 млрд. т). Здесь находятся значительные ресурсы марганцевых руд (Усинское месторождение).
В состав отраслей цветной металлургии России входят медная, никель-кобальтовая, свинцово-цинковая, титаномагниевая, алюминиевая, вольфрамомолибденовая, редких металлов, золотоперерабатывающая и др. Преобладающим типом руд, используемых в медной промышленности, являются медные колчеданы, расположенные, главным образом, на Урале (месторождения Ревдинское, Красноуральское, Сибайское, Блявинское, Гайское и др.). В качестве резерва - медистые песчаники, находящиеся в Восточной Сибири (Удоканское месторождение) [220]. Районами распространения полиметаллических руд для свинцово-цинковой промышленности являются: Северный Кавказ (Садон), Кузбасс (Солаир), Забайкалье (Нерчинские месторождения) и Дальневосточное Приморье (Дальнегорск) [220]. Для никеле-кобальтовой промышленности используются руды двух типов: сульфидные медно-никелевые, находящиеся на Кольском полуострове (Никель) и Красноярском крае в низовьях Енисея в Норильском районе (месторождения Талнахское и Октябрьское), и окисленные – на Урале (Орск, Верхний Уфалей, Реж) [220]. Основные запасы олова приходятся на Восточную Сибирь и Дальний Восток, где функционируют Хрустальненский, Шерловогорский, Солнечный, Эссе-Хайский и др. обогатительные комбинаты [220]. Сырьевыми ресурсами для алюминиевой промышленности являются бокситы, добываемые на Северо-Западе России (Бокситогорск) и Урале (Североуральск), а также нефелины – в Северном районе (Северо-Онежское месторождение), на Кольском полуострове (Кировск), в Восточной Сибири (Горячегорск). Преимуществом бокситов является то, что это простое сырье, а нефелины – комплексное [220].
Разработка всех месторождений дает огромное количество отходов. Для получения 1 т металла необходимо переработать 200-300 т руды. В некоторых случаях это количество доходит до 1000 т. Так, при добыче одной тонны меди образуется около 110 т пустой породы и 200 т снятой почвы. На получение тонны золота приходится 300 тыс. т отходов [247]. Рассмотрим виды отходов добычи и обогащения полезных ископаемых, кроме топливно-энергетических, нормативы их образования и их составы (таблица 1.2.2) [66].
Йоко-Довыренский дунит-троктолит-габбровый массив
Йоко-Довыренский дунит–троктолит-габбровый массив – единственный в Сибири мощный хорошо сохранившийся расслоенный комплекс, являющийся самым крупным и полностью дифференцированным интрузивом довыренского комплекса Северного Прибайкалья. Находится он на 56о30/ северной широты и 110о восточной долготы. Это силлоподобное тело (рисунок 3.2.1) [150], залегающее субсогласно со структурой вмещающих позднепротерозойских карбонатно-терригенных отложений осевой части Сыннырской рифтогенной структуры.
Для Йоко-Довыренского массива характерно широкое развитие ксенолитов вмещающих пород. Наиболее распространены блоки бруситовых мраморов и фрагменты магнезиальных скарнов линзообразной формы мощностью до первых десятков метров и протяженностью до 100-150 м. Меньшие по размеру ксенолиты изометричны. Апокарбонатные скарны наиболее свойственны для верхней части дунитовой зоны, но встречаются также в основании плагиодунит-троктолитовой зоны. Ксенолиты терригенных пород меньше по размеру и сохранились преимущественно среди плагиоперидотитов и основных пород [150].
В осевой части массива протягивается крупный продольный разлом, разделяющий дунитовую и плагиодунит-троктолитовую зоны. Разлом выражается 2-метровой зоной милонитизированных аподунитовых и апотроктолитовых серпентинитов. Резких нарушений тенденций изменчивости состава интрузивных пород и минералов не наблюдается, хотя по направлению к разлому как в дунитовой, так и в плагиодунит-троктолитовых зонах отмечается незначительное повышение железистости оливина. Вследствие смещения по разлому из разреза юго-западной части интрузива (голец Йоко) выпадают ультраосновные породы, и он начинается с троктолитов, а северо-восточное выклинивание, сложено плагиоперидотитами, тогда как основные породы перемещены по разлому и, в какой-то мере, перекрыты отложениями холоднинской свиты [150].
По смене минеральных ассоциаций снизу вверх в центральной части массива (рисунок 3.2.2) выделяются следующие зоны [150]:
1. плагиоперидотитовая мощностью до 200 м,
2. плагиодунитовая – 100 м,
3. дунитовая – 870 м,
4. ритмичного чередования плагиодунитов и троктолитов – 560 м,
5. ритмичного чередования троктолитов и оливиновых габбро – 430 м,
6. оливиновых габбро – 580 м,
7. оливиновых габброноритов – 520 м.
На контакте пятой и шестой зон зафиксирован нижний или первый платиноносный горизонт, а между шестой и седьмой – верхний или второй платиноносный горизонт. Дунитовая зона протягивается лишь на 15 км, довольно быстро выклиниваясь. Она отделяется от плагиодунитовой чередованием 1-2 метровых прослоев плагиодунитов, верлитов и дунитов мощностью около 50 м.
Анхимономинеральные дуниты характерны в большей мере для нижней и средней частей дунитовой зоны. В верхней части дунитовой зоны широко распространены верлиты, а также жилы и гнезда диопсидитов. В этой же части зоны отмечены маломощные прожилки и небольшие шлирообразные сгущения, сложенные преимущественно хромшпинелью. Граница плагиодунит троктолитовой и троктолит-оливингаббровой зон проведена по подошве маломощного (2 м), но выдержанного по всему массиву горизонта пойкилитовых плагиоверлитов [150].
Качество сырья верхней трети дунитовой зоны низкое, поскольку в них повышено содержание диопсида, отмечаются серпентинизация и развитие карбонатных прожилков. К тому же качество сырья в определенной мере повышается за счет широкого развития в верлитах ксенолитов шпинель-форстеритовых и брусит-форстеритовых (изначально периклаз-форстеритовых) скарнов, тел брусититов. Общие запасы магнийсиликатных пород Йоко-Довыренского массива можно оценить во многие миллионы тонн [150].
Большие перспективы имеет использование коры выветривания горных пород. Нижние две трети дунитовой зоны геоморфологически выражены долиной, пересекающейся ручьями. Большая часть долины покрыта интенсивно дезинтегрированными породами, представленными рыхлой корой механического выветривания, по химическому составу и структуре не отличающейся от исходных дунитов. Мощность ее, как правило, не превышает десяти метров. Повышенная мощность (до 30-50 м) зафиксирована в местах развития небольших разрывных нарушений. Ширина таких участков достигает 15-20 м. Кора выветривания состоит преимущественно из дресвы разнообразного размера. При этом ее приповерхностная часть состоит в большей мере из кристаллов и обломков кристаллов оливина, так как остальные минералы более подвержены выветриванию [150].
Дуниты Йоко-Довыренского массива имеют высокое качество. Они на 80-97% состоят из идиоморфных кристаллов оливина с поперечным размером до 3 мм и фаялитовой составляющей (f=8-15%), а также акцессорной хромшпинели двух генераций (1-2%), близкой по составу к хромпикотиту и образующей кристаллографически ограненные включения в оливине или агрегаты зерен в интерстициях (рисунок 3.2.3) [150].
Отмечаются также интерстициальные клинопироксен (f=9-11%) и плагиоклаз (битовнит-анортит) в количестве до 10%. Ортопироксен и флогопит встречаются эпизодически. Дуниты несерпентинизированные свежие, лишь изредка наблюдается петельчатая серпентинизация и замещение оливина минералами группы иддингсита-боулингита. Для них не характерно наличие гидроксил– и щелочесодержащих минералов. Химический состав дунита по всей площади распространения довольно постоянен. Он характеризуется резким преобладанием MgO над СаО (в 15-36 раз) [150].
Верлиты широко распространены в дунитовой зоне Йоко-Довыренского массива и представляют собой две модификации.
Эндоконтактовые верлиты и жильные диопсидиты отличаются широкими вариациями структур и минерального состава. Клинопироксен (диопсид до фассаита, f = 8-10%) образует наиболее крупные идиоморфные выделения, включающие зерна оливина, кристаллы черной и зеленой шпинели. Оливин, реже пироксен, серпентинизированы по трещинам. Характерны гнезда, прожилки вторичного кальцита. В крупнокристаллическом неоднороднозернистом верлите зафиксированы гнезда кальцита и амезита, приуроченные к крупным выделениям сульфидов (рисунок 3.2.4) [150].
Пойкилитовые плагиоверлиты легко распознаются по бугорчатой или шиповатой поверхности, образующейся вследствие более высокой устойчивости ойкокристов клинопироксена и плагиоклаза к выветриванию по сравнению с мелкозернистым оливином [150].
Троктолиты – это яснокристаллическая магматическая порода, состоящая, в основном, из основного плагиоклаза (лабрадора или битовнита) и оливина. Иногда наблюдается присутствие пироксенов. В троктолите вокруг зерен оливина в контакте с плагиоклазом часто возникают реакционные оболочки, каймы, сложенные ромбическим, реже моноклинным пироксеном, амфиболом (рисунок 3.2.6), тремолитом, актинолитом (рисунок 3.2.7) и гидрослюдой [306].
Получение строительной керамики пластическим способом формования
Наиболее распространенным способом формования строительной керамики является способ пластического формования. Качество керамических материалов зависит от вида сырьевых материалов и добавки, их количества и температуры обжига изделий.
Для установления влияния вида добавки, ее количества и температуры обжига на механическую прочность керамики готовили образцы – кубы с размером ребра 20 мм. После сушки обжигали в лабораторной муфельной печи с изотермической выдержкой 3 часа при различных температурах. Образцы охлаждались естественным образом после отключения печи. Количество вводимой в смесь с глиной минеральной добавки варьировалось от 10 до 50%. Температура обжига изменялась от 950оС до 1100оС с шагом в 50оС. Испытания проводили по ГОСТ 473-81 “Изделия химически стойкие и термостойкие керамические”. Результаты физико-механических испытаний образцов представлены в таблице 6.2.1.
Установлено, что вид и количество минеральной добавки, а также температура обжига оказывают влияние на прочностные показатели керамики. По результатам исследований образцы с добавкой троктолита всех составов при температуре обжига 950оС не удовлетворяют требованиям ГОСТ 530-2012 “Кирпич и камень керамические. Общие технические условия”, поэтому полученные показатели не приведены в данной таблице.
Как видно из приведенной таблицы, наибольшую прочность имеют образцы всех составов, обожженные при температуре 1100оС. При 1050оС по прочности при сжатии удовлетворяют требованиям ГОСТ образцы с добавкой дунита и верлита в количестве до 40% и с добавкой троктолита в количестве до 30%. При температуре 1000оС - образцы с добавкой до 20% дунита и 10% верлита. Все составы образцов с добавкой троктолита не удовлетворяют этим требованиям. При 950оС имеют прочность при сжатии, удовлетворяющую требованиям ГОСТ для кирпича керамического (не менее 10,0 МПа) только образцы с 10% добавки дунита. В целом, прочность при сжатии для образцов с добавкой дунита выше, чем с верлитом и троктолитом. Наименьшую прочность имеют образцы с добавкой троктолита, что можно объяснить составом и структурой данных пород. Троктолит в своем составе имеет наименьшее количество MgO, большее количество Al2O3 и CaO по сравнению с дунитом и верлитом, и наименьшее количество оливиновой молекулы.
Результаты рентгенофазового анализа керамического черепка состава 10% породы и 90% глины в зависимости от температуры обжига, представлены на рисунках 6.2.1 – 6.2.3.
Изменения, происходящие в системе дунит – глина показаны на рисунке 6.2.1. Из рентгенограммы видно, что с увеличением температуры обжига от 950оС до 1100оС исчезли пики, принадлежащие минералам глины: монтмориллониту (14,53), пеннину (8,50), каолиниту (7,10; 1,98), лейциту (3,24), муллиту (2,28; 2,00), гидрослюде (1,85) и шпинели (1,64). Изменилась интенсивность рефлексов муллита (3,78), - и -сепиолита (3,66; 3,21) и каолинита (2,25). Появились новые пики, принадлежащие -тридимиту (2,70; 1,78), гематиту (2,51; 1,69; 1,45), корунду (1,74), интенсивность которых увеличивается с повышением температуры.
Установлено, что в системе верлит – глина (рисунок 6.2.2) с повышением температуры обжига исчезли пики, принадлежащие минералам глины (14,43; 10,01; 9,19; 8,50; 7,10; 4,50; 2,64; 2,56; 2,36; 2,32; 1,89; 1,80; 1,40). Увеличилась интенсивность пика с d = 2,72 (биотит) и уменьшилась – с d = 2,16 (гидробиотит) и 2,13 (монтмориллонит). Появились новые пики минералов группы кварца -тридимита (2,94), -кристобалита (2,87) и гематита (2,21; 1,84; 1,69; 1,45).
В системе троктолит – глина (рисунок 6.2.3) отмечено появление новых пиков минералов группы кварца (2,85; 1,79; 1,48) и гематита (2,69; 2,51; 2,20; 1,69); исчезновение пиков исходных соединений глины (14,70; 7,31; 6,38; 4,48; 3,13; 1,74) и уменьшение интенсивности пика с d = 3,48, принадлежащего оливину.
Рентгенофазовый анализ образцов с добавкой дунита, верлита и троктолита показал, что в результате обжига происходит разрушение кристаллической решетки исходных материалов с образованием минералов группы кварца, а также корунда и гематита. Формируется новая структура керамического черепка, оказывающая влияние на физико-механические свойства полученных материалов.
Изменения в керамических системах в зависимости от температуры обжига представлены на рисунках 6.2.4 – 6.2.6.
Можно видеть, что при температуре обжига 950оС значимых изменений в обжигаемой системе не наблюдается. При температуре 1100оС происходит разрушение кристаллической структуры глины, начинается ее подплавление. Расплав глины обволакивает твердые части добавленной породы, они сближаются, количество пустот между ними сокращается.
Тем самым, создается прочный каркас из зерен магнийсиликатных пород, придающий прочность полученным композициям и определяющий их свойства.
Для определения области применения керамических материалов на основе магнийсиликатных отходов, полученных пластическим способом формования, испытания проведены в соответствии с ГОСТ 7025-91 “Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости”. Результаты представлены в таблицах 6.2.2 – 6.2.4
В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением количества добавки магнийсиликатных пород уменьшается огневая усадка образцов и их водопоглощение за счет замены части глины дунитом, верлитом или троктолитом, содержащими безводные силикаты магния и железа. С ростом температуры обжига огневая усадка образцов увеличивается и находится в зависимости от вида и количества добавки (рисунок 6.2.7).
Наибольшая огневая усадка характерна для образцов с меньшим количеством добавки, обожженным при температурах от 1000оС до 1100оС, что обусловлено полным разрушением кристаллической решетки минералов глины и превращение их в аморфные вещества (глинозем, кремнезем).
С увеличением количества добавки этот скачок уменьшается, огневая усадка снижается. Надо отметить, что для образцов с добавкой троктолита показатели огневой усадки выше, чем для верлита и дунита.
Установлено, что повышение температуры обжига не вызывает деформации образцов с добавкой магнийсиликатных пород в виду того, что в состав дунита входит до 97% оливина, в состав верлита – до 85%, а в составе троктолита – до 65% оливина, температура плавления которого составляет 1890оС.
При воздействии высоких температур наблюдается потеря массы образцов керамики (рисунок 6.2.8). Как показали проведенные исследования, основная потеря массы керамических образцов происходит до температуры обжига 950оС. Это связано со следующими превращениями в структуре минералов сырьевых материалов: при нагреве до 100-400оС удаляется адсорбционная (поверхностно-связанная) влага; при 500-700оС – химически связанная влага; при 700-900оС разрушается кристаллическая решетка монтмориллонита, а при 900-1050оС – кристаллическая решетка каолинита и они превращаются в аморфные вещества. С дальнейшим повышением температуры обжига значимых изменений в потере массы не происходит.
Установлено, что потеря массы образцов зависит от вида добавки и ее количества. Образцы с добавкой верлита теряют массы меньше, чем с добавкой дунита и троктолита. С увеличением количества добавки от 10 до 50% показатели потери массы образцов значительно уменьшаются: при 950оС - от 5,33% до 3,99 для дунита; для верлита - от 5,11% до 2,82%; для троктолита - от 6,66% до 5,76%. Это связано с введением в состав шихты пород, имеющих низкое содержание влаги (для дунита потери при прокаливании составляют 2,84%, для верлита – 1,29%, для троктолита – 1,33%), а также набором массы за счет того, что при 600-900оС закись железа, содержащаяся в оливине, окисляется до окиси.
Геоэкологическая оценка утилизации магнийсиликатных отходов в производстве строительных материалов
На основании большого объема выполненных исследований разработана комплексная технологическая схема утилизации магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности с получением новых видов высококачественной товарной продукции (рисунок 8.5.1).
Разработанные технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов в производстве строительных материалов являются геоэкологически защитными для окружающей природной среды. Обобщенные критерии геоэкологической защиты представлены на рисунке 8.5.2.
Они включают в себя: сокращение образования отходов, сокращение выделения пыли, сокращение выбросов газов, сокращение потребления энергии, сокращение использования сырьевых ресурсов, сохранение качества окружающей среды. Применение данных решении в производстве строительных материалов позволит снизить негативные воздействия на окружающую среду, оказываемые как разработкой месторождений полезных ископаемых, так и существующими предприятиями. Количественные показатели обобщенного геоэкологического эффекта разработанных технологических решений утилизации отходов при выпуске 1 тонны продукции представлены в таблице 8.5.1
При производстве 1 т строительных изделий с использованием магнийсиликатных отходов замещается отходами, в среднем, 3420 кг минеральных ресурсов. Одновременно снижается негативное воздействие существующих производств на окружающую среду.
В результате выполнения работы установлены и оценены геоэкологические риски, произведен расчет предотвращенного экологического ущерба, платы за размещение отходов и экономической эффективности их использования. Показан геоэкологический эффект от использования магнийсиликатных отходов горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов.
1. Установлено, что основные геоэкологические риски при разработке месторождений с магнийсиликатными породами связаны с нахождением их в отвалах и негативным воздействием, главным образом, на литосферу.
2. Выполнена оценка геоэкологических рисков нахождения магнийсиликатных пород в отвалах. Рассчитан предотвращенный экологический ущерб от загрязнения земель отвалами пород, который составляет 516793,2 тыс. руб. в год.
3. Установлено, что экономия от применения магнийсиликатных пород в производстве цемента с минеральными добавками составляет 63000 тыс. руб. при производительности завода 300000 тонн цемента в год.
4. Сумма, которая была не уплачена за размещение отвальных пород в результате вовлечения их в производство, составила 36149,652 тыс. рублей.
5. Эколого-экономическая эффективность от вовлечения магнийсиликатных пород в производство составляет 615943 тыс. рублей в год в ценах 2015 года. Это говорит о возможности и эффективности использования отвальных пород месторождений полезных ископаемых в производстве строительных материалов.
6. На основании большого объема выполненных исследований разработана комплексная технологическая схема утилизации магнийсиликатных отходов с получением новых видов высококачественной товарной продукции.
7. Установлено, что разработанные технологические решения утилизации магнийсиликатных отходов в производстве строительных материалов являются геоэкологически защитными для окружающей природной среды. Показаны обобщенные критерии геоэкологической защиты, которые включают в себя: сокращение образования отходов, сокращение выделения пыли, сокращение выбросов газов, сокращение потребления энергии, сокращение использования сырьевых ресурсов, сохранение качества окружающей среды.
8. Рассчитан геоэкологический эффект разработанных технологических решений утилизации магнийсиликатных отходов в производстве строительных материалов при выпуске 1 тонны продукции каждого наименования. Показано, что сохранность минеральных ресурсов составляет, в среднем, 3420 кг при утилизации 3420 кг отходов. Одновременно снижается негативное воздействие существующих производств на окружающую среду, а также уменьшается необходимость в освоении новых месторождений.