Введение к работе
Актуальность темы В производстве неорганических продуктов (сорбентов, пигментов, удобрений, строительных материалов, красок и др.) используются природные силикаты. Среди них можно выделить железо-магниевые алюмосиликаты (глауконитсодержащие породы), которые относятся к группе слоистых силикатов с общей кристаллохимической формулой K<1(Fe3+, Fe2+, Al, Mg)2-3[Si3(Si, Al)O10] [OH]2nH2O. Глауконитсодержащие породы (глины, пески) относятся к числу тех неорганических природных объектов, интерес к изучению которых со временем не ослабевает. Причины этого, заключаются, прежде всего, в многообразии их технологических свойств.
Полезные свойства Fe-Mg- алюмосиликатов выявлены в России относительно давно (в начале ХIХ века), однако к настоящему времени эти природные образования нашли применение, главным образом, как пигментное сырье зеленого цвета. В промышленных технологиях (сорбенты, наполнители) и в сельском хозяйстве (минеральные удобрения, кормовые добавки для животных и птиц) они почти не используются, хотя вследствие своей распространенности и широкого спектра полезных свойств могут дать весьма значительный эффект. Благодаря своим химическим и физико-механическим свойствам (наличию красящих оксидов, активных катионов калия, слоистой структуре, высокой дисперсности, пористости, ионообменной способности, водостойкости и др.) Fe-Mg-алюмосиликаты представляют собой ценное промышленное сырье многоцелевого назначения.
Вместе с тем остаются нерешенными вопросы изучения технологических свойств и оценки качества этого класса природных алюмосиликатов, целесообразности применения тех или иных технологий для получения неорганических продуктов.
Для успешного внедрения Fe-Mg-алюмосиликатов в различных отраслях промышленности необходимо детальное изучение их текстурно-структурных характеристик, а также поиск путей повышения полезных свойств современными технологическими приемами.
Изучение Fe-Mg-алюмосиликатов комплексом современных методов позволяет выявить показатели, влияющие на технологии их переработки и определить оптимальные направления использования этого ценного вида минерального сырья. Все это обуславливает научную актуальность и значимость решения поставленных в данной работе задач.
Цель работы. На основе детального изучения структурных и кристаллохимических особенностей природных слоистых Fe-Mg алюмосиликатов, дать физико-химическое обоснование выбора рациональной технологии их переработки, как сырья для получения пигментов, сорбентов и минеральных удобрений.
Научная новизна. - Впервые комплексом химических, физических и физико-химических методов научно обоснован и экспериментально осуществлен выбор наиболее оптимальной технологии переработки природных Fe-Mg алюмосиликатов - метод двухстадийной сухой электромагнитной сепарации с использованием нестандартных механических процессов изменения формы сырьевых минералов. Для увеличения сорбционных и хромофорных свойств Fe-Mg-алюмосиликатов в схему включаются стадии химической и термической активации;
- Впервые проведено исследование и сопоставление свойств природных Fe-Mg-алюмосиликатов, различающихся по элементному и фазовому составам, структурным характеристикам, слагающих их минеральных фаз и проявлению полезных технологических свойств;
- Выявлена взаимосвязь между химическим составом, структурными особенностями, текстурными характеристиками и технологическими параметрами Fe-Mg-алюмосиликатов. Установлено, что наиболее важными параметрами, влияющими на технологию их переработки, являются соотношение Fe3+/Fe2+ и «инверсия» заселенностей ионов Fe3+ по цис- и транс октаэдрическим позициям в кристаллической структуре;
- Впервые методом БЭТ (низкотемпературной адсорбции азота при 770 К) изучены текстурные характеристики Fe-Mg алюмосиликатов (на примере глауконитов) и продуктов их технологического передела. Установлено, что при химической активации Fe-Mg алюмосиликатов в среднем на 20 % увеличивается суммарный объем пор, удельная поверхность и пористость увеличивается в два раза.
- По разработанной технологии получены: пигменты с показателем маслоемкости в среднем 24-26 г/на100г продукта, сорбенты с сорбционной емкостью по нефтепродуктам от 3 до 5,2 кг на 1 кг сорбента (в зависимости от вида нефтепродукта), минеральные удобрения смешанного состава с массовой долей питательных веществ (калий; фосфор) не менее 3 % и характеризующиеся сбалансированным содержанием микроэлементов (Mn, Cu, Co, Ni, B и др.).
На защиту выносятся:
методологический подход к комплексному исследованию особенностей состава, структуры и текстурных показателей природных Fe-Mg-алюмосиликатов, как сырья для получения неорганических продуктов;
система факторов и критериев, определяющих полезные свойства природных Fe-Mg алюмосиликатов, служащих основой выбора оптимальных режимов технологий переработки с целью получения неорганических продуктов (пигментов, сорбентов, удобрений, строительных песков);
новая технология переработки природных Fe-Mg алюмосиликатов, позволяющая селективно разделять полезные компоненты, целенаправленно изменять химическую природу поверхности, улучшать физико-механические свойства и адсорбционно-текстурные показатели полученных продуктов;
технологическая схема переработки природных Fe-Mg алюмосиликатов (глауконитсодержащих песков), обеспечивающая малоотходное производство пигментов, сорбентов, удобрений.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
применением современных методик изучения состава и свойств природных Fe-Mg алюмосиликатов с использованием адекватного исследовательского инструментария;
корректным использованием методологии научных исследований, связанной с разработкой новых приемов, технологий, технической документации;
Личное участие автора. Автор проанализировал состояние проблемы на момент начала исследования, сформулировал его цель, осуществил выполнение экспериментальной работы, принял участие в разработке теоретических основ предмета исследования, обсуждении полученных результатов и представлении их к публикации.
Практическая значимость. На основе изучения химического состава и фазовых особенностей природных Fe-Mg алюмосиликатов и их изменений в процессе технологического передела получены новые эффективные материалы для процессов сорбции, производства удобрений и минеральных пигментов. Показано, что новые материалы могут с успехом заменить применяемые в настоящее время дорогостоящие искусственные сорбенты, синтетические пигменты, а также использоваться в качестве удобрений пролонгированного действия. Апробация и внедрение новых технологий проведены в ОАО «Технопарк», г. Тамбов. Разработанная технология позволила получить ряд неорганических продуктов с заданными технико-экономическими параметрами. Для всех полученных концентратов были разработаны и утверждены технические условия: ТУ 2322-004-03029859-2009 «Природные неорганические пигменты на основе глауконитового концентрата Бондарского месторождения Тамбовской области», ТУ 2189-003-03029859-2009 «Минеральное удобрение на основе глауконитового концентрата Бондарского месторождения Тамбовской области», ТУ 216325 -005-03029859-2009 «Адсорбент на основе глауконитового концентрата Бондарского месторождения Тамбовской области для детоксикации почв, загрязненных нефтепродуктами». ТУ 2164 -006-03029859-2009 «Агроионит для рекультивации почв и поглотитель солей тяжелых металлов», ТУ 2164 -007-03029859-2009 «Акваионит - неорганический сорбент для очистки сточных вод от ионов металлов».
Результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, включая 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России для размещения материалов кандидатских диссертаций, докладывались на 2-ом Российском семинаре «Значение исследований технологической минералогии в решении задач комплексного освоения минерального сырья» (Петрозаводск. 2007 г.), на международном совещании «Современные проблемы обогащения и глубокой переработки минерального сырья (Владивосток, 2008 г.), на международном семинаре «Структура и разнообразие минерального мира». (Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2008 г.), на Неделе горняка-2008 (Москва, 2008 г), на V1 и V11 конгрессах обогатителей стран СНГ (Москва, 2007 г., 2009 г).
Экономическая эффективность. Расчет технико-экономических показателей разработанного технологического процесса показал, что при его внедрении себестоимость переработки 1 т минерального сырья снижается в 1,5 раза; суммарные годовые эксплуатационные затраты уменьшаются в 1,4 раза.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Материал изложен на 139 страницах, включающих 38 рисунков, 49 таблиц, библиографический указатель из 178 наименований и 6 приложений.
Автор выражает искренюю благодарность д.г.-м.н. Патык-Кара Наталие Георгиевне за консультации, оказанные при выполнении работы и обсуждении результатов.
