О возможности переработки техногенных отходов добычи флогопитового сырья

УДК 622.7

С.В. Терещенко, С.А. Алексеева, Е.Д. Рухленко, И.П. Кременецкая,

И.А. Мосендз

О ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ ДОБЫЧИ ФЛОГОПИТОВОГО СЫРЬЯ

Представлены исследования, направленные на обоснование возможности вовлечения в промышленное освоение техногенного сырья предприятия «Ковдорслюда». Показано, что наличие во вскрышных породах открытой добычи флогопита таких минералов, как вермикулит и сунгулит (лизардит), является благоприятным фактором для использования данных отходов в природоохранных технологиях. Разработана гравитационная технология переработки вермикулит-сунгулитового сырья, включающая в себя: гидравлическую сепарацию, винтовую сепарацию и перечистку на концентрационных столах. Приведены минералого-технологические характеристики исходного продукта и продуктов обогащения. Представлены результаты полевых экспериментов по использованию концентратов сунгулит-вермикулитового состава для рекультивационных мероприятий техногенно загрязненных территорий.

Ключевые слова: техногенное сырье, сунгулит (лизардит), вермикулит, минеральный состав, гранулометрический состав, измельчение, гравитационное обогащение, природоохранные технологии

За годы работы предприятия «Ковдорслюда», эксплуатировавшего на Кольском полуострове флогопит-вермикулито-вое месторождение (в настоящее время является банкротом), накопилось значительное количество горно-обогатительных отходов, образующихся при добыче и переработке руд. Так, вскрышные породы открытой добычи флогопита, представляющие собой вермикулитовое сырье разного качества, складировались и общая площадь таких складов составляет более 200 тыс. м2, из них склады вермикулит-сунгулитовых отходов (ВСО) занимают площадь порядка 70 тыс. м2 [1]. Известно, что вермикулит и сунгулит являются природными сорбентами, обладающими высокими адсорбционными, каталитически-

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-186-193

ми и ионообменными свойствами [2—4].

Сунгулит — местное, ныне устаревшее название минерала слоистого строения, обнаруженного в Кольском массиве еще в середине прошлого века. Рентгеновское изучение образцов сунгулита из пробы руды показало, что структура его соответствует лизардиту. По современной классификации он относится к филлосиликатам из группы каолина-серпентина [5]. Химическая формула MgзSi2O5(OH)4. Магний может изоморфно замещаться Fe, Mn. Кристаллизуется в гексагональной сингонии. Содержание MgO, SiO2 и Fe2O3 в среднем составляет соответственно около 38,0; 40,0 и 1,5%. Жирный на ощупь, содержит большое количество воды, потери массы при прока-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 186-193. © С.В. Терещенко, С.А. Алексеева, Е.Д. Рухленко, И.П. Кременецкая, И.А. Мосендз. 2017.

Классы крупности, мм Классы крупности, мм

Рис. 1. Гранулометрические характеристики: исходного продукта

ливании — более 16%. Удельный вес сун-гулита колеблется от 2,05 до 2,45 г/см3.

Вермикулит — водный филлосиликат Mg, Fe3+, А1 с гидроксилом, относящийся к группе смектитов. Химическая формула Fe, А1)еф, А1)8020(0Н)4  8Н2О. Является продуктом вторичного изменения (гидролиза и последующего выветривания) слюд серии биотита. Плотность 2,2—2,6 г/см3. Обладает высокой емкостью катионного обмена. При нагревании до температуры 900—1000 °С вспучивается и увеличивается в объеме в 15—25 раз. Потери массы чистого вермикулита при прокаливании 18—21%.

Наличие во вскрышных породах этих минералов является благоприятным фактором для использования ВСО в природоохранных технологиях. Сунгулит является исходным сырьем для получения магнезиально-силикатного реагента, используемого для нейтрализации кислотности почвенных растворов и атмосферных осадков, а термовермикулит служит гидропонной основой для создания травяной дернины при рекультивации техногенного грунта [6]. С целью использования уникальных свойств этих минералов проведены исследования, направленные на создание технологии их извлечения из складированных отходов.

Разработка технологии обогащения вермикулит-сунгулитового сырья проводилось на материале крупнообъемной пробы массой около 20 т, отобранной

в районе складирования отвалов ООО «Ковдорслюда». По своему гранулометрическому составу проба представлена мелкокусковым материалом, в котором преобладают частицы крупностью менее 10 мм, их количество составляет 85% от всей массы отобранного продукта (рис. 1, а). На долю фракции +20 мм приходится чуть более 6%, причем здесь присутствуют куски различной крупности, вплоть до 100—200 мм.

Оценка минерального состава показала, что содержание целевых минералов сунгулита (лизардита) и вермикулита примерно одинаковое и составляет по 19—21%, на долю прочих минералов приходится около 60%. Среди прочих минералов выделены — пироксен, оливин, окислы и гидроокислы железа, титаномагнетит, полевой шпат, кварц, нефелин, антигорит, цеолиты, кальцит. Пироксены в исследуемой пробе являются основными породообразующими минералами пироксенитов и оливин-пи-роксеновых пород и по составу соответствуют авгит-диопсидам [7]. Плотность пироксенов и оливина составляет 3— 3,5 г/см3. Некоторые из них обладают магнитными свойствами.

В практике обогащения разделение вермикулитсодержащих руд обычно проводится гравитационными методами, основанными на разнице в форме частиц вермикулита и минералов породы [8]. Поскольку преобладающая крупность ис-

-2.0+1.0 -1.0+0.63 -0.63+0.4 -0.4+0.2 -0.2+0.1 -0.1+0

Классы крупности, мм

Рис. 2. Содержание и распределение потерь при прокаливании (ппп) в питании гравитации по узким классам крупности

ходного сырья составляет менее 10 мм, то наиболее целесообразной представляется технология зернистого гравитационного обогащения.

Доизмельчение до гравитационной крупности проводилось в стержневой мельнице, являющейся основным из-мельчительным аппаратом на гравитационных фабриках и обладающей высокой избирательностью по крупности с образованием минимального количества шламов. Гранулометрическая характеристика продукта измельчения показывает достаточно равномерное распределение материала по классам крупности, при этом содержание тонкозернистой фракции (-0,1 мм) не превысило 23% (рис. 1, б).

Для данного вида сырья характерна близость химического состава минералов, поэтому условно, по компоненту ппп (потери при прокаливании при £ = = 1000 °С), проводился анализ распределения в продукте сунгулита и вермикулита (рис. 2). Около 25% целевых минералов перешло в класс крупностью менее 0,1 мм, что свидетельствует о их склонности к переизмельчению. Полученные данные согласуются с прочностными характеристиками минералов: твердость вермикулита и сунгулита в среднем в 3 раза ниже, чем основных породных минералов, и по шкале Мооса составляет 1—4, а пироксенов и оливина — 5—7.

При разработке технологии обогащения отходов добычи флогопита, основополагающим условием было создание наиболее простой и наименее энергозатратной схемы разделения исходного сырья. Предлагаемая технология обогащения сырья ВСО включает в себя гидравлическую сепарацию, винтовую сепарацию и концентрацию на столах (рис. 3).

Для гидравлической сепарации использована специальная модель гидравлического сепаратора с восходящими потоками разделительной среды для удаления шламовых и слюдяных частиц из питания винтового сепаратора. Эффективность классификации по классу 0,1 мм составила более 70%.

Винтовые сепараторы выбраны как наиболее распространенные и эффективные аппараты для обогащения песков средней крупности. Они имеют высокую производительность, просты по конструкции и занимают небольшую площадь, т.е. обладают высокой удельной производительностью. Разделение проводилось с использованием винтового сепаратора ВСР-500 при производительности около 170 кг/ч и содержании твердого в питании 10%. В данном случае концентрат винтового сепаратора являлся хвостами обогащения, поскольку в этот продукт преимущественно перешли наиболее тяжелые породные частицы. Самые легкие и тонкозернистые частицы собиралась у внешнего борта сепаратора, а промпро-

Рис. 3. Схема гравитационного обогащения вермикулит-сунгулитового сырья

дукт поступал на перечистку на концентрационных столах.

Поскольку концентрационные столы имеют малую удельную производительность и требуют больших площадей для установки, то их, как правило, используют для перечистки продуктов винтовой сепарации. Концентрация проводилась на столе СК0-0.5. Процесс протекал достаточно эффективно, на поверхности стола четко просматривались вееры сунгу-лита и темноцветных минералов.

Конечными продуктами по схеме являются два сунгулитсодержащих продукта (зернистый, шламовый) и хвосты (рис. 3). Общий вид, гранулометрический и минеральный состав продуктов представлены на рис. 4—6.

По гранулометрическому составу продукты существенно отличаются друг от друга (рис. 5). Введение в схему гидравлической сепарации позволило выделить тонкозернистую фракцию крупностью -0,1 мм в голове процесса, ее количество в шламовом сунгулитсодержащем продукте составило более 60%, средний диаметр частиц в продукте — 0,11 мм. Зернистый сунгулитсодержащий продукт является наиболее крупным из всех, средний диаметр частиц в нем составил 0,95 мм, причем количество класса меньше 0,1 мм не превысило 16%. При этом продукты характеризуются близкими содержаниями сунгулита и вермикулита (30 и 31% сунгулита, 30 и 36% вермикулита) (рис. 6). Из прочих примесей

Рис. 4. Общий вид конечных продуктов, увеличение 15х: сунгулитсодержащий зернистый продукт

в продуктах присутствуют зерна минералов — преимущественно кварца и полевого шпата, реже диопсида, а также обломки мелкокристаллических фенитов и лейкократовых сиенитов. Большая часть примесей имеет удельный вес, близкий сунгулиту, поэтому при гравитационном обогащении концентрируются в одном продукте. Полученное качество концентратов является достаточным для их использования в природоохранных технологиях. Извлечение полезных минералов в совокупный сунгулитсодержащий продукт составило около 85% сунгулита, около 95% вермикулита.

Хвосты обогащения по крупности занимают промежуточное положение между сунгулитсодержащими концентратами, средний диаметр частиц в продукте — 0,63 мм. По цвету они значительно темнее концентратов, поскольку более чем на 90% представлены наиболее тяжелыми породами и минералами пробы: обломками пироксен-оливиновых пород и индивидуальными зернами слагающих

их минералов (пироксен и оливин, часто с включениями магнетита и окислов железа). Потери сунгулита с хвостами составили около 15%, вермикулита — 4,4%. Данный продукт может быть использован в материалоемком производстве строительных материалов. Предварительные испытания показали возможность получения из гравитационных, преимущественно пироксенитовых, хвостов керамических материалов строительного назначения методом полусухого прессования.

Продукты обогащения сунгулит-вер-микулитового состава предназначены для использования в природоохранных технологиях в качестве материалов, обладающих сорбционной активностью по отношению к таким приоритетным эко-токсикантам, как тяжелые металлы (ТМ). Относительно низкая стоимость и большие запасы сырья позволяют использовать продукты, полученные в результате обогащения ВСО, для иммобилизации распределенного загрязнения в пределах импактной зоны металлургических

Рис. 6. Минеральный состав конечных продуктов, %

Рис. 7. Травяной покров, сформированный на техногенном грунте с использованием мелиоранта из отходов добычи флогопита

предприятий. Полевые эксперименты по использованию концентратов сунгулит-вермикулитового состава для рекульти-вационных мероприятий проводились в окрестностях г. Мончегорск в зоне влияния АО «Кольская ГМК».

Предусмотрено два способа снижения подвижности ТМ — хемофитостаби-лизация техногенного грунта и обработка реагентом водных объектов с высокой степенью загрязнения ТМ. Шламовый продукт можно использовать в качестве мелиоранта при рекультивации техногенного грунта, зернистый — для получения магнезиально-силикатного реагента а также для создания гидропонной основы искусственных фитоценозов на мелиорантах.

В целом химический состав ВСО является благоприятным для выращивания растений, что подтвердили как результаты камеральных опытов по формированию травяной дернины, так и полевые испытания данного субстрата в условиях Мончегорской техногенной пустоши. Внешний вид травяного покрова, сформированного с применением продуктов из ВСО, свидетельствует о его устойчивости по отношению к неблагоприятным факторам загрязнения атмосферного воздуха, растения распространяются вегетативным и генеративным путем, об-

ладают большим количеством биомассы, подземных органов и опада (рис. 7).

Получение сорбционно активных материалов на основе сунгулита и вермикулита предусматривает обжиг исходного сырья, причем для обжига вермикулита разработаны модульно-спусковые печи, в которых реализован механизм термоудара, наиболее эффективного способа получения термовермикулита. Для обжига в таких печах можно использовать только зернистый материал, частицы которого способны скатываться по наклонной поверхности, контактирующей с термонагревателями. Проведены экспериментальные обжиги зернистого продукта, материал, полученный, в оптимальном режиме, испытан в качестве реагента для очистки загрязненного водного объекта. Согласно результатам экспериментов, магнезиально-силикатный реагент из зернистого продукта обогащения ВСО эффективно снижает концентрации никеля и меди, степень очистки составляет 90—95%.

В результате выполнения исследований по обогащению ВСО и применению полученных продуктов для различных целей установлено, что данные отходы могут служить источником сырья для получения полезных продуктов, в том числе материалов природоохранного назначения.

Следовательно, проделанная работа позволяет перевести заскладирован-ные отходы добычи флогопитовых руд в категорию техногенных месторождений. Данное техногенное сырье является конкурентоспособным, перспективным минеральным ресурсом, использование которого может обеспечить не только технико-экономический эффект, но попутно достигнуть улучшения экологической обстановки в районе их складирования и изменения в лучшую сторону экологического состояния водных и почвенных объектов края.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.murman.ru/ecology/cadastre/3-9.html

2. Кременецкая И. П., Лащук В. В., Волочковская Е. Ю., Дрогобужская С. В., Морозова Т. А. Применение магнезиально-силикатного реагента для очистки от тяжелых металлов природно-антропогенных водных источников, расположенных в зоне воздействия ОАО «Кольская ГМК» (площадка Мончегорск) // Цветные металлы. — 2012. — № 7. — С. 35—40.

3. Месяц С. П. Версойл — природный сорбент для снижения нефтяных загрязнений // Наука Москвы и регионов. — 2004. — № 2. — С. 64—70.

4. Месяц С. П., Скороходов В. Ф., Остапенко С. П. Современный способ очистки сточных вод предприятий горнопромышленного комплекса с использованием сорбентов нового поколения / Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли — формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции с участием иностранных специалистов, 13—15 октября 2014, в 2 т. Т. 1. Российская академия наук, Горный ин-т Кольского научного центра РАН. — Апатиты-СПб.: Реноме, 2014. — С. 370—374.

5. Malcolm E. Back, Joseph A. Mandarino. Fleischer's Glossary of Mineral Species 2008 (tenth edition): Mineralogical Record Inc., P.O. Box 35565, Tucson, Arizona 85740, U.S.A., 346 p.

6. Калинников В. Т., Кременецкая И. П., Иванова Л.А., Слуковская М. В., Горбачева Т. Т., Алексеева С.А., Лащук В. В., Дрогобужская С. В. Приемы адаптивных технологий при создании культурфитоценозов в условиях техногенных ландшафтов Субарктики, загрязненных тяжелыми металлами // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2014. — № 2. — С. 78—88.

7. Кухаренко А. А. и др. Каледонский комплекс ультраосновных, щелочных пород и карбо-натитов Кольского полуострова и Северной Карелии. — М.: Недра, 1965. — 772 c.

8. Карасева Т.П., Гершенкоп А.Ш., Сычук В.Ф. Обогащение вермикулитовых руд. — Л.: Наука, 1972. — 140 c. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Терещенко Сергей Васильевич1 — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, e-mail: tereshchenko@goi.kolasc.net.ru, Алексеева Светлана Александровна1 — научный сотрудник, e-mail: alekseeva@goi.kolasc.net.ru, Рухленко Елена Дмитриевна1 — ведущий технолог, Кременецкая Ирина Петровна2 — кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Мосендз Ирина Александровна2 — младший научный сотрудник,

1 Горный институт Кольского научного центра РАН,

2 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 186-193.

UDC 622.7

S.V. Tereshchenko, S.A. Alekseeva, E.D. Rukhlenko, I.P. Kremenetskaya, I.A. Mosendz

PHLOGOPITE MINING WASTE PROCESSIBILITY

The paper presents the research aimed at substantiation of potential industrial development of mining raw materials from JSC Kovdorsluda (the Kola Peninsula). It has been shown that presence of vermiculite and sungulite (lizardite) in stripping rocks from open phlogopite production is a favorable factor for using the wastes in eco-technologies. A gravity processing technology has been developed for vermiculite-sungulite waste. The technology includes a hydraulic separation, screw separation

and recleaning on concentration tables and allows producing slime and grained sungulite-bearing products. The yield of useful minerals into the cumulative sungulite-bearing product was approximately 85% of sungulite and about 95% of vermiculite. It has been established that the concentration tails are presented by the heaviest rocks and minerals such as pyroxene-olivine rock pieces and separate grains of composing minerals (pyroxene and olivine, including inclusions of magnetite and iron oxides) by 90% and more. The gravity concentration slime product was used as an ameliorant during mining-made soil remediation; the grained product was applied as an ameliorant for producing a magnesian-silicate reagent as well as for creating a hydroponic basis of artificial phytocenoses on ameliorants. The paper gives the field study results on use of sungulite-vermiculite concentrates for remediation arrangements at mining-polluted areas. The studies show that application of ver-miculate-sungulite production waste for environment protection will allow changing to the better the environmental state of water and soil objects polluted with mining-metallurgy industry and will contribute to recycling of the JSC Kovdorsluda wastes stockpiling of which on large areas has a negative impact on a natural landscape.

Key words: mining raw material, sungulite (lizardite), vermiculite, mineral composition, granulo-metric composition, grinding, gravity concentration, eco-technologies.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-186-193

AUTHORS

Tereshchenko S.V.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

Head of Laboratory, e-mail: tereshchenko@goi.kolasc.net.ru,

Alekseeva S.A.1, Researcher, e-mail: alekseeva@goi.kolasc.net.ru,

Rukhlenko E.D1, Leading Technologist,

Kremenetskaya I.P.2, Candidate of Technical Sciences,

Senior Researcher,

Mosendz I.A.2, Junior Researcher,

1 Mining Institute of Kola Scientific Centre

of Russian Academy of Sciences, 184209, Apatity, Russia,

2 Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials named after I.V. Tananaev, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences, 184209, Apatity, Russia.

REFERENCES

1. http://www.murman.ru/ecology/cadastre/3-9.html

2. Kremenetskaya I. P., Lashchuk V. V., Volochkovskaya E. Yu., Drogobuzhskaya S. V., Morozova T. A. Tsvetnye metally. 2012, no 7, pp. 35-40.

3. Mesyats S. P. Nauka Moskvy i regionov. 2004, no 2, pp. 64-70.

4. Mesyats S. P., Skorokhodov V. F., Ostapenko S. P. Ekologicheskaya strategiya razvitiya gorno-dobyvayushchey otrasli formirovanie novogo mirovozzreniya v osvoenii prirodnykh resursov: sbornik dokladov Vserosciyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s uchastiem inostrannykh spetsialistov, 13—15 oktyabrya 2014, v 2 t. T. 1. (Environmental strategy for mining industry and shaping a new outlook for resource development: Proceedings of All-Russian Conference with the participation of foreign experts, 13—15 October 2014, b 2 vol., vol. 1), Apatity-Saint-Petersburg, Renome, 2014, pp. 370—374.

5. Malcolm E. Back, Joseph A. Mandarino. Fleischer's Glossary of Mineral Species, 2008, tenth edition: Mineralogical Record Inc., P.O. Box 35565, Tucson, Arizona 85740, U.S.A., 346 p.

6. Kalinnikov V. T., Kremenetskaya I. P., Ivanova L. A., Slukovskaya M. V., Gorbacheva T. T., Alekseeva S. A., Lashchuk V. V., Drogobuzhskaya S. V. Vestnik Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2014, no 2, pp. 78—88.

7. Kukharenko A. A. Kaledonskiy kompleks ultraosnovnykh, shchelochnykh porod i karbonatitov Kol'skogo poluostrova i Severnoy Karelii ( Caledonian ultrabasic and alkaline rocks and carbonatites of the Kola Peninsula and North Karelia), Moscow, Nedra, 1965, 772 p.

8. Karaseva T. P., Gershenkop A. Sh., Sychuk V. F. Obogashchenie vermikulitovykh rud (Vermiculite ore processing), Leningrad, Nauka, 1972, 140 p.