Исследование состояния складированных отходов рудообогащения методом термодинамического моделирования при создании биогеобарьера для сохранения минерального сырья

© С.П. Месяц, С.П. Остапенко, 2012

УДК 622.7.016:550.462:621.796 С.П. Месяц, С.П. Остапенко

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ СКЛАДИРОВАННЫХ ОТХОДОВ РУДООБОГАЩЕНИЯ МЕТОДОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ БИОГЕОБАРЬЕРА ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СЫ1РЬЯ

Методом термодинамического моделирования исследовано химическое выветривание отходов рудообогашения апатит-нефелиновых руд в присутствии и без био-геобарьера. Результаты моделирования свидетельствуют о целесообразности создания биогеобарьера для сохранения техногенного минерального сырья. Ключевые слова: техногенное минеральное сырье, отходы рудообогашения, химическое выветривание, сохранение, биогеобарьер, термодинамическое моделирование.

Складированные отходы рудообогашения, представляющие собой дезинтегрированные горные породы, подвергаются более интенсивному воздействию климатических факторов, чем ненарушенные породы в горном массиве, следствием чего является изменение вешествен-ного состава и свойств техногенного минерального сырья в поверхностном слое отвалов отходов рудообогаше-ния в результате химического выветривания. Главным действующим фактором химического выветривания является вода, поступающая в виде атмосферных осадков и распространяющаяся с поверхности вглубь складированного минерального сырья. При этом вода выступает одновременно в роли реагента (реакции гидратации, гидролиза) и реакционной среды (растворение минералов, кислорода, углекислого газа). Направленность процессов химического выветривания, равновесный состав минеральных и водной фаз могут быть оценены по термодинамическим потенциалам минералов и компонентов

водного раствора методом термодинамического моделирования минимизацией свободной энергии Гиббса рассматриваемой системы.

В качестве объекта компьютерного моделирования термодинамического состояния минерального сырья техногенных месторождений определен поверхностный слой (зона аэрации) отвалов отходов рудообогащения апатито-нефелиновой обогатительной фабрики АНОФ-2 ОАО «Апатит». Содержание основных компонентов отходов рудо-обогащения в поверхностном слое (0.2м) представлены в табл. 1.

Основными элементами химического состава поверхностного слоя отходов рудообогащения, помимо кислорода, являются кремний, алюминий, элементы щелочной группы, кальций, железо, фосфор, магний, фтор - в сумме оксидов составляющие 94 % массы отходов. При моделировании состояния техногенного минерального сырья рассматривалась 13 элементная система Н- С - N - О - Р - № - Мд - А1 - Б1 - Р - К - Са -Ре (Н, С, N введены в моделируемую

Химический состав поверхностного слоя

Компоненты SiO2 AI2O3 Na2O К2О СаО Fe2O3 Р2О5 FeO MgO F

Содержание, масс. % 42.16 19.74 9.7 6.14 5.03 4.85 1.92 1.76 0.97 0.32

30

Рис. 1. Расчетные зависимости содержания в продуктах выветривания новообразованных минералов и рН равновесного раствора от степени химического выветривания техногенного минерального сырья в поверхностном слое хвостохра-нилиша АНОФ-2 ОАО «Апатит» (давление 1 бар, температура 25°С).

систему для учета составов атмосферных газов и воды).

Термодинамическое моделирование выполнено с помощью програм-ммы «Селектор» (Институт геохимии СО РАН) и ее некоммерческого аналога - GEM-Selector (Paul Scherrer Institute, Швейцария).

Расчетами показано, что в широком диапазоне значений рН устойчивыми к растворению в дождевых осадках в поверхностном слое в зоне аэрации являются апатит и эгирин, при pH>7 также устойчив сфен. Нефелин и полевой шпат, составляющие около 50 % массы отходов рудообо-

гашения, термодинамически неустойчивы в водных растворах при любых значениях рН, поэтому в процессе химического выветривания содержание нефелина и полевого шпата в поверхностном слое техногенного минерального сырья уменьшается, сопровождаясь появлением новообразованных минералов и минерализацией водного раствора.

Степень химического выветривания техногенного минерального сырья определялась как отношение реа-гируюшей массы минерального сырья к массе воды. На рис. 1 приведены расчетные зависимости содержания в

Расчетный состав равновесного водного раствора, прошедшего через бногеобарьер на складированных отходах рудообогашения АНОФ-2 ОАО «Апатит»

Компоненты К+ СаС29Н210х9 ' НСОэ" Са2 Б102 Н2РО4"

Содержание, мг/кг воды 10.5 9.17 5.63 3.15 2.07 1.08 0.113

'Примечание: СаС^Н^О^ — кальциевая соль фульвокислоты

60

10' 10' 1С* 10" 10' Степень химического выветривания

—В-гётит гидрокеилапатит —монтмориллонит —халцедон—(—гиббсит ф иллит

Рис. 2. Расчетные зависимости содержания в продуктах выветривания новообразованных минералов и рН раствора от степени химического выветривания техногенного минерального сырья под биогеобарьером

продуктах выветривания новообразованных минералов и рН равновесного раствора от степени химического выветривания техногенного минерального сырья в поверхностном слое хвостохранилиша АНОФ-2 ОАО «Апатит».

Степень химического выветривания техногенного минерального сырья, соответствуюшая рН«7 водных растворов в поверхностном слое складированных отходов рудообога-шения, оценивается величиной ~10—5. По расчетным данным при этой степени химического выветривания основными продуктами выветривания

техногенного минерального сырья являются гиббсит, монтмориллонит и гётит и др. (рис. 1).

Методом термодинамического моделирования выполнено исследование химического выветривания техногенного минерального сырья при наличии биогеобарьера. Изучено взаимодействие техногенного минерального сырья с дождевой водой в присутствии атмосферных газов и орга-номинеральных соединений гумино-вых и фульвокислот биогеобарьера. Установлена концентрация компонентов состава равновесного водного раствора, прошедшего через биогео-

барьер, созданный для сохранения техногенного минерального сырья на отвалах отходов рудообогашения АНОФ—2 ОАО «Апатит», являюшихся тестовым объектом, где систематические наблюдения в ходе мониторинга за состоянием биогеобарьера ведутся в течение 29 лет (табл. 2).

Как видно из таблицы, в составе водного раствора, прошедшего био-геобарьер, основными являются катионы калия, натрия, кальция, анион — бикарбонат-ион, а также электронейтральные кальциевая соль фульвокис-лоты и диоксид кремния. Отсутствие в растворе катионов и соединений магния объясняется его переходом из раствора в кристаллическую решетку новообразованных минералов.

Для определения влияния биогео-барьера на состояние техногенного минерального сырья в поверхностном слое исследовано его химическое выветривание при взаимодействии с прошедшим через биогеобарьер раствором. На рис. 2 представлен результат расчетов взаимодействия техногенного минерального сырья с водным раствором, прошедшим через биогеобарьер, в виде зависимости содержания в продуктах выветривания

новообразованных минералов и рН раствора от степени химического выветривания сырья.

Как видно из рис. 2, согласно расчетным данным взаимодействие водного раствора, прошедшего биогео-барьер, с техногенным минеральным сырьем при рН=7 сопровождается образованием ассоциации тех же минералов, которые образуются при химическом выветривании в поверхностном слое техногенного минерального сырья в отсутствии биогео-барьера (гиббсит, гётит, монтмориллонит и др.). Однако, степень выветривания техногенного минерального сырья под биогеобарьером (~10-7) меньше степени его выветривания без биогеобарьера (~10-5).

Создание биогеобарьера не приводит к увеличению степени химического выветривания в нижележашем слое техногенного минерального сырья, и состав образуюшейся под биогео-барьером ассоциации минералов совпадает с вешественным составом продуктов его химического выветривания без биогеобарьера, что свидетельствует о целесообразности создания био-геобарьера для сохранения техногенного минерального сырья, [»тез

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Месяц С.П. — заведующий лабораторией, старший научный сотрудник, e-mail: mesyats@goi.kolasc.net.ru

Остапенко С.П. — кандидат технический наук, старший научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Горный институт Кольского научного центра РАН, e-mail: lirabis@goi.kolasc.net.ru.

А