Кирилл Соловьев,
Муниципальное учреждение дополнительного образования Центр дополнительного образования «Малая академия наук Импульс», Московская обл., г. Черноголовка
Т.Н. Ковальская,
к.г.-м.н., ученый секретарь Института экспериментальной минералогии Российской академии наук
В 2022 г. в ходе геологической экспедиции геошколы МУДО ЦДО «МАН Импульс» я посетил Ловозерский щелочной массив, на котором с конца 1930-х годов добывают минерал лопарит. Он является сырьём для выделения таких химических элементов, как редкоземельные (REE), тантал, ниобий и др. Эти элементы, в свою очередь, являются стратегическими металлами, используемыми в различных сферах промышленности, поэтому их добыча является важной задачей. Но поскольку ресурсы нашей планеты не безграничны, а Ловозерское месторождение лопарита разрабатывается достаточно давно, запасы лопарита в чистом виде там с каждым годом уменьшаются и вскоре могут иссякнуть совсем. Однако при добыче лопаритовой руды большинство минералов-спутников лопарита сбрасываются в «хвосты» – ненужные остатки, которые утилизируют в озера или «хвостохранилища» (рис. 1). Хранилища хвостов обогащения руд редких металлов разрушаются вследствие ветрового воздействия, химического выветривания, что приводит к переносу пылеватых частиц и миграции загрязняющих веществ с водными потоками. Большинство минералов Ловозерского щелочного массива содержат в себе Sr, REE, а иногда U или Th. Таким образом, они представляют собой опасный источник загрязнения окружающей природной среды, а следовательно, могут влиять на здоровье населения региона. Именно поэтому я задался вопросом: каким образом можно определить и показать способы переработки «хвостов» с пользой и безопасностью для окружающей среды?
Рис. 1. Хвостохранилище Ловозерского ГОКа
Целью моего исследования являлось определение элементов, которые можно выделить из минералов-спутников лопарита, проведение экспериментов с оставшимися после добычи лопарита минералами, а также выявление способа переработки минеральных хвостов.
Материалы и методы исследования
Мною были отобраны образцы минералов, остающихся при добыче лопарита, и я стал готовить их к проведению микрозондового анализа. Мы с моим научным руководителем залили смесью эпоксидной смолы и отвердителя в соотношении 2:1 образцы минералов, отобранных на Ловозерском массиве. Когда смола затвердела, достали образцы из формы для заливки и отполировали их на шлифовальном станке «Полилаб» с использованием алмазной пасты. После этого отправили препараты на микрозондовое исследование в лабораторию Физических методов исследования ИЭМ РАН для исследования на микроскопе Tescan MV2300 (VEGA TS 5130MM) с энергодисперсионным спектрометром INCA Energy 350. Нанесли слой углеродного напыления, исследовали материал (рис. 2) и определили химический состав образцов. Микрозондовые снимки до проведения эксперимента были сделаны с целью определения химического состава образцов.
Рис. 2. BSE-снимок препаратов с образцами пород Ловозерского хвостохранилища в первоначальном виде. Цифрами (1-44) обозначены точки проведения анализа в образцах
Принцип действия микрозондового (BSE) анализа:
1) Генерация пучка электронов, который собирается электромагнитными линзами в узкий пучок – электронный зонд.
2) Попадая в образец, зонд выбивает электроны с оболочек атомов вещества, которые создают характерное для каждого определенного элемента рентгеновское излучение. Таким образом происходит определение химического состава образца. Концентрации элементов определяются по интенсивности излучения.
Рис. 3. Минеральный состав хвостов I и II полей (рисунок из открытых источников http://geoksc.apatity.ru/fersman/FNS.2020.17.023.pdf)
После произведенных микрозондовых анализов в лаборатории Физических методов исследования вещества ИЭМ РАН и микрозондовых снимков образцов Ловозерского хвостохранилища были выявлены такие минералы, как червандонит, ферриаланит, виканит, лобановит, феррикерсутит, манганнептунит, ловенит, лабунцовит, карнасуртит и многие другие минералы, содержащие в своем составе Sr, Ti, Mn, Fe, Zn, Nb, W, REE (La, Ce, Nd), а также радиоактивные U и Th. Также в основных породах Ловозерского массива находятся полевые шпаты (K, Na, Ca).
Эксперимент
Для изучения эффективности извлечения REE, Ta и Nb проведены эксперименты по их выщелачиванию из хвостов хвостохранилища рудника Карнасурт (Ловозерский массив, Кольский полуостров):
В качестве реагентов использовались 2Н HCl (двухнормальный раствор), а также раствор 20% NaOH.
1) Измельчение до порошкового-мелкофракционного состояния смеси минералов хвостохранилищ с рудника Карнасурт (рис. 4.1).
2) Высушивание смеси в сушильном шкафу, взвешивание готовой смеси: 2.4 г (рис. 4.2).
3) Помещение смеси в автоклавы, добавление реагентов HCl и NaOH (рис. 4.3).
4) Установка автоклавов в сушильный шкаф сроком на 1 неделю при постоянной температуре 90°С (рис. 4.4).
Рис. 4 (1-4). Этапы эксперимента
5) Завершение температурного воздействия на растворы, отделение твёрдой части смеси от раствора (рис. 5.5).
6) Высушивание отделенной твёрдой части в сушильном шкафу, подготовка препаратов для микрозондового исследования (рис. 5.6).
7) Проведение микрозондового исследования смеси пород после воздействия реагентов, определение химического состава твёрдой части смеси (рис. 5.7, 6).
8) Проведение качественных реакций на выделение редкоземельных элементов, Sr, Nb, Ti, Ce из оставшихся растворов.
Рис. 5 (5-7). Этапы эксперимента
Рис. 6. BSE-снимки образцов после воздействия HCl и NaOH
Выделение REE из растворов
1) Разбавление растворов (с HCl и NaOH) с катионами, перешедшими в раствор, в 2 раза дистиллированной водой.
2) Розлив растворов по 4 колбам: (2 HCl, 2 NaOH).
3) Проведение качественных реакций на выделение REE в растворе HCl:
Раствор HCl: La3++NaOH+H2O2=> La (ООН) (ОН)2 (белые кристаллы) (рис. 7.1);
Раствор HCl: Sr2++Na2SO4=> SrSO4 (белый осадок) (рис. 7.2);
Раствор HCl: Nb5++ (С6H5)2NH => органическое соединение с ниобием (фиолетовый осадок) (рис. 7.3);
Рис. 7 (1-3). Выделение REE из раствора HCl
Раствор HCl: Ce3++NaOH+H2O2 => Ce (ООН) (ОН)2 (коричневый осадок) (рис. 8.1, 8.2).
4) Проведение качественных реакций на выделение REE в растворе NaOH:
Раствор NaOH: Fe3+, Fe2+ + NaOH+H2O2 => Fe (OH)3 (бурый осадок) (рис. 8.3).
Рис. 8 (1-3). Выделение REE из растворов HCl и NaOH.
Переработка минералов хвостохранилищ Ловозерского щелочного массива
При воздействии HCl на минералы с хвостохранилища выносятся Ce, Sr, Nb, La (таблица 1).
Таблица 1 Содержание REE в твердой фазе (в весовых процентах (Wt%)) до/после воздействия реактивов на смесь с Ловозерского хвостохранилища
При воздействии NaOH выносятся содоподобные компоненты и происходят сильные вторичные изменения (власовит, паракелдышит), также выносится Fe (III) (таблица 1).
Таким образом, обрабатывая остатки, предназначенные для сброса в хвостохранилища, соляной кислотой или NaOH, можно выделить значительное количество необходимых элементов, добываемых из лопаритовой руды.
Данный способ благоприятен для экологической сферы, поскольку снижает количество токсичных отходов.
Из использованных растворов HCl и NaOH можно также выделить элементы, перешедшие в раствор, очистить и использовать повторно.
Выводы работы:
1. Установлено, что смесь минералов Ловозерского щелочного массива действительно богата REE.
2. Успешно проведён эксперимент по переработке отходов хвостохранилища.
3. Показано, какие элементы можно выделить из минералов Ловозерского хвостохранилища.
4. Показано, какие элементы и в каком процентном соотношении остались в твёрдой фазе, перешли в раствор.
5. Доказаны преимущества переработки минералов хвостохранилищ для экологии.
Список литературы
1. Сайт ГИ КНЦ РАН [Электронный ресурс] Геоэкологическая оценка современного состояния разновозрастных хвостохранилищ рудника Карнасурт: Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН / Горячев А.А., Лащук В.В., Красавцева Е.А., Алфертьев Н.Л., Макаров Д.В.; 2020. 17. С. 128–132. – URL: http://geoksc.apatity.ru/fersman/FNS.2020.17.023.pdf.
2. Тезисы докладов Всероссийского ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ВЕСЭМПГ-2021); Москва, 25-26 мая 2021 г.
3. Хвостохранилища и очистка сточных вод: Учеб. пособие / Г. Г. Чуянов; Урал. гос. горно-геол. акад. – Екатеринбург: УГГГА, 1998. – 244 с.
4. Оборотное водоснабжение и подготовка хвостов к складированию / Вовк Н.Е. Издание: Недра, Москва, 1977. – 150 с.
5. Ловозерский массив: история исследования, пегматиты, минералы. Автор(ы): Пеков И.В. Редактор(ы): Когарко Л.Н. Издание: Творческое объединение Земля, Москва, 2001. – 464 с.
6. Глава 3. Геология 3.1. Геоморфология и рельеф [Электронный ресурс] – URL: https://pogoda51.ru/glava-3-geologiya-3-1-geomorfologiya-i-relef.
7. Открытая систематизированная база информации о минералах и их месторождениях Webmineral.ru [Электронный ресурс] Минералы и месторождения России и стран ближнего зарубежья. Схематическая геологическая карта северо-восточного склона горы Карнасурт (правый борт 2-го Восточного ручья) URL: https://webmineral.ru/deposits/photo.php?id=5028.
№ 1 (15) / 2024
