Минеральные высокодисперсные системы

Дигидратный фосфогипс включает механически разрушенную горную породу (апатиты), обработанную серной кислотой с добавлением после экстракции Р₂О₅ известкового раствора; отличается значительным содержанием в составе продукта нерастворимых соединений (CaO, S, Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO); растворимых соединений в фосфогипсе чрезвычайно мало (не более 0, 2%). Поскольку нерастворимые компоненты фосфогипса гидратированы мало и в своем составе они лишены органических соединений, их взаимной коагуляции не происходит и структурные агрегаты в чистом виде не образуются, что и определяет сходство свойств фосфогипса независимо от производства, а различия зависят от специфики химического состава породы и технологии экстракции фосфорной кислоты [6, 32, 42].

По физико-химической характеристике дигидратный фосфогипс — нетоксичный пастообразный высокодисперсный сульфат кальция (CaSO₄ x 2H₂O) с примесью неразложившегося фосфата, фосфорнокислых солей и силикатов. Высокая дисперсность фосфогипса обусловлена специфичностью его физического состава, представленного системой тонко размолотых частиц коллоидного вещества, распределенных в однородной среде; его коллоиды отличаются малой скоростью диффузии, не проникают через тонкопористые мембраны клеточных структур и характеризуются неравновесной растворимостью [37, 38].

Из физических структур в фосфогипсе преобладают фракции, относящиеся к физическому песку (до 80%). Долевое участие тонкодисперсной физической глины, обусловливающей процессы коагуляции субстрата, колеблется от 20 до 23%.

Основу физического песка составляют соединения кремния, который широко используется растительными и животными организмами для построения оболочек клеток, прочных тканей и скелета; его средняя концентрация в наземной растительности составляет примерно 0, 5% на сухое вещество. В организме человека его содержание незначительное — всего около 20 грамм. Его биологическая роль до конца не выяснена. Установлено, что этот элемент влияет на метаболизм липидов и участвует в образовании эпителиальных (поверхностных) слоев кожи и внутренних органов (в основном дыхательных путей) [5].

По данным различных авторов в состав фосфогипса входит до 95% дигидрата сульфата кальция, до 3−4% фосфорных соединений, до 1, 5% примесей (микроэлементов, тяжелых металлов и неметаллов) [1, 36]. В процессе производства для экстракции фосфорных соединений на производстве применяется серная кислота, определяющая весьма сильнокислую реакцию фосфогипса (рН около 3, 0). Технологии, внедренные в последние годы на Белореченском химзаводе, позволили повысить рН (понизить кислотность) фосфогипса до 5, 5.

В фосфогипсе большая масса приходится на кальций — в расчете на элемент от 25 (сырой фосфогипс) до 30% (сухой фосфогипс). Большая доля в массе фосфогипса приходится на серу — от 21% в сыром фосфогипсе и до 24, 3 в сухом, на стронций приходится от 0, 3 до 0, 4%, на неразложившийся фосфат — от 1, 3 до 4, 2%, примеси (микроэлементы, тяжелые металлы и другие соединения) составляют 0, 3−0, 35%. Соотношение кальция и стронция в фосфогипсе производства Белореченского химзавода колеблется от 75 до 85. Соотношение кальция и стронция в почвах чернозема обыкновенного на Кубани составляет 120−150. При внесении в почву 5 т/га фосфогипса на 1 кг почвы пахотного слоя добавляется стронция от 6 до 8 мг/кг.

Содержание отдельных элементов в составе примесей сильно колеблется. Наибольшей массой в составе примесей фосфогипса выделяются титан, железо, стронций, фтор, барий, марганец, хром, лантан и церий.

Важнейшими свойствами фосфогипса являются молекулярные взаимодействия частиц с другими компонентами (например, навозом, перегноем и др.), определяющие их способность агрегироваться в хлопья и давать студнеобразные или твердые коагуляционные структуры. Фосфогипс выделяется высокой концентрацией кальция и серы, а в микроколичествах в нем объективно представлены все элементы таблицы Д. И. Менделеева. Фосфогипс можно определить как минеральную высокодисперсную систему [30, 31, 32].

Зола — калийное и фосфорное удобрение; её богатство кальцием позволяет использовать для снижения кислотности почвы. Зола оценивается как минеральная дисперсная система калийно-кальциево-фосфорного направления. Стебли подсолнечника содержат: К₂О — 30−35, Р₂О₅ — 2, 4, СаО — 18−20%; солома ржаная: К₂О — 10−14, Р₂О₅ -4−6, СаО — 8−10%; березовые дрова: К₂О — 10−12, Р₂О₅ -4−6, СаО — 35−40%; сосновые дрова: К₂О — 6−8%, Р₂О₅ — 2−4, СаО — 35−40%.

Галитовые отходы. На 1 т KCI образуется 3−4 т галитовых отходов, основным компонентом которых является NаCl; представляют собой осадочную горную породу и образуют плотную зернистую массу. В чистом виде галиты прозрачны и бесцветны, окрашены примесями в желтый, серый и красный цвета. В отходах также содержатся KCl, MgCl₂, CaSO₄, соединения брома. Отвал представляет зернистую сыпучую массу, в которой концентрируется до 10% маточного раствора. После проведения флотации галитовые отходы перерабатывают на техническую и пищевую соль. При производстве калийных удобрений проблема ликвидации отходов, к сожалению, не решается. Значительная их часть применения не находит и накапливается в отвалах [33, 37]. Возможно надземное захоронение и их растворение с последующей перекачкой в подземные горизонты. Залегает в виде слоев осадочных пород вместе с гипсом, калийными и другими солями. Крупные его залежи приурочены к осадкам пермского периода в районах близ г. Соль-Илецка, в Соликамске, в Белоруссии и в других местах. Из этого отхода получают соду, хлор, едкий натрий, соляную кислоту и другие продукты.

При переработке сырья в калийной промышленности образуются ежегодно миллионы тонн твердых галитовых отходов и сотни тысяч тонн глинисто-галитовых шламов. Вместе с пустой породой солеотвалы калийных предприятий занимают площадь около 250 га и на шламохранилища приходится около 200 га.

Из сильвинитовых руд на 1 т KCI в виде отвала образуется 3−4 т галитовых отходов, содержащих до 89−90% NaCI, 4, 4−5, 0% KCI, 1, 1% CaSO₄, 0.1%MgCI₂ и 4.5% нерастворимого остатка. Влажность галита в отвалы — 10−12%, а в отвалах снижается до 5−8%.

В России ведутся работы по снижению солевых отходов на земной поверхности (технология горных работ с сокращением выемки из шахт галита и пустой породы и возврат отходов флотации в выработанные пространства рудников).

Получаемые из сильвинитовых руд глинисто-солевые шламы, образующиеся при флотационной их переработке, представляют тонкодисперсные суспензии нерастворимого осадка в рассолах, солезадержание которых составляет 200 г/л. Взвесь шламовой пыльцы включает алюмосиликаты, сульфаты, карбонаты. Рассматривается как минеральная дисперсная система.

Глинистосолевые отходы. В процессе производства калийных удобрений образуются галитовые и глинистые шламы, солевые и сточные воды, минерализованные рассолы шламохранилищ, а также отходящие газы со стадии сушки.

Глинистосолевые шламы представляют собой суспензию в минерализованном рассоле. Состав рассола (масс%): KCI — 10−11, NаCl — 20−22. Твердая фаза состоит из мелкодисперсных частиц песка, глины и других включений. Ни один из методов утилизации шламов не применяется в промышленном масштабе. Главным препятствием является повышенная влажность отходов — 70−80%, мелкодисперсность и высокая вязкость. Глинистосолевые шламы через гидротранспорт подаются в шламохранилища, которые обносят дамбами, углубляют на 20−40 м с целью экономии площадей, являющихся источником загрязнения окружающей среды. Метод освобождения сильвинита от шламов основан на ферромагнитных свойствах оксида железа Fe₂O₃ (5−7%). Сухие глинистые шламы могут быть использованы в качестве калий-магниевых удобрений на песчаных почвах. Рассматривается как минеральная дисперсная система.

Жидкие и газовые выбросы. При производстве калийных удобрений образуются минерализованные рассолы при обезвоживании свежих галитовых отходов и при их растворении в процессе хранения. Содержание солей в них 300−350 г/л и соединений брома — 0, 5 г/л. Минерализованные воды в основном закачиваются в подземные глубинные горизонты, и ведется их отслеживание. При сушке гранул KCI образуются газовые выбросы, которые содержат продукты сгорания топлива (оксиды серы, углерода, азота) и технологические газовые примеси KCI и пыль. Несгораемый остаток можно рассматривать как минеральную дисперсную систему.

Сильвинит представляет собой осадочную горную породу из смеси галита и сильвина и некоторых примесей с плотным агрегатом его кристаллов (23−24%) и других галоидных и сульфатных соединений; используется как калийное удобрение. Соотношение хлоридов калия и натрия варьирует, в примесях присутствуют песок, гипс, глина; в воде хорошо растворим; минеральная дисперсная система.

Сильвин — минерал, хлористый калий KCI, сходный с каменной солью, но на вкус горький; содержит 52, 5% калия. Твердость 2, 0−2, 5, удельный вес 1, 9−2, 0. Крупнейшее мировое месторождение — Соликамское на Северном Урале; минеральная дисперсная система.