Хоботова Э.Б., д. х. н., Уханёва М.И., Меркулова Н.В.

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО, МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО И РАДИОНУКЛИДНОГО СОСТАВОВ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ

Использование отходов добычи и обогащения угля – одна из важных задач, определяющих пути рационального развития всей угледобывающей промышленности. Запасы отходов угледобычи ставят задачу о необходимости использования их для строительных целей, так как для размещения отходов в отвалах необходимы большие территории, некоторые отвалы горят с выделением вредных газов в атмосферу, а в результате водной и ветровой эрозии отвалов загрязняются земельные участки и водоемы.

Вскрышные и шахтные породы имеют неоднородный химический и минералогический состав даже в пределах одного угольного бассейна [1]. Поэтому для решения проблемы утилизации их ценных компонентов необходимо предварительное тщательное изучение конкретных терриконов.

Целью работы являлось изучение угольных пород террикона шахты Хмельницкая Свердловского района Луганской области с перспективой выявления ценных в практическом отношении компонентов для их последующей утилизации.

Экспериментальными методами исследования являлись рентгенофазовый; гамма-спектрометрический; электронно-зондовый микроанализ с системой рентгеновского микроанализа; дериватографический.

С помощью рентгенофазового анализа, выполненного на порошковом дифрактометре Siemens D500 в медном излучении с никелевым фильтром, для образца терриконной породы получена первичная дифрактограмма, при расшифровке которой с помощью картотеки PDF-1 [2] найдено несколько фаз. Однако последующий расчет по методу Ритвельда подтвердил наличие только трех из них: SiO₂ кварца, (Mg,Fe)₆(Si,Al)₄O₁₀(OH)₈ клинохлора и K_0,94Na_0,06Al_1,83Fe_0,17Mg_0,03(Al_0,91Si_3,09O₁₀)(OH)_1,65O_0,12F_0,23 замещенного мусковита, массовое содержание которых 44,1%, 10,2%, 45,7% соответственно.

Химический элементный анализ, выполненный на сканирующем электронном микроскопе JSM-6390 LV с системой рентгеновского микроанализа INCA, показал присутствие в образце породы, вес. %: C – 44,46; O – 37,11; Na – 0,15; Mg – 0,18; Al – 4,76; Si – 9,14; S – 0,47; Cl – 0,1; K – 1,0; Ti – 0,5; Fe – 1,2; Cu – 0,5. Так как на долю углистых частиц приходится 44,46% вес., то вышеуказанное процентное содержание минералов можно расценивать как их вклад в кристаллическую фазу породы, в то время как уголь находится в аморфном состоянии.

Можно отметить расхождения между химическим элементным составом и составом минералов, установленным рентгенографически. А именно, в элементном анализе отсутствует элемент фтор. Отсюда можно предположить, что в составе мусковита фтор замещен гидроксильными группами [3]. Рентгеновским микроанализом в малых количествах обнаружены такие элементы как медь, титан, сера и хлор.

Клинохлор и мусковит являются слоистыми структурами сэндвичевого типа. Каждый «сэндвич» состоит из двух плоских слоев силикатных тетраэдров, причем в каждом слое силикатные тетраэдры образуют кольца, состоящие из шести тетраэдров. Между данными слоями расположен слой магниевых и (или) алюминиевых октаэдров. В клинохлоре между двумя соседними сэндвичами находится слой алюминиевых и магниевых октаэдров, в которых лигандами являются гидроксильные группы, тогда как в мусковите ближайшие сэндвичи разделены слоем ионов калия. Полученные микрофотографии частиц породы подтвердили слоистую природу минералов.

Таким образом, в составе сопутствующей углю породе обнаружены минералы: мусковит, относящийся к слюдам, и клинохлор – представитель хлоритов. Обе разновидности относятся к сланцеватым минералам.

На кривой теплового эффекта, полученной на дериватографе «МОМ 1500» со скоростью нагрева 10 ºС/мин, зарегистрированы пики, характерные для обнаруженных минералов. Для клинохлора при температуре 475 ºC отмечен четкий эндотермический эффект, соответствующий выделению всей конституционной воды. Характерная для клинохлора интенсивная эндотермическая реакция при 550-650 ºC [3] несколько стерта, хотя небольшой минимум теплового эффекта зафиксирован при 560 ºC, как и экзотермический эффект при 820 ºC ([3] – 810-840 ºC).

Для мусковита первый эндотермический эффект, обусловленный выделением структурной воды, отмечен на дериватограмме при 897 ºC. Второй эффект, связанный с разрушением кристаллической решетки, может проявляться при разных температурах (1100 или 1200 ºC [4]). Данный эффект в эксперименте не зафиксирован, так как нагревание проводили до 1000 ºC. Экзотермический эффект, связанный со сгоранием углистого вещества, зафиксирован при 670 ºC. Таким образом, в результате проведения дериватографического анализа подтверждено начальное преобразование минералов породы в терриконе и показана способность углистой части породы к горению.

При практическом использовании породы террикона в какой-либо отрасли хозяйства необходимо определить ее радионуклидный состав. С целью изучения характера радионуклидного распределения по террикону угольной породы были отобраны пробы с северной, южной, восточной и западной точек террикона: поверхностные и с глубины 0,5 м и 1,0 м. Анализ полученных экспериментальных данных проводился по значениям активностей трех обнаруженных естественных радионуклидов (ЕР): ⁴⁰K, ²²⁶Ra и ²³²Th, их суммарной активности C_сум. и эффективной удельной активности С_эф.

В целом, по точкам отбора картина выглядит следующим образом: на севере и юге наименьшие значения С_эф. и С_сум. в поверхностных слоях, а наивысшие – на глубине 1,0 м. В западном и восточном направлениях террикона обратная закономерность. Таким образом, вертикальная миграция ЕР более выражена в северном и южном направлениях. Если предположить, что химический состав шлаков однородный по террикону, то данная закономерность может быть связана только с преобладанием ветров и, следовательно, потоков выщелачивающей дождевой воды.

Удельные активности отдельных ЕР также неравномерно меняются по точкам отбора, что напрямую связано с их миграционной способностью. В южной точке террикона все три ЕР характеризуются проникновением на глубины 0,5-1,0 м. В восточной точке максимальная активность на глубине 0,5 м зафиксирована для ²²⁶Ra и ²³²Th; в западной – для ⁴⁰К и ²³²Th; в северной – только для ²³²Th, но, однако, на глубине 1,0 м. То есть наиболее мигрирующим ЕР оказался ²³²Th, который не входит в состав минералов.

Из обнаруженных в отвальной породе минералов практический интерес вызывает мусковит. Однако в терриконной породе осколки слюды мелкие, обломанные, что не соответствует даже восьмому классу слюды по размеру получаемых пластинок [4]. Возможность применения мусковита в качестве электроизоляционного материала снижают и такие факторы, как обилие включений кварца, присутствие клинохлора и примесей железа. Дробленый мусковит может применяться для изготовления шпинелей в процессе спекания при температурах 1400-1920 ºC. Еще одним перспективным направлением практического использования породы террикона может служить ее применение в производстве стройматериалов – при спекании портландцементного клинкера. При этом остаток угля может понижать энергоёмкость процесса спекания во вращающейся печи.

Литература:

1. Болдырев А.С., Добужинский В.И., Рекитар Я.А. Технический прогресс в промышленности строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1980. – 399 с.

2. JCPDS PDF-1 File. International Committee for Diffraction Data, 1994. PA, USA.

3. Лазаренко Е.К. Курс минералогии. – К.: Гос. изд-во техн. лит-ры, 1951. – 687 с.

4. Дир У.А., Хауи Р.А., Зусман Д. Породообразующие минералы. Т. 3. – М.: Мир, 1966. – 317 с.