Приоритетные направления развития поисковых и прикладных научных исследований в области использования в промышленных масштабах отходов добычи и переработки полезных ископаемых
В.А. Чантурия, А.П. Козлов, И.В. Шадрунова, Е.Г. Ожогина, ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр РАН
Важнейшим мировым научно-технологическим трендом и системным вызовом, определяющим направления развития тематической области «Рациональное природопользование», выделяется экологический вызов, связанный с общим истощением природной среды под влиянием интенсивного освоения минерально-сырьевой базы, усилением глобальной конкуренции, возрастающей региональной дифференциацией и быстрым формированием новейшей технологической базы у основных игроков мирового рынка.
Гигантские объемы отходов добычи и переработки полезных ископаемых, значительные содержания в них особо ценных цветных, редких и благородных металлов, нередко превышающие концентрации в традиционных рудах, и, наконец, наличие эффективных отечественных технологических способов их извлечения ориентируют государство на ускоренное решение проблемы вовлечения в промышленное использование российского техногенного сырья. В отличие от природного, это сырье представляет собой возобновляемый ресурс, не требующий затрат на извлечение из недр и первичную дезинтеграцию, которые обусловливают значительные издержки горнопромышленных производств.
В настоящее время на предприятиях горнодобывающей, металлургической, химической и других отраслей промышленности РФ ежегодно образуется около 7 млрд т отходов. Используется же лишь 2 млрд т, или 28% от общей накопленной массы. В связи с этим в отвалах и шламохранилищах страны сконцентрировано около 80 млрд т только твердых отходов. Под полигоны ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для сельского хозяйства земель. Суммарная ценность металлов, накопленных в горнопромышленных отходах России и извлекаемых технологически, в 4 раза превышает стоимость известных запасов их в недрах [1]. Кроме того, использование отходов добычи и переработки полезных ископаемых снизит экологическую нагрузку на территории, водные объекты и воздух, повысит качество жизни и улучшит здоровье людей, обеспечит экологическую реабилитацию территорий, подверженных негативному воздействию объектов хозяйственной деятельности горно-обогатительной промышленности. Под складирование горнопромышленных отходов в целом по России занято свыше 500 тыс. га земель, а негативное воздействие отходов на окружающую среду проявляется на территории, превышающей эту площадь в 10–15 раз.
Техногенное сырье – конкурентоспособный, перспективный минеральный ресурс, использование которого по инновационным технологиям обеспечивает не только значительный технико-экономический эффект, но и достигаемый попутно экологический эффект – как естественное следствие нового уровня требований современного горного производства.
Объективными предпосылками вовлечения в производственный оборот техногенных образований являются:
- необходимость сохранения природно-ресурсного потенциала, которая обусловлена снижением воспроизводства минерально-сырьевой базы по большинству компонентов, ухудшением качества вовлекаемых в переработку руд, и уменьшения экологического ущерба, наносимого горным производством окружающей среде;
- увеличение потребности индустриальной техники в редких и редкоземельных элементах, которые часто концентрируются в отходах обогащения;
- возможность использования техногенных отходов при внедрении достижений научно-технического прогресса [2, 3].
В настоящий момент выявился ряд неразрешимых противоречий между изменением характера минерально-сырьевой базы, то есть необходимостью вовлечения в переработку труднообогатимых руд и техногенных месторождений, экологически обостренной ситуацией в горнопромышленных регионах и состоянием техники, технологии и организации первичной переработки минерального сырья. В ИПКОН РАН разработаны научные основы формирования и функционирования интегрированных горнотехнических систем комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых с применением новых комбинированных геотехнологий в условиях замкнутого цикла полного извлечения, переработки и утилизации всех видов руд и горных пород при совместном освоении природных месторождений и техногенных образований рудного сырья [4]. Разработаны основные методические положения по обоснованию кондиций на техногенное минеральное сырье. Общий концептуальный подход к проблеме комплексного освоения техногенных месторождений и их классификация позволяют подойти к дальнейшему решению основных задач целенаправленно и системно, упростить задачу обоснования оптимальных параметров вновь создаваемых техногенных месторождений, ускорить решение проблемы комплексного освоения техногенных ресурсов. Общее для решения стоящих задач заключается в описании и моделировании процессов формирования и взаимодействия техногенных месторождений (слагающих их элементов) с окружающей средой с целью поиска оптимальных инженерных решений, в минимальной степени воздействующих на экосистему [5].
Формирование новых научных подходов к переработке техногенного сырья определяет возможность проведения крупных государственных инновационных проектов, таких как:
- техническое переоснащение горно-обогатительных производств страны;
- повышение конкурентоспособности продукции и технологий отечественного минерально-сырьевого комплекса;
- решение региональных и федеральных экологических проблем, связанных с интенсивным освоением минеральносырьевой базы.
В краткосрочной перспективе (2014–2020 гг.) к основным направлениям развития данной области, по нашему мнению, относятся четыре нижеследующие:
Направление I. Обоснование и разработка технологических процессов извлечения ценных компонентов из отходов добычи и переработки полезных ископаемых
Рост эффективности технологических процессов извлечения ценных компонентов из отходов добычи и переработки полезных ископаемых возможен за счет:
- экспрессной прогнозной минералого-технологической оценки различных видов техногенного сырья, осуществляемой современным комплексом методов минералогического анализа;
- формирования новых методов и аппаратов разделительных процессов, адаптивных к техногенному сырью, обеспечивающих интергранулярное раскрытие тонкодисперсных минеральных комплексов и селективное извлечение с получением товарных продуктов [2, 6];
В процессах выщелачивания предельно возможное снижение экологической нагрузки на окружающую среду обеспечивается новыми технологиями формирования массивов, снижения агрессивности и повышения селективности выщелачивающих растворов.
Приоритетными в этом направлении выделяются шесть блоков задач:
• Адаптация процессов и аппаратов обогащения полезных ископаемых к техногенному сырью позволит создать новые методы извлечения ценных компонентов из отходов добычи и обогащения руд и обосновать возможности использования методов энергетических воздействий для дезинтеграции и модифицирования технологических свойств полезных компонентов отходов добычи и обогащения [7, 8].
• Изучение химического и фазового состава, строения и технологических свойств отходов добычи и переработки полезных ископаемых, базирующееся на современном научном, методическом, техническом и инструментально-аппаратурном обеспечении исследований техногенного сырья, позволяет прогнозировать возможность вовлечения его во вторичную переработку, качество ожидаемых продуктов и экологические последствия переработки.
В настоящее время в практике минералогических исследований техногенного сырья, как правило, по составу и особенностям строения отличающегося от природного, применяются количественные методы анализа, позволяющие определять фазовый состав техногенных образований, выявлять и идентифицировать форму нахождения металлов, характер их распределения и возможность миграции в депонирующих средах. Важный момент этих исследований – определение морфоструктурных характеристик сырья – гранулярного состава и морфометрических параметров отдельных минеральных или техногенных фаз, отвечающих за возможность их извлечения.
Необходимо отметить, что интенсивное использование техногенного сырья разного происхождения неминуемо требует его минералого-аналитического изучения. Это в свою очередь привело к необходимости разработки научно обоснованных нормативно-методических документов, обеспечивающих единство и требуемую точность измерений, достоверность результатов при минимуме материальных затрат [9].
• Разработка высокоэффективных, энергосберегающих методов и оборудования для интергранулярного разрушения горных пород
Энергетические методы интенсификации процесса дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов позволят повысить раскрытие минеральных комплексов на 15–20% без значительного увеличения затрат энергии, повысят эффективность всех разделительных процессов, особенно выщелачивания благородных и редких металлов. Повышение флотационного извлечения меди из шлаков, например при обеспечении интергранулярного разрушения, составит 12–15%.
• Извлечение инертных (химически стойких) компонентов из отходов добычи и обогащения руд гравитационными методами, включая пневматические, новыми модульными высокоградиентными аппаратами для переработки техногенного сырья. Ряд техногенных объектов может быть легко вовлечен в повторную разработку без привлечения значительных инвестиций. Это, в первую очередь, относится к хвостохранилищам золотоизвлекательных фабрик с мелким и тонким золотом, которые представляют интерес как по объемам сырья, так и по содержанию в них золота [10].
• Выщелачивание отходов добычи и обогащения руд на месте их залегания или складирования на основе природосберегающих технологий селективными растворителями тонкодисперсных минеральных комплексов.
• Модифицирование технологических свойств полезных компонентов в отходах добычи и переработки (энергетические воздействия, электрохимическая обработка, механоактивация и т.д.) для повышения контрастности физических и физико-химических свойств частиц техногенных твердых полезных ископаемых.
Лабораторная база и высококвалифицированный персонал ведущих российских технологических центров, специализирующихся в этой отрасли горной науки, сосредоточены в ИПКОН РАН, ООО «Механобр-техника», ЦНИГРИ, ВНИИХТе, НИТУ МИСиС, «ТОМС». Минералогические лаборатории ФГУП «ВИМС», ИГЕМ РАН и ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» аккредитованы Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт).
Направление II. Комбинирование физико-химических способов обогащения (флотация и т.д.) с химико-металлургическими методами (пиро- и гидрометаллургия, автоклавное выщелачивание, электрохимическое и биологическое окисление)
Основные критерии роста эффективности этой группы:
- обеспечение высокого сквозного извлечения ценных компонентов;
- максимальная комплексность использования сырья, содержащего минеральные агрегаты, которые невозможно разделить на минеральные фазы обогатительными процессами;
- высокая рентабельность при соответствии современным требованиям по энергоемкости, экологической безопасности и комплексности извлечения ценных компонентов. Работу следует сосредоточить в следующих приоритетных направлениях:
• Новые методы и способы извлечения ценных компонентов из труднообогатимого техногенного сырья. Проведение исследований определяет возможность создания новых и совершенствования традиционных сорбционно-экстракционных технологий извлечения ценных компонентов из продуктивных растворов при переработке урановых и полиэлементных руд; комбинированных экологически безопасных технологий чанового и кучного выщелачивания с применением автоклавов, электрохимического и биологического окисления.
• Рациональные приемы получения коллективных концентратов и их вскрытия пирометаллургическими и гидрометаллургическими методами.
Это позволит создать концептуально новые технологии и модульные установки переработки труднообогатимого техногенного минерального сырья, в том числе в безводных и удаленных районах, с переработкой коллективных концентратов с максимальными технологическими и экономическими показателями по сложным технологическим схемам.
Среди ведущих российских технологических центров, специализирующихся на вопросах комбинирования обогатительных процессов с пиро- и гидрометаллургией, следует выделить ВНИИХТ, ГИНЦВЕТМЕТ, ИПКОН РАН, ООО «Механобр-инжиниринг», МИСиС, ФГУП «ВИМС».
Направление III. Обоснование и разработка технологических процессов получения дополнительной готовой продукции из нерудной части отходов добычи и переработки для вторичного использования обеспечит сокращение добычи нерудных полезных ископаемых в строительной индустрии, уменьшение размеров горных отводов предприятий, получение чистой и технологической воды.
Поисковые научные исследования следует сосредоточить в следующих приоритетных направлениях:
• Разработка технологий и условий утилизации отходов добычи руд, нерудных полезных ископаемых и углей в строительной индустрии с обоснованием и разработкой технологических процессов получения дополнительной готовой продукции, в т.ч. новых композитных материалов, из нерудной части отходов добычи и их переработки для вторичного использования.
• Утилизация хвостов обогащения в составе закладочных смесей при добыче полезных ископаемых, создание новых технологических приемов подготовки хвостов обогащения и их механоактивации для захоронения в горных выработках в качестве месторождений для будущих поколений и новых вяжущих материалов для закладочных смесей. Ведущими российскими технологическими центрами, специализирующимися на вопросах материаловедения, в т.ч. строительных материалов и закладочных комплексов, являются ИПКОН РАН, ИХТРЭМС КНЦ РАН, МИСИ, Якутнипроалмаз, Иркутский и Магнитогорский технические университеты.
• Переработка и использование техногенного гидроминерального сырья с созданием адаптивных технологий кондиционирования техногенных вод горных предприятий для циклов оборотного водоснабжения, получения чистой воды и дополнительной продукции для смежных отраслей при очистке технологических и сточных вод.
Наибольшие достижения по данному направлению достигнуты в ИПКОН РАН, МИСиС, ИрГТУ.
Направление IV. Разработка стратегии мотивации утилизации горнопромышленных отходов будет способствовать существенному улучшению горнопромышленных ландшафтов и повышению их экологичности, созданию многотоннажных складских запасов для будущих поколений в горных выработках и полостях и получению дополнительных видов товарной продукции для смежных отраслей промышленности.
Поисковые научные исследований следует сосредоточить в следующих приоритетных направлениях:
• Каталогизация существующих отходов с описанием их полезности и (или) токсичности, разработка комплекта нормативно-методических документов, регламентирующих правила обращения с отходами с описанием их полезности и (или) токсичности и рекомендациями по применению отходов в смежных отраслях [11].
• Создание складских запасов для будущих поколений в горных выработках и полостях с учетом комплексности, прогнозной ценности и токсичности.
• Создание экологически пригодных горнопромышленных ландшафтов: разработка критериев экологической оценки горнопромышленных ландшафтов и методических рекомендации по формированию таких ландшафтов для реабилитации территорий, подверженных негативному воздействию объектов хозяйственной деятельности горно-обогатительных предприятий [12,13].
• Подготовка техногенного сырья до кондиционно требуемого в смежных отраслях промышленности с созданием кондиций на новые виды продукции из техногенного сырья для использования в смежных отраслях промышленности для расширения номенклатуры продукции горных предприятий на основые технологии рециклинга.
Ведущие российские технологические центры, специализирующиеся на стратегии мотивации утилизации отходов добычи и переработки полезных ископаемых – ИПКОН РАН, ООО «Механобр-Техника», Государственный геологический музей РАН, МГУ, ВШЭ, МИСИ.
Заключение
Создание научно-технологического задела для реализации инновационных многоцелевых комплексных программ по решению региональных и федеральных экологических проблем при ликвидации последствий освоения минерально-сырьевой базы, по нашему мнению, приведет к техническому переоснащению горно-перерабатывающих и обогатительных производств страны, к повышению конкурентоспособности продукции и технологий отечественного минерально-сырьевого комплекса, формированию новых подходов к переработке и/или утилизации техногенного минерального сырья на основе технологических процессов, позволяющих эффективно, экономично снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, с дополнительным обеспечением современных потребностей страны в твердых полезных ископаемых и чистой воде.
