Экология/2. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон 

Д.т.н.. Герасимова Л.Г., д.т.н. Николаев А.И., к.т.н. Маслова М.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт химии и технологии редких элементов и минерального cырья

им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук, г.Апатиты, Россия

Использование кольского минерального сырья и техногенных отходов для получения различных видов товарной продукции

Вопросы комплексного использования минерального сырья и утилизации техногенных отходов его переработки являются актуальными во всем мире. Растущий объем добычи и переработки минерального сырья приводит к увеличению отходов, порождает экологические проблемы особенно серьезные для северных регионов. Это делает актуальными исследования по их переработке с получением новых видов продукции, имеющей спрос на российском зарубежном рынках. Исследовательские и внедренческие работы в данном направлении способствуют сокращению количества отходов, повышению эффективности использования минеральных ресурсов и одновременно способствуют решению некоторых социальных вопросов для регионов, в частности, появление рабочих мест на новых производствах и отчисления в местный бюджет.

К числу отраслей промышленности, использующих большие объемы сырья, относятся строительная и лакокрасочная индустрия. Постоянно растет их спрос на материалы необходимые для производства сварочных работ, на пигменты, пигментные наполнители, диспергирующие составы, загустители и т.д. Продукты с пигментными свойствами широко применяются также при изготовлении пластмасс, бумаги, резины. Интерес представляют и, в частности, для нашего региона, такие материалы, как титанофосфатные сорбенты, которые помогут решить серьезные экологические проблемы, касающиеся очистки стоков от токсичных и радиоактивных веществ, образующихся при эксплуатации химических предприятий и спецобъектов. Получение нетоксичных композиций на основе сульфатов титана и алюминия позволит заменить хромовые дубители и значительно снизить расходы кожевенных предприятий на очистку стоков, вредных для окружающей среды.

Так, настоящее время производство сварочных электродов и флюсов в России находится в трудном состоянии из-за отсутствия на рынке высококачественного отечественного минерального сырья и ферросплавов. Крупные потребители сварочных электродов, порошковой проволоки и керамических флюсов считают более надежным использование импортных материалов (Газпром, судостроение и атомное энергетическое машиностроение). Экспансия зарубежных фирм Японии, Китая, Западноевропейских стран выросла до весьма ощутимых размеров и способна влиять на стратегическую безопасность страны. Крупные Российские предприятия по производству сварочных электродов сокращают или даже прекращают выпуск этой продукции («Спецэлектрод», ЧСПЗ). Сохранение сложившегося в России состояния производства сварочных материалов может негативно влиять на качество сварочных конструкций.

Совместные работы института и заинтересованных организаций по использованию минерально-сырьевой базы Северо-запада России, показали целесообразность привлечения её в переработку для существенного повышения потребительских характеристик сварочных материалов России, эксплуатационных характеристик металла сварных швов ответственных конструкций из сталей повышенной прочности и конкурентоспособности Российских электродов и сварочных флюсов на мировых рынках.

Рассмотрены минеральные ресурсы Мурманской области как потенциальные источники традиционных и новых сварочных материалов. Было выделено четыре группы минеральных продуктов:

1. Титансодержащее сырье: сфеновый и титаномагнетитовый концентраты (Хибины), титановый шлак из титаномагнетитового концентрата, ильменитовый концентрат (Гремяха-Вырмесское месторождение), перовскитовый концентрат (Африканда);

2. Магний-кальциевое сырье: доломитовый концентрат (Хибины), форстеритовый, оливинитовый, диопсидовый, мелилитовый концентраты (Ковдор), дунитовый концентрат (Сопчеозерское месторождение);

3. Алюмосиликатное сырье: мусковит (Чупа, Карелия), флогопит (Ковдор), нефелиновый концентрат (Хибины), кварц-полевошпатовый концентрат (Ёна);

4. Модифицированные минеральные концентраты, содержащие введенные в них РЗЭ и другие легирующие добавки, феррогель, нефелиновый концентрат (Хибины), оливинитовый, лизардитовый, антигоритовый концентраты (Хабозерское месторождение).

Источниками модифицирующих и легирующих элементов являются соединения ниобия, РЗМ, стронция, ванадия и др., как продукты переработки комплексного титано-редкометалльного сырья – лопаритового, перовскитового, эвдиалитового, концентратов; а также редкоземельные концентраты из апатитового концентрата.

Основные сложности, связанные с использованием новых компонентов, определяются присутствием лимитируемых примесей, прежде всего фосфора и серы. Разработаны эффективные методы очистки обработкой разбавленными растворами различных минеральных кислот, для некоторых минеральных концентратов использовался метод лазерной очистки, который обеспечивает значительное снижение содержания примесных элементов и их пассивацию. при взаимодействии с жидким стеклом, что при сварке препятствует образованию высокотемпературных гидроксидных соединений, являющихся одним из источников пористости металла шва, повышенного содержания водорода и неметаллических включений.

Расчет экономических показателей проекта производства по доводке концентратов Кольского полуострова до соответствующих требований, предъявляемых к сырью для сварочных электродов и флюсов по содержанию примесей фосфора и серы, выполнен в ОАО «Апатит».

Потребность в новых видах сырья для получения сварочных материалов в 2012-2018 г приведена в таблице 1.

Таблица 1. Потребность в сырье для сварочных материалов

Концентрат (из месторождения)	Потребности по годам, т
	2012	2013	2014	2018
Сфеновый (Хибины)	100	600	2000	10000
Нефелиновый (Хибины)	60	400	1000	6000
Титаномагнетитовый (Хибины)	10	100	500	3000
Доломитовый (пос.Титан)	50	500	3000	10000
Кварцитовый (п/ов Рыбачий и др.)	50	500	3000	10000
Оливиновый (Хабозеро)	-	50	500	5000
Диопсидовый (Ковдор)	-	20	100	4000

Для получения синтетической продукции интерес представляет сфеновый концентрат (титанит – CaSiTiO₅). Его получают из минеральных отходов обогатительного передела апатито-нефелиновых руд. Технология включает ряд обогатительных и химических операций, обеспечивающих отделения титанита от содержащихся в «хвостах» минеральных примесей.

Преимущества сфенового концентрата как сырья заключаются в том, что при сравнительно низком содержании титана (TiO₂ – до 35%) в нем практически отсутствует железо. Этот факт упрощает его технологический передел, но сопровождается необходимостью утилизации значительного количества твердых отходов в виде кальций-кремнеземного остатка - продукты реакции сернокислотного разложения сфена. Все эти аспекты учитывались при разработке варианта технологии, в котором предполагается получение универсального титанового прекурсора, пригодного для его преобразование в продукты различного назначения, учитывающего потребности рынка, а также получение дополнительных продуктов за счет утилизации отходов технологии. Технология всесторонне изучена, и результаты исследований применены к конкретным способам переработки сфенового концентрата (разработки защищены 9 патентами).

Для более наглядного представления целесообразности и внедрения технологических разработок по этапам приводится блок- схема (рис.).

Блок «Минеральные продукты» - наименее затратный по требуемым вложениям средств, но он не даст большой экономический эффект, т.к. стоимость минеральных концентратов наиболее низкая, по сравнению с синтетическими продуктами. Данный блок должен дополнять химическую переработку концентратов. Побочные продукты переработки отходов АНР также не принесут большой прибыли, но они минимизируют количество отходов и в целом улучшают экономические показатели производства.

Рисунок. Блок-схема переработки отходов АНР

Наиболее прибыльным является инновационное производство перспективных синтетических продуктов – титановые дубители, титано-фосфатный сорбент, нанопористые титаносиликатные продукты различного назначения. Если технология первых двух продуктов близка к реализации, то последний относится к малоизученным, как по технологии получения, так и по применению. Соображения по объемам производства основных и побочных продуктов (без учета перспективных продуктов) приведены в таблице 2.

Таблица 2. Некоторые экономические показатели переработки сфенового концентрата

Сырье. Продукты (основные и побочные)	Мощность производства, тыс.т/год		Реализация продукции тыс.долл
	min.	max.	min.	max.
Отходы обогащения АНР	100	300	-
Сфеновый концентрат	5	15	-
Сварочные материалы	1	6	160	960
Титановые дубители кож	5	15	7500	21000
Титанофосфатный сорбент	0,02	0.2	400	4000
Пигментный наполнитель	7,5	22,5	750	2250
Алюмокалиевые квасцы	0.5	1.5	250	750
Итого:	-	-	9060	28960