Технологическая минералогия

Технологическая минералогия - наука, изучающая строение и физикохимические свойства минеральных агрегатов с целью эффективного использования минералов и содержащихся в них полезных компонентов.
Предмет исследования технологической минералогии - руды как совокупности минералов, углубленное изучение структуры и свойств которых позволяет совершенствовать процессы их разделения и извлечения ценных компонентов физическими, химическими, биологическими и другими методами, комплексного использования минерального сырья и решения экологических проблем при добыче и переработке.
Становление технологической минералогии как самостоятельного научного направления связано прежде всего с именами Н.М. Федоровского и И.Н. Плаксина, обосновавших комплексный подход к изучению важнейших для народного хозяйства видов минерального сырья и необходимость углубления минералогических знаний о составе руд в связи с совершенствованием процессов обогащения и химической переработки. При этом И.Н. Плаксиным особо выделена обогатительная минералогия как наиболее актуальная часть технологической минералогии. Прогресс технологической минералогии обусловлен интенсивным развитием физики и химии минералов. Примечательно, что акад. А.В.Сидоренко именно физику минералов назвал «проводником научно-технического прогресса» в науке о полезных ископаемых.
Технологическая минералогия развивается по двум направлениям: стерео-логическому и физико-химическому. Первое - включает в себя теоретические и практические исследования раскрытия минералов при измельчении, в том числе с помощью анализа изображений. Стереологическое направление является ведущим в технологической минералогии. Подавляющая масса полезных минералов приходится на сростки, и наиболее эффективным методом их высвобождения считается не повышение степени измельчения материала, а классификация сростков по крупности и доизмельчение только крупных классов. Стереологические исследования природных структурных характеристик руд, а также минеральных агрегатов (сростков) и раскрытых фаз во всех циклах переработки дают глубокую информацию о технологических свойствах руд и работе оборудования, позволяют планировать, направлять и усовершенствовать процесс рудоподготовки и переработки. В международной практике пока не существует единого методологического подхода к проведению стереологических исследований. Второе направление - фазовые химико-минералогические исследования руд и продуктов их переработки с помощью широкого круга методов: оптической и электронной микроскопии, рентгенофазового, термического, микрозондовых анализов, а также Оже-спектроскопии и инфракрасной спектроскопии (ИКС) для поверхностных соединений.
В исследовательскую и аналитическую практику многих минералогических и технологических лабораторий прочно вошли новые методы исследований: рентгенография, ИК-спектроскопия, дифференциально-термический анализ, радиочастотная (ЭПР, ЯМР, ЯКР), электронная и мессбауэровская спектроскопии, электронография, люминесцентные, электро- и магнитостатические анализы и др. Следует также отметить благотворное влияние на развитие технологической минералогии таких направлений, как техническая минералогия и петрография, экспериментальная минералогия со всеми ее подразделениями, технологическая минераграфия и ряд других дисциплин. Исследованиями был охвачен широкий спектр объектов: от сульфидов до углей, от железных и редкометалльных руд до алмазов, от бокситов до глин. В результате появились первые публикации, раскрывающие зависимость обогатимости от геолого-минералогических факторов железных руд, сульфидов и ряда других видов полезных ископаемых.
В различных по профилю институтах страны (ИГД им. А.А. Скочинского, Механобр, ВИМС, Гиредмет, Иргиредмет, ЦНИГРИ, Уралмеханобр, Механобрчермет и др.) были выполнены пионерные работы по изучению физических и химических свойств минералов в функциональной зависимости от их реальной структуры, по исследованию поведения минералов в технологических процессах, а также работы по проектированию технологий комплексного использования руд, усовершенствованию методов геолого-технологического картирования.
Значительный вклад в формирование технологической минералогии и внедрение ее методов в процессы переработки руд внесли такие известные геологи и технологи, как И.Т. Александрова, Л.A. Барский, В.З. Блисковский, А.С. Вершинин, А.И. Гинзбург, BA. Глембоцкий, Л.А. Грекулова, В.М. Изоитко, О.П. Иванов, Г.А. Митенков, П.Е. Остапенко, Б.И. Пирогов, В.И. Ревнивцев, Г.А. Сидоренко, П.М. Соложенкин, Н.Ф. Челищев, В.А. Чантурия, С.Ф. Чернопятов, А.С. Черняк, И.В. Шманенков, Л.К. Яхонтова и многие другие ученые. Итогом этого периода развития следует считать выход в свет крупных публикаций по технологической минералогии важнейших видов руд (редкометалльных, вольфрамовых, железных, оловянных, никелевых, фосфоритовых и др.), а также по обобщению данных технологической минералогии применительно к сепарационным процессам.
Следует подчеркнуть, что технологическая минералогия сегодняшнего дня использует методы кристаллохимии, кристаллографии, петрографии, физики и химии твердого тела и других наук. Из дисциплины, информирующей обогатителей о минеральном и химическом составе руд, технологическая минералогия превратилась в науку, способную в «творческом соавторстве» с техническими науками решать крупные задачи, определяющие прогресс в извлечении минералов и комплексном использовании сырья. В этом большая заслуга ученых-обогатителей, которые, познав определенные закономерности влияния структурно-химических особенностей минералов на их физические и химические свойства, поставили перед минералогами и технологами новые задачи по направленному изменению характеристик и свойств минеральных ассоциаций для повышения селективности дезинтеграции и сепарации.
Месторождения со сравнительно легкой обогатимостью полезных ископаемых во многом исчерпаны, и перед учеными-обогатителями стоят задачи исключительной сложности - разработка научных основ и технологических решений сепарации минералов и извлечения отдельных элементов из бедных, труднообогатимых и упорных руд, а также из техногенного сырья.
Содержание основных разделов и направлений технологической минералогии может быть представлено следующим образом:
- изучение минерального и химического состава руд и мономинеральных продуктов с целью определения разновидностей минералов и отдельных элементов, подлежащих извлечению;
- изучение минералогических особенностей вкрапленности и характера срастания минералов для определения рациональных методов разупрочнения и раскрытия сростков и режима измельчения;
- изучение форм вхождения ценных элементов в отдельные минералы и установление оптимальных методов их извлечения;
- минералого-технологическое картирование с выделением различных типов руд и минерального сырья, позволяющее наиболее эффективно обогащать и использовать полезные компоненты с учетом экологических требований;
- установление структурно-чувствительных свойств минералов и рациональных видов энергетических воздействий для их направленного изменения и создания требуемой контрастности при интенсификации процессов разделения минеральных комплексов;
- минералогическое и химическое изучение отвальных продуктов, определение путей их утилизации и создание малоотходной, а в дальнейшем и безотходной технологии переработки сырья;
- определение минералов и элементов, представляющих опасность с экологической точки зрения, разработка решений, предотвращающих или снижающих экологический риск.
Рассмотрим основные направления технологической минералогии.
Минералого-технологическое картирование получило широкое распространение при геолого-технологической оценке месторождений практически всех видов полезных ископаемых. Исключительная важность этого вида картирования состоит, прежде всего, в возможности научно обоснованного прогнозирования изменчивости состава, структуры и свойств минералов рудного тела, оптимальной переориентации и перестройки технологических схем и цепи аппаратов предприятия, планировании качественно-количественных показателей обогащения.
Для разработки указанной технологической стратегии должны быть выполнены следующие исследования и работы:
- выделение технологических разновидностей руд данного месторождения, устанавливаемых на основе комплекса минералогических данных о ценных и вредных компонентах;
- определение устойчивости состава рудного тела в вертикальном и горизонтальном направлениях;
- определение важнейших минералого-технологических параметров руд;
- определение поведения каждой разновидности руды в основных технологических процессах с оценкой их обогатимости;
- оценка уровня технологической опробованности всех основных разновидностей руд.
Результатом этих работ являются минералого-технологические карты, содержащие в виде изолиний (или в виде других форм) информацию о пространственной изменчивости вещественного состава разновидностей рудных тел месторождения. Наиболее существенной информацией карт могут быть не столько сами показатели обогащения, сколько минералого-химические характеристики руд. В последнее время большое внимание уделяется диагностике токсичных компонентов и составлению соответствующих карт.
Минералого-технологические карты важны не только для прогнозирования стабильности показателей обогащения, но и для химико-металлургических процессов, в которых объектами изменчивости состава и свойств выступают концентраты.
Возможности резкого увеличения числа исследуемых проб существенно повышают достоверность минералого-технологических карт.
Изучение особенностей вкрапленности и взаимопрорастания зерен в минеральных агрегатах во многом определяет ключевую проблему рудоподготовки - селективное разрушение минералов при раскрытии сростков. В разработке научных основ раскрытия сростков прослеживают два основных направления: первое - углубление минералогических и кристаллохимических знаний о зонах контактов срастания минералов, второе - научно-методическое обоснование новых методов разупрочнения межзеренных контактов с целью повышения эффективности раскрытия сростков при измельчении. Естественно, что разработка методов разупрочнения и раскрытия контактов базируется на познании специфических физических и химических свойств сростков.
Прежде всего в обозначенных задачах важно установить с помощью микроскопических методов размеры рудной вкрапленности и специфические черты контактирования рудных и породообразующих минералов.
Если руды с размерами вкрапленности зерен классов I-VI успешно обогащают традиционными методами, то микроскопические и особенно субмикроскопические включения не раскрываются в достаточной мере даже после измельчения до 44 мкм, следовательно, руды с такой минерализацией нельзя удовлетворительно обогащать. В ряде случаев их целесообразно направлять на металлургическую переработку без предварительного обогащения. Кроме установления характера вкрапленности и степени раскрытия минеральных срастаний можно, поместив под микроскоп шлиф минерального сырья, определить в первом приближении его обогатимость, а затем на основании данных, полученных при микроскопических исследованиях, выбрать методы обогащения руды и извлечения отдельных минералов.
В последние десятилетия значительно углубились и расширились исследования структурных, физико-химических и энергетических свойств и особенностей контактных зон между минералами. В частности, выполнены исследования по установлению зависимости вскрываемости минералов от удельной поверхности контактных зон. Эта зависимость охватывает микрорельеф граней, особенности сколов и внутренней структуры, т.е. факторы, определяющие селективность освобождения зерен от сростков. Исключительно ценную информацию при этом дает компьютерный анализ изображений.
Наиболее изученными методами разупрочнения контактов в минеральных комплексах являются механические, термические, акустические, радиационные и электромагнитные воздействия.
При механических способах разупрочнения минеральные агрегаты подвергаются сжимающим и растягивающим нагрузкам, вызывающим в результате возникновения касательных и нормальных напряжений ослабление межзеренных связей и образование микротрещин. Сжимающие нагрузки наиболее полно проявляются при повышении давления окружающей среды - водной или воздушной. Несмотря на высокую энергоемкость, процесс имеет большие перспективы при селективном измельчении дорогостоящих минералов.
Термическое разупрочнение связано с образованием и перемещением дефектов в зонах срастания, а также с фазовыми превращениями. Возникающие при этом напряжения приводят к разупрочнению и снижению механической прочности межзеренных контактов. Важно предусмотреть, чтобы при термических воздействиях минералы не теряли своих ценных технических качеств.
Акустическая обработка заключается в воздействии на руды колебаний высокой частоты. Минералы поглощают часть энергии ударных волн, в результате чего возникают растягивающие напряжения на поверхности контактов.
В последние годы выполнен цикл работ по радиационному разупрочнению межзеренных контактов с использованием мощных промышленных ускорителей. На примере оловянных, полиметаллических и железных руд показана эффективность этого вида разупрочнения, механизм которого также заключается в образовании трещин в зонах срастания под воздействием ускоренных электронов с энергией 0,6-1,7 мэВ.
Магнитные воздействия целесообразно использовать для руд с минералами, обладающими ферромагнитными свойствами. Эффект магнитострикции приводит к созданию значительных напряжений на границе срастания минералов и разупрочнению последних.
Приведенные методы разупрочнения представляют собой значительный потенциал в совершенствовании процессов рудоподготовки, которые все в большей мере из вспомогательных переходят в разряд основных процессов с селективным раскрытием минералов. Разнообразие минерализации горных пород, генетические особенности рудных и породообразующих минералов, существенные различия в характере связи минералов в рудах дают основание рассматривать селективное разрушение как самостоятельный процесс, аналогичный селективному извлечению.
Изучение минерального и химического составов руд. Современные физические и химические методы анализа обеспечивают достаточно точную диагностику всех основных минеральных компонентов и элементов руд. Минералы, присутствующие в руде, принято разделять на рудные и породообразующие, а в зависимости от количественного состава - на главные (более 10 %), второстепенные (1-10%), акцессорные (0,1-0,9%), редкие (0,09-0,01%) и весьма редкие (меньше 0,01 %). Например, в железных рудах второстепенными нередко выступают минералы титана, меди, вольфрама. Часто в них имеется пирит, содержащий в качестве редких и весьма редких элементов кобальт и золото. Для медно-колчеданных руд характерно присутствие галенита, сфалерита, благородных и других металлов. В ртутных рудах фиксируют флюорит и минералы сурьмы. Руды сурьмы и ртути, в свою очередь, ассоциируют с золотом. Представители редкоземельных (монацит, ксенотим) встречаются в циркон-ильменитовых россыпях и т.д.
Количественный минералогический анализ с помощью традиционных микроскопических методов целесообразен при диагностике минералов с содержанием выше 0,1 %, ниже этого порога его возможности резко снижаются.
Опорной информацией элементного состава являются данные химических и физико-химических анализов - гравиметрического, титрометрического, фотометрического, электрохимического, рентгеноспектрального, микрофазового, ядерно-физических и ряда других методов. При диагностике минералов во многих случаях целесообразно сочетание оптико-минералогических методов с физическими - рентгенографическим, термическим, инфракрасной спектроскопии (ИКС), радиоспектроскопическим, электронно-микроскопическим и др.
Одна из основных задач технологической минералогии - установление характера зависимости физических и химических свойств минералов от их элементного состава и кристаллохимических особенностей с целью оптимизации процессов сепарации и комплексного использования полезных ископаемых. Эта задача усложняется тем, что прежние представления о минералах как об однородных объектах претерпели коренные изменения, и в настоящее время считается твердо установленным фактом микронеоднородность реальных минералов, обусловленная присутствием в них включений других минеральных фаз. Микровключения могут иметь различную природу, образовываться в процессах роста кристаллов в результате изменения состава среды, быть твердым продуктом реакций различных по составу растворов, результатом раскристаллизации коллоидных веществ при повышении температуры и давления. Ho нередко включения обусловлены эпигенетическими факторами, проявляющимися после основной фазы рудообразования, чаще всего возникают по трещинам кристалла и имеют вид мельчайших частиц и прожилок.
Многократное увеличение информации о составе и структуре собственно минерала и микровключений достигается предварительным разделением руды на мономинеральные фракции. Разновидностей методов и аппаратуры, применяемых в минералогии для сепарации, существенно больше, чем используемых в промышленности, так как минералогические исследования не лимитированы низкой производительностью процесса, высокой стоимостью аппаратов и реагентов (в частности, тяжелых жидкостей). Естественно, полная информация о вещественном составе руды должна быть получена в результате анализа рудных и породообразующих минералов. Такая информация исключительно важна для обоснования оптимальных схем извлечения ценных элементов, а также для комплексности использования руд.
Довольно часто рудные минералы содержат не один, а несколько полезных компонентов. В частности, для сфалерита характерно содержание кадмия, индия, а иногда германия, ртути и галлия, извлекаемых совместно с цинком. Ho при прогнозировании извлечения следует учитывать существенные колебания содержания дополнительных элементов в пределах одного рудного поля. В геолого-технологических картах также должна учитываться подобная изменчивость, а технологам необходимо вносить корректировки в соответствующие процессы.
Всестороннему минералого-химическому анализу должны подвергаться вмещающие породы, часто являющиеся носителями сопутствующих элементов. Изменение минерального состава пород обычно сопровождается преобразованиями в составе элементов-спутников. Например, количественный состав таких элементов, как галлий, таллий, германий и других, являющихся спутниками полиметаллических руд, зависит от типа вмещающих пород - силикатных или карбонатных, и преобладает в ассоциации с последними.
Изучение форм вхождения ценных элементов в отдельные минералы. Для современного этапа изучения вещественного состава прежде всего характерно повышение информативности фазового анализа. Как отмечалось ранее, отдельные элементы могут находиться в минералах в виде микровключений собственных фаз, входить изоморфно в структуры рудных и породообразующих минералов, располагаться в дефектах кристаллических структур и, особенно в межблочных областях, быть сорбированными поверхностью зерен при коллоидном или аморфном их состоянии. В свете представления В.И. Вернадского о том, что «минералы - это продукты химических реакций, протекающих в земной коре», становятся понятными многообразие форм нахождения элементов и характерная для большинства минералов микронеоднородность.
Для решения аналитических задач используют высокочувствительные методы с пределом обнаружения элементов 10в-7-10в-8 %, а в отдельных случаях с пороговой чувствительностью 10в-12 %. Обязательным методическим подходом становится комплексирование химических анализов с электронно-зондовыми, электронно-микроскопическими, а также с методами колебательной и радиочастотной спектроскопии и др.
Коренные изменения претерпели некоторые воззрения на характер внедрения элементов-примесей в минералы. Привлечение электронных методов анализа привело к тому, что многие внедрения, ранее относящиеся к изоморфному замещению, теперь рассматриваются как самостоятельные фазы микровключений или сочетания нескольких фаз. Последние характерны как для рудных, так и нерудных минералов. При расчете химических элементов они должны учитываться отдельно и входить в общий баланс компонентов минералов, сепарируемых при обогащении руд.
Изучение и извлечение элементов-спутников выросло в отдельную проблему. Кроме установления форм вхождения элементов-спутников и их количественного участия решают сложные задачи их распределения в продуктах обогащения и установления корреляции между сопутствующими элементами и основными минералами. На основании полученных данных разрабатывают технологии извлечения элементов-спутников.
Еще более сложной задачей является составление баланса подлежащих извлечению элементов-спутников, прежде всего из-за их небольшого содержания. Когда чувствительность применяемых методов оказывается недостаточной, целесообразно вести определения по мономинеральным фракциям или обогащенным продуктам.
Комплексная минералого-химическая информация в сочетании с кристаллохимическими особенностями, влияющими на технологические свойства руд, служит основой выбора технологии их переработки. Технологам крайне важно знать все формы нахождения полезных (или вредных) элементов руды и их количественный состав. Изучение на этой основе разделимости, обогатимости и извлекаемости минералов и элементов позволяет прийти к заключению о технологической и экономической целесообразности:
- получения концентратов, удовлетворяющих кондициям и требованиям;
- получения бедных концентратов с последующей их пиро- или гидрометаллургической переработкой (при этом важно выделение богатых концентратов с небольшим извлечением);
- изыскания методов направленного изменения технологических свойств на основе известных методов воздействий.
Структурно-чувствительные свойства минералов и рациональные виды энергетических воздействий с целью направленного изменения свойств.
Направленное изменение технологических свойств, определяющих разделимость минералов, является быстро развивающейся областью технологической минералогии. Актуальность проблемы объясняется тем, что именно на пути направленного изменения свойств возможна разработка новых методов и технологий переработки труднообогатимых руд сложного состава, применительно к которым традиционные методы обогащения нерезультативны.
Невозможность эффективного обогащения определяется рядом факторов, среди которых особо следует выделить близость или идентичность разделительных свойств (характерно для окисленных руд цветных металлов, полевых шпатов, алюмосиликатов и др.) и взаимопрорастания минералов вплоть до эмульсионной вкрапленности, в результате чего практически невозможно селективное раскрытие. К таким объектам относятся некондиционные руды эксплуатируемых месторождений, техногенные месторождения различного происхождения, новые нетрадиционные виды минерального сырья, а также минеральные комплексы с близкими кристаллическим строением и химическим составом индивидуумов (одноименные катионные или анионные группы).
В зависимости от решаемых задач структурно-химическим преобразованиям подвергают поверхностно-приповерхностные слои минерала или даже его объем. В результате увеличивают контрастность и градиент свойств или один из минералов подвергают коренной фазовой перестройке. Несмотря на высокую энергоемкость, объемные превращения нашли промышленное применение: например, обжиг магнитных руд, при котором на обогащение направляют уже преобразованные по структуре и составу искусственные минералы.
Большое будущее принадлежит энергетическим методам изменения поверхностных слоев минералов. Это определяется тем, что ведущий и наиболее универсальный метод обогащения - флотация базируется на поверхностных свойствах минералов. Хотя и при использовании других методов, в частности магнитной или электрической сепарации, селективное преобразование поверхностных свойств позволяет интенсифицировать обогатимость многих типов сырья.
Структурно-чувствительные свойства изменяют с помощью электрохимических, ультразвуковых, радиационно-термических, механохимических (механодеформационных), гидрохимических и ряда других методов.
Электрохимический метод регулирования свойств минералов широко применяют в технологиях первичной переработки руд. Сущность метода состоит в изменении химических, физических и физико-химических свойств на основе электрохимических процессов при катодной и анодной поляризации.
В результате электрохимической обработки на поверхности минералов образуются новые соединения и фазы, определяющие сорбционные и флотационные свойства. Метод прочно вошел в теорию и практику флотации руд, и в первую очередь сульфидных. При использовании его увеличивается извлечение меди, никеля, свинца, цинка, золота на 1,5-5 % при повышении производительности процесса в 1,3 раза.
Вместе с тем возможности электрохимических воздействий не ограничиваются флотационными процессами. Они эффективны также при регулировании магнитных свойств минералов, так как позволяют увеличить магнитную восприимчивость слабомагнитных минералов (гематит, мартит, сидерит и др.) и на этой основе интенсифицировать процесс магнитной сепарации.
Ультразвуковая обработка минералов используется для направленного изменения магнитных, электрических, флотационных и даже гравитационных свойств с помощью ультразвуковых колебаний различной частоты (от 20 до 1000 МГц) в зависимости от технологических задач. В результате применения метода ультразвуковой обработки возникают дефекты структуры, преобразуются кристаллохимические свойства поверхностных слоев, и поверхности очищаются от примесей адгезионной природы. Кроме того, ультразвуковой метод известен как метод селективной дезинтеграции минеральных комплексов. Флотируемость многих минералов после ультразвуковой обработки пульпы повышается. Одновременно с этим улучшается селективность процесса. Факторами улучшения следует считать образование активных центров на поверхности и ее очистку.
Радиационные методы управления физико-химическими свойствами минералов основаны на действии гамма-лучей, нейтронов, ускоренных электронов и других воздействий. При упругом рассеянии энергии быстрых электронов изменяется характер колебаний атомов в решетке, в результате - атермический нагрев образца с образованием различного рода дефектов. При неупругом рассеянии передача энергии атомами вещества переводит электроны на возбужденные уровни, в результате образуются возбужденные электроны.
Благодаря созданию ускорителей мощностью свыше 100 кВт и непрерывности процесса обработки исследования этого плана в последние годы получили новый импульс. Наиболее ценным результатом исследований можно считать перспективность роста эффективности селекции при раскрытии минеральных сростков на основе предварительной обработки руд и продуктов ускоренными электронами. Эффективность измельчения по селекции и выходу продуктивных, благоприятных для обогащения классов установлена для оловянных, железных, сульфидных и редкометалльных руд.
Механохимические (механодеформационные) воздействия в той или иной мере проявляются уже при обычном тонком измельчении руд перед обогащением. При разрушении образуются частицы с различными типами дефектов и энергетическими уровнями поверхности. Переход от одних типов мельниц и режимов измельчения к другим (например, от обычного шарового измельчения к самоизмельчению) или к процессу с большей энергией воздействия на частицы (центробежному, вибрационному и дезинтеграторному разрушению), как правило, приводит к образованию поверхностей с различными степенью дефектности структуры и физико-химическими свойствами. Этот аспект измельчения еще мало учитывается технологами, хотя указанные изменения оказывают заметное влияние на селективность разделения, особенно флотационного.
Механохимическая активация перспективна при интенсификации процессов химического обогащения и бактериального выщелачивания, автоклавной переработки, спекания, термических превращений и других методов обработки.
Механохимия является технологией будущего, ее возможности непрерывно расширяются.
Гидрохимические воздействия проявляются в изменении кристаллохимических свойств поверхностных слоев или фазовых превращениях всего объема минерала. Чем больше степень дефектности поверхности, тем выше ее реакционная способность к растворению отдельных элементов и сорбции ионов и молекул.
Обработка поверхности химическими реагентами все больше рассматривается как структурно-химическое воздействие с целью интенсификации не только флотационного, но и других методов сепарации.
Широкие перспективы преобразования фазового состава имеют автоклавные воздействия. Немалые возможности имеет бактериальный процесс как метод управления технологическими свойствами минералов. Еще ряд интересных физических методов воздействия на фазовые превращения в минералах, как например плазменная обработка, находятся в стадии исследований.
Минералогическое и химическое изучение отвальных продуктов.
Одним из актуальных направлений исследований в области обогащения полезных ископаемых является технолого-минералогическая оценка техногенных месторождений на основе современных программно-аппаратных комплексов.
Техногенные месторождения по принципам их образования и минералоговещественному составу разделяются на две основные разновидности. К первой относятся горные породы кровли, вмещающие породы, пустые по целевым элементам пласты, а также рудные тела с низким некондиционным содержанием ценных компонентов. Вторая разновидность представлена хвостами обогащения, металлургическими шлаками, гидрометаллургическими кеками, золами углей и нефтей, рудными угольными шламами и др.
Сотрудничество специалистов геологического и технологического профилей в последнее десятилетие привело к созданию ряда оригинальных технических решений по утилизации отходов с получением ценных продуктов и разработке малоотходной технологии переработки сырья. Вмещающие породы могут служить основой для получения извести, цементных продуктов, строительных материалов, наполнителей бетонов, а также использоваться как гравий, бутовый камень и в других целях.
К успехам технологической минералогии и петрографии следует отнести создание новых легковесных строительных материалов - петрозита и сиберфома. Первый получен из магматических пород, второй - из цеолитовых туфов, нередко являющихся вскрышными породами руд.
Задачи исключительной сложности и важности стоят перед технологической минералогией в связи с предстоящим широким использованием хвостов обогащения руд и углей. Отходы обогащения, формирующиеся в течение многих лет из руд разных горизонтов и участков, а нередко из разных месторождений, имеют сложный минеральный состав, существенные различия в характере вкрапленности, взаимопрорастании индивидов, размерах и морфологии частиц, их окисленности, степени изменения поверхностных слоев частиц химическими реагентами, а также другие особенности, усугубляющие трудности их обогащения.
При переобогащении хвостов дополнительное извлечение ценных компонентов часто не превышает 20-40 % их содержания в этом продукте. Дальнейшее повышение пределов извлечения связано с установлением минералогических и химических особенностей форм вкрапленности, разработкой селективной дезинтеграции сростков и направленным изменением технологических свойств.
Минеральные сростки в хвостах обогащения отличаются повышенной прочностью, и для их разрушения предпочтительны мельницы высокой энергонапряженности - центробежные, вибрационные и др. Если не представляется возможным раскрыть сростки, то выделяют сравнительно бедный концентрат, который затем направляют на металлургический передел.
Усиление контрастности разделительных свойств обеспечивается применением вышерассмотренных энергетических воздействий - радиационных, электрохимических, механохимических, ультразвуковых. Последние эффективны также при снятии окисленных пленок с сульфидов и реставрации поверхностных свойств. Кроме того, целесообразны методы гидрофобизации поверхности элементарной серой и другими сульфидизаторами, полезно привлечение методических подходов экспериментального минералообразования.
Широкие перспективы кроются в использовании нетрадиционных методов переработки минерального сырья. Так, хвосты фосфатных руд могут успешно перерабатываться кучным выщелачиванием. На основе применения специального геотехнологического растворителя получены новые виды концентрированных удобрений типа нитроаммофоса.
Изменение экономических оценок при освоении новых месторождений выдвинуло техногенное сырье на передний план использования. Создание новых методов его переработки должно базироваться на самых современных методах минералогических исследований.
Определение экологически опасных минералов и элементов.
Разработка технологических решений по охране окружающей среды и снижению экологического риска при освоении недр во многом базируется на минералогических исследованиях и их данных. Возник новый раздел минералогии - экологическая минералогия, которая в сочетании с методами технологического направления призвана изучать и оценивать с экологических позиций действия токсикантов и загрязнителей среды.
К числу наиболее опасных элементов относятся ртуть, свинец, мышьяк, кадмий, хром, никель, кобальт, молибден, селен, медь, цинк, бериллий, таллий. Еще на стадии разведки месторождения очень важно установить наличие, закономерности распределения, формы вхождения токсичных компонентов в минералы и дать научный прогноз возможных вариантов их перехода в воздушную и водную среды при разрушении, измельчении и преобразовании фазовых форм в процессах обогащения и переработки руд. Необходимо учитывать, что отнесение элементов к категории вредных по их содержанию в исходной руде является условным, ибо при обогащении, как правило, имеет место многократное увеличение их концентраций в различных продуктах. В результате элемент, не относящийся к разряду опасных, с повышением его содержания в продукте переходит в эту категорию. Серьезную экологическую опасность представляет также загрязнение атмосферы газами предприятий и пылью шлаковых отходов, угольных зол и др.
Ученые горного профиля уделяют большое внимание оценке экологического риска и его источникам при переработке и использовании различных типов минерального сырья. Яркой иллюстрацией этого служат исследования форм серы в углях, проводимые рядом институтов под научным руководством В.А. Чантурия. Детальное изучение этой давней проблемы на новой методической и аппаратурной базе и определение размеров и характера вкрапленности сульфидов как носителей серы создают основу для разработки эффективных обогатительных методов снижения содержания серы в углях и выбросов двуокиси углерода в атмосферу при сжигании углей.
Значительные успехи достигнуты в оздоровлении экологической обстановки водоемов путем создания пролонгированных минеральных форм удобрений, в результате чего существенно сокращается вынос химических веществ ливнями, дождевыми и снеговыми водами и т.д.
Специальное изучение сорбционных свойств пористых минералов применительно к задачам экологии позволило использовать ряд природных сорбентов для очистки промышленных вод обогатительных предприятий от остатков флотореагентов. Значительный интерес с этой точки зрения вызывают природные цеолиты, эффективность которых установлена по отношению к жирнокислотным собирателям, аминам и другим реагентам. Вполне удовлетворительные показатели достигнуты также при очистке промышленных газов от двуокиси углерода и серы с помощью цеолитов.
Использование минералов-сорбентов расширило возможности перехода предприятий на систему замкнутого водо- и воздухооборота, позволило снизить выбросы в окружающую среду.
Предметом специальных минералогических и геохимических исследований стали хвостохранилища обогатительных и металлургических предприятий как потенциальные источники токсичных элементов. Созданы геохимические модели оценки взаимодействия сернокислых растворов, образующихся при окислении хвостов сульфидных руд, с вмещающими породами. При карбонатном составе вмещающих пород сернокислая среда нейтрализуется и уровень экологической опасности резко снижается. В случае вмещающих пород с инертной кремнистой основой (кварциты, песок и др.) возможно появление в дренажных водах сульфидов и даже свободной серной кислоты.
Минералогическая наука обладает большими возможностями в решении экологических проблем. Технологическая минералогия прочно вошла в число основных разделов обогащения полезных ископаемых, и изучение состава, строения, физико-химических и технологических свойств минералов при обосновании процессов извлечения ценных компонентов из минерального сырья стало первым и обязательным этапом исследований. На этой основе разработаны оптимальные технологии обогащения и переработки всех видов руд, необходимых стране.
Резко возросли требования к качеству продуктов обогащения и ограничения по сырью в экологических нормативах.
Научно-технические достижения XX века существенно изменили содержание минералогии: она превратилась в многоплановую дисциплину с современными физической и химической базой и методами исследовании. Именно на этой основе возможен прогресс в освоении труднообогатимых руд, комплексном использовании минерального сырья, создании энергосберегающих и малоотходных технологий, разработке эффективных мер охраны окружающей среды.

---