Изучение устойчивости медного шлака по степени выщелачивания кальция и магния в условиях модельного эксперимента

Представлено исследование по изучению выщелачивания медного шлака моделированной дождевой водой для оценки потенциальных экологических рисков на экосистемы. Цель исследования – оценка возможности выщелачивания кальция и магния из гранулированного медного шлака имитированными кислыми осадками, встречающимися в условиях повышенной техногенной нагрузки. Материалом исследования является гранулированный медный шлак разной дисперсности. В лабораторных условиях по принципу перколяции проведены испытания шлака имитированными кислыми осадками, содержащими серную кислоту разной концентрации. В полученных элюатах проводилось измерение рН, а также определение кальция и магния. Испытания проб шлака проводились методами порошковой рентгеновской дифракции и электронного зондирования с энергодисперсионным микроанализом. В минералогическом отношении шлак состоит из минералов группы силикатов, стекловидной и шпинелеподобных фаз, а также второстепенных сульфидных минералов. Эксперимент по выщелачиванию при разных рН растворов показал, что шлак подвержен двум основным процессам: диффузии и растворению. На этапе диффузии не происходит заметных изменений рН элюатов, на этапе растворения наблюдается смещение реакции среды в среднем на 2,5 ед. рН до нейт-
ральной реакции. С увеличением времени суммарная концентрация кальция в элюатах растет и к концу эксперимента возрастает от 871,9 до 2573,9 мг/л. Способность выщелачивания магния из шлака значительно меньше из-за его присутствия в массе шлака в шпинелеподобных фазах. Выявлено, что на первых этапах при увеличении рН кислых осадков способность к выщелачиванию магния возрастает в первые 70 суток эксперимента, к моменту завершения уменьшается в 3,5 раза. Во всех вариантах эксперимента по истечению 70 суток количество выщелачиваемого магния не увеличивается. Проведенные исследования свидетельствуют о высокой активности медных шлаков в отношении окружающей среды, особенно в регионах интенсивного техногенеза и частого выпадения кислых осадков. Практическая значимость полученных результатов может способствовать корректировке технологии получения техногенных минеральных образований, последующей их переработки и способов складирования на местности. Полученные знания и научные обоснования с выявлением экологических рисков на компоненты окружающей среды могут способствовать разработке новых концепций по обращению с промышленными отходами и землепользованию. 

Шабанов М. В., Маричев М. С. Изучение устойчивости медного шлака по степени выщелачивания кальция и магния в условиях модельного эксперимента // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 10. – С. 101–113. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_10_0_101.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-77-00021, https://rscf.ru/project/25-77-00021/ в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.

Шабанов Михаил Викторович¹ — канд. с.-х. наук, доцент, доцент, e-mail: geohim.spb@gmail.com, Scopus 35171489500, ORCID ID: 0000-0003-4725-3673,
Маричев Максим Сергеевич¹ — канд. биол. наук, зав. лабораторией, e-mail: m.s.marichev@yandex.ru, Scopus 57216298057, ORCID ID: 0000-0003-0429-2234,
¹ Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. 

Маричев М.С., e-mail: m.s.marichev@yandex.ru.

1. Bell F. G., Donnelly L. J. Mining and its Impact on the Environment. Taylor & Francis, London. 2006, 547 p. DOI: 10.1201/9781482288230.

2. Blowes D. W., Ptacek C. J., Benner S. G., McRae C. W. T., Bennet T. A., Puls R. W. Treatment of inorganic contaminants using permeable reactive barriers // Journal of Contaminant Hydrology. 2000, vol. 45, pp. 123—137. DOI: 10.1016/S0169-7722(00)00122-4.

3. Моргоева А. Д., Соколов А. А., Шепелев И. И., Фоменко В. А. Исследование распределения загрязняющих веществ, содержащихся в отходах обогащения, выведенных из эксплуатации хвостохранилища // Устойчивое развитие горных территорий. — 2025. — Т. 17. — № 3. — С. 1354—1364. DOI: 10.21177/1998-4502-2025-17-3-1354-1364.

4. Айбуш А. В., Фоменко В. А., Соколов А. А., Васин А. А. Результаты анализа содержания химических элементов в тонких прослойках хвостовых отложений экспресс-методами // Устойчивое развитие горных территорий. — 2024. — Т. 16. — № 4. — С. 1491—1500. DOI: 10.21177/1998- 4502-2024-16-3-1491-1500.

5. Zhou H., Liu G., Zhang L., Zhou C. Mineralogical and morphological factors affecting the separation of copper and arsenic in flash copper smelting slag flotation beneficiation process // Journal of Hazardous Materials. 2021, vol. 401, article 123293. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.123293.

6. Шабанов М. В., Маричев М. С., Минкина Т. М., Манджиева С. С., Невидомская Д. Г. Поступление тяжелых металлов в депонирующие среды Карабашской геотехногенной системы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 5. — С. 117—132. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_5_0_117.

7. Удачин В. Н., Вильямсон Б., Китагава Руджи, Лонщакова Г. Ф., Аминов П. Г., Удачина Л. Г. Химический состав и механизмы формирования кислых рудничных вод Южного Урала // Вода: химия и экология. — 2011. — № 10(40). — С. 3—8.

8. Котельникова А. Л., Рябинин В. Ф. Экспериментальное изучение растворимости шлаков медеплавильных комбинатов в воде // Вестник отделения геологии, геофизики, геохимии и горных наук Российской академии наук. — 2004. — № 1. — С. 4—5.

9. Piatak N. M., Seal R. R., Hammarstrom J. M. Mineralogical and geochemical controls on the release of trace elements from slags produced by base- and precious-metal smelting at abandoned mine sites // Applied Geochemistry. 2004, vol. 19, pp. 1039—1064. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2004.01.005.

10. Ettler V., Vítkova M. Slag leaching properties and release of contaminants / Metallurgical Slags: Environmental Geochemistry and Resource Potential, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK. 2021, pp. 151—173. DOI: 10.1039/9781839164576-00151.

11. Ettler V., Mihaljevic M., Culka A. Contaminant release from massive copper metallurgical slags: Insights from long-term monolithic leaching tests // Chemosphere. 2023, vol. 335, article 139079. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.139079.

12. Krol A., Mizerna K., Bozym M. An assessment of pH-dependent release and mobility of heavy metals from metallurgical slag // Journal of Hazardous Materials. 2020, vol. 384, article 121502. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.121502.

13. Jarosikova A., Ettler V., Mihaljevic M., Kribek B., Mapani B. The pH-dependent leaching behavior of slags from various stages of a copper smelting process: environmental implications // Journal of Environmental Monitoring. 2017, vol. 187, pp. 178—186. DOI:  10.1016/j.jenvman.2016.11.037.

14. Mikula K., Skrzypczak D., Izydorczyk G., Basladynska S., Szustakiewicz K., Gorazda K., Moustakas K., Chojnacka K., Witek-Krowiak A. From hazardous waste to fertilizer: recovery of high-value metals from smelter slags // Chemosphere. 2022, vol. 297, article 134226. DOI: 10.1016/j.chemSphere.2022.134226.

15. Garrabrants A. C., Kosson D. S., De Lapp R., Van der Sloot H. A. Effect of coal combustion fly ash use in concrete on the mass transport release of constituents of potential concern // Chemosphere. 2014, vol. 103, pp. 131—139. DOI: 10.1016/j.chemSphere.2013.11.048.

16. Удачин В. И., Китагава Р., Вильямсон Б., Сугахара Т. Руды и металлургические шлаки месторождений Карабаш (Южный Урал) и Ашио (Япония): состав и потенциальное воздействие на окружающую среду / Металлогения древних и современных океанов — 2002. Формирование и освоение месторождений в офиолитовых зонах: материалы Восьмой научной студенческой школы. — Миасс, 2002. — С. 267—275.

17. Сабанова М. Н., Орехова Н. Н. Перспективы применения флотации для переработки экологически опасных лежалых шлаков медной плавки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 2. — С. 336—343. 

18. Hanjing Y., Chenchen L., Jin Y., Yaoqiang M., Xinyu Z., Wanquan Y., Huiying K., Qi M., Ruosong X., Peng D. Mineralogical analysis: The light-induced oxidation driving mechanism of heavy metals in lead-zinc smelting slag // Journal of Geochemical Exploration. 2026, vol. 280, article 107912. DOI: 10.1016/j.gexplo.2025.107912. 

19. Шадрунова И. В., Горлова О. Е., Колодежная Е. В. Технология получения высококачественных концентратов из отвальных металлургических шлаков // Обогащение руд. — 2019. — № 4. — С. 54—60. DOI: 10.17580/or.2019.04.10.

20. Шабанов М. В., Маричев М. С., Минкина Т. М., Соколов А. А. Окисление техногенных минеральных образований кислыми сточными водами на сульфидсодержащих отвалах: на примере Карабашской агломерации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 4. — С. 69—85. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_4_0_69.

21. Ярусова С. Б., Гордиенко П. С., Шичалин О. О., Папынов Е. К., Нехлюдова Е. А., Перфильев А. В., Зарубина Н. В., Паротькина Ю. А., Драньков А. Н., Буланова С. Б. Исследование сорбции стронция аморфным силикатом кальция // Журнал неорганической химии. — 2022. — Т. 67. — № 9. — С. 1251—1257. DOI: 10.31857/s0044457x22090197. 

22. Kwon S. Y., Seo M. S. Comparative evaluation of volumetric changes of three different retrograde calcium silicate materials placed under different pH conditions // BMC Oral Health. 2020, vol. 20, no. 1, article 330. DOI: 10.1186/s12903-020-01325-x. 

23. Kinnunen P., Mäkinen J., Salo M., Soth R., Komnitsas K. Efficiency of chemical and biological leaching of copper slag for the recovery of metals and valorisation of the leach residue as raw material in cement production // Minerals. 2020, vol. 10, article 654. DOI: 10.3390/min10080654.

24. Шабанов М. В., Маричев М. С., Стрекулев Г. Б., Попов Ю. В., Соколова С. А. Исследование кинетики и механизма выщелачивания тяжелых металлов из медных шлаков в условиях кислых атмосферных осадков // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2026. — № 6. — С. 83—97. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_6_0_83.

25. Саркисов Ю. С., Афанасьев Д. А. Кинетические особенности взаимодействия трехкальциевого силиката с водой // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2019. — Т. 21. — № 1. — С. 140—149. DOI: 10.31675/1607-1859-2019-21-1-140-149.