Комплексный подход к утилизации техногенных отходов минерально-сырьевого комплекса

Исследование посвящено решению актуальной проблемы полезной утилизации многотоннажных техногенных отходов минерально-сырьевого комплекса. В качестве объекта исследования выбран отход переработки фосфатного сырья — фосфогипс, основной состав которого представлен СаSO4∙2H2O. Комплекс используемых методов включает патентно-информационный анализ проблемы, лабораторные методы изучения состава и свойств отхода, а также экспериментальные исследования процесса переработки фосфогипса с использованием уникального оборудования Научного Центра «Проблем переработки минеральных и техногенных ресурсов» и аккредитованного Центра коллективного пользования Санкт-Петербургского горного университета. В ходе работы проведен анализ вещественного состава фосфогипса различного генеза, в том числе свежего и отвального. Подтверждено, что состав фосфогипса за счет его техногенного происхождения имеет ряд отличий по сравнению с гипсосодержащим сырьем природного происхождения. Отход содержит продукты неполного разложения фосфатного сырья, оксиды тяжелых металлов и соединения, включающие ценные компоненты — редкоземельные элементы. Рассмотрено влияние отвалов фосфогипса на компоненты окружающей среды. Большинство из них являются объектами накопленного вреда и представляют собой источник комплексного негативного воздействия на атмосферный воздух, почву, подземные и поверхностные водные объекты. Выполнен критический анализ способов полезной утилизации фосфогипса. Доказано, что наиболее эффективным направлением, которое позволит одновременно достичь снижения объемов складируемого отхода и обеспечить его комплексную переработку с извлечением ценных компонентов, является карбонатная конверсия. Указанный способ в условиях производственного цикла также может сопровождаться утилизацией промышленных дымовых газов, содержащих CO2, что способствует уменьшению углеродного следа предприятия.

Литвинова Т. Е., Сучков Д. В. Комплексный подход к утилизации техногенных отходов минерально-сырьевого комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6—1. — С. 331—348. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_331.

Исследование выполнено за счет субсидии на выполнение государственного задания в сфере научной деятельности на 2021 год № FSRW-2020—0014.

Литвинова Татьяна Евгеньевна — докт. техн. наук, доцент, профессор кафеды физической химии, http://orcid.org/0000-0002-0133-3400, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, 199106, Васильевский остров, 21 линия, д. 2, Россия, e-mail: litvinova_te@pers.spmi.ru;
Сучков Денис Вячеславович — аспирант кафедры геоэкологии, http://orcid.org/00000002-5813-615X, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, 199106, Васильевский остров, 21 линия, д. 2 , Россия, e-mail: s205055@stud.spmi.ru

Сучков Денис Вячеславович, e-mail s205055@stud.spmi.ru.

1. Karapetian K., Dzhevaga N. Modern technologies of complex processing of phosphates // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017, no. 12 (15), pp. 4588—4594.

2. Karapetian K., Dzhevaga N. Technology of processing of apatites in the production of fused phosphates as modern highly effective fertilizers // International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM. 2017, Vol. 17 (51), pp. 939—946. DOI 10.5593/ sgem2017/51/S20.027

3. Гончаров В. М., Скориков С. В. Проблемы и пути утилизации фосфогипса с разработкой эффективных технологий и новых стройматериалов с соответствующими потребительскими характеристиками // Евразийский Союз Ученых. — 2014. — Т. 7—1. — С. 50—52.

4. Мирсаев Р. Н., Бабков В. В., Юнусова С. С., Кузнецов Л. K., Недосеко И. В., Габитов А. И. Фосфогипсовые отходы химической промышленности в производстве стеновых изделий. — М: Москва «Химия», 2004. — 196 с.

5. Zhao H., Li H., Bao W., Wang C., Li S., Lin W. Experimental study of enhanced phosphogypsum carbonation with ammonia under increased CO2 pressure // Journal of CO2 Utilization. 2015, Vol.11, pp. 10—19.

6. Капустин Ф. Л., Афанасьева М. А., Митюшов Н. А., Беднягин С. В. Особенности состава и свойства продукта переработки фосфогипса // Инновации в материаловедении и металлургии: материалы IV Международной интерактивной научно-практической конференции. — Екатеринбург, 2015. — C. 401—404.

7. Мещеряков Ю. Г., Федоров С. В. Промышленная переработка фосфогипса. — СПб: Изд-во «Стройиздат СПб», 2007. — 104 с.

8. Мырзахметов Б. А., Шолак А. Химический состав фосфогипса и комплексный метод его переработки // Современные тенденции развития науки и производства: Сборник материалов II Международной научно-практической конференции. — Тамбов, 2015. — C. 67—71.

9. Пляцук Л. Д., Черныш Е. Ю., Яхненко Е. Н., Трунова И. А. Системный подход к экологическому мониторингу в районе отвалов фосфогипса // Экологический вестник. — 2015. — № 4 (34). — C. 77—84.

10. Contreras M., Pérez-López R., Gázquez M. J., Morales-Flórez V., Santos A., Esquivias L., Bolívar J. P. Fractionation and fluxes of metals and radionuclides during the recycling process of phosphogypsum wastes applied to mineral CO₂ sequestration // Waste Management. 2015, Vol.45, pp. 412—419. DOI 10.1016/j.wasman.2015.06.046.

11. Grabas K., Pawełczyk A., Stręk W., Szełęg E., Stręk S. Study on the Properties of Waste Apatite Phosphogypsum as a Raw Material of Prospective Applications // Waste and Biomass Valorization. 2019, Vol.10, pp. 3143–3155. DOI 10.1007/s12649-018-0316-8.

12. El-Didamony H., Gado H. S., Awwad N. S., Fawzy M. M., Attallah M. F. Treatment of phosphogypsum waste produced from phosphate ore processing // Journal of Hazardous Materials. 2013, Vol.15, pp. 244—245:596—602. DOI 10.1016/j.jhazmat.2012.10.053.

13. Danilov A. S., Smirnov Y. D., Pashkevich M. A. Use of biological adhesive for effective dust suppression in mining operations // Journal of Ecological Engineering. 2015, Vol. 16(5), pp. 9—14. DOI 10.12911/22998993/60448

14. Sizyakov V. M., Brichkin V. N., Kawalla R. Geochemical aspects of the mining and processing of the large-tonne mineral resources of the hibinian alkaline massif // Chemie der Erde — Geochemistry. 2019, Vol. 80 (3), pp. 125506. DOI 10.1016/j.chemer.2019.04.002.

15. Litvinova T., Kashurin R., Zhadovskiy I., Gerasev S. The Kinetic Aspects of the Dissolution of Slightly Soluble Lanthanoid Carbonates // Metals. 2021; no. 11(11), p. 1793. DOI 10.3390/met11111793.

16. Коротаева А. Э., Пашкевич М. А. Применение данных спектральной съемки для экологического мониторинга водной растительности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 5—2. — С. 231—244. DOI: 10.25018/0236_1 493_2021_52_0_231.

17. Коробанова Т. Н. Мониторинг опасных геодинамических процессов при формировании отвала фосфогипса Балаковского филиала АО «Апатит» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — № 4. — С. 405—408.

18. Майорова Л. П., Черенцова А. А., Крупская Л. Т., Голубев Д. А., Колобанов К. А. Оценка техногенного загрязнения воздушного бассейна при пылении хвостохранилищ // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 1. — С. 5–20. DOI: 10.25018/0236-1493-2021-1-0—5-20.

19. Усиков В. И., Липина Л. Н., Александров А. В., Корнеева С. И. Оценка влияния отходов горного производства на окружающую среду с применением ГИС технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 12. — С. 114–126. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12—0-114—126.

20. Петров Д. С., Данилов А. С. Оценка и анализ гидрохимического режима обводненных карьеров по добыче фосфоритовых руд // Вода и экология: проблемы и решения. — 2020. — № 3 (83). — С. 63—69. DOI 10.23968/2305—3488.2020.25.3.63—69.

21. Писарев С. В., Фролов К. А. Фосфогипсовый гранулят как замена гипсового камня при помоле цементного клинкера // XL Международная научно-практическая конференция «Инновации в науке». — Новосибирск, 2012. — Т. 12. — С.133—139.

22. Патент РФ № 2258036, 09.06.2004. Колокольников В. А., Титов В. М., Шатов А. А. Способ комплексной переработки фосфогипса. 2004. Бюл. № 22.

23. Ахметов А. С., Дмитриева Н. В. Применение фосфогипса в дорожном строительстве // Технология минеральных удобрений. — 1992. — С. 113—115.

24. Кутепова Н. А., Кутепов Ю. И., Кудашов Е. С., Данильев С. М. Изучение прочности фосфогипса с примесями нефелинового шлама в конструкциях ограждающих дамб гипсонакопителей // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 10. — С. 67–78. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-10—0-67—78.

25. Свергузова С. В., Тарасова Г. И., Чернышева Н. В., Мтибаа М. Безобжиговый способ переработки фосфогипса. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. — 142 с.

26. Gorakh S. B., Madhav B. K., Amarsinh B. L. Review of Effective Utilization of Waste Phosphogypsum as a Building Material // International Journal of Engineering Research. 2016, Vol. 5(1), pp. 277—280.

27. Калиниченко В. П. Эффективное использование фосфогипса в земледелии // Питание растений. — 2017. — Т. 1. — С. 2—33.

28. Petrova, T. A., Rudzisha, E., Alekseenko, A. V., Bech, J., Pashkevich, M. A. Rehabilitation of Disturbed Lands with Industrial Wastewater Sludge // Minerals. 2022, Vol. 12 (3), pp. 1—19. DOI 10.3390/min12030376.

29. Matveeva V., Lytaeva T., Danilov A. Application of steel-smelting slags as material for reclamation of degraded lands // Journal of Ecological Engineering. 2018, Vol. 19(6), pp. 97—103. DOI 10.12911/22998993/93511.

30. Podbiera-Matysik K., Gorazda K., Wzorek Z. The ways of rare earth elements applications and obtaining // Tech. Trans. 2012, Vol. 16, pp. 147—156.

31. Башлыкова Т. В., Вальков А. В., Петров В. И. Извлечение редкоземельных элементов из фосфогипса и отходов золотодобычи // Цветные металлы. — 2012. — Т. 3. — C. 40—42.

32. Патент РФ № 2225892, 23.07.2002. Локшин Э. П., Колинников В. Т., Ивлев К. Г., Левин Б. В., Погребняк О. С. Способ извлечения редкоземельных элементов из фосфогипса. 2002. Бюл. №8.

33. Патент РФ № 2412265, 16.07.2009. Абрамов Я. К., Веселов В. М., Залевский В. М., Аргунов Н. Д., Гукасов Н. А., Богданова Л. П., Мотовилова Л. В., Тамурка В. Г., Евдокимов В. Д. Способ извлечения редкоземельных элементов из фосфогипса. 2009. Бюл. №5.

34. Brückner L., Tobias E., Thomas S. Extraction of Rare Earth Elements from PhosphoGypsum: Concentrate Digestion, Leaching, and Purification // Metals. 2020, 10, no. 1, pp. 131. DOI 10.3390/met10010131.

35. Найманбаев, М. А., Балтабекова Ж. А., Лохова Н. Г. Комплексное использование фосфогипса // Горный журнал Казахстана. — 2009. — Т.7. — С. 2829.

36. Сайкина О. Ю., Юрасова О. В. Сорбционное извлечение редкоземельных металлов в процессе переработки фосфогипса // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. — Т. 7—4(49). — C. 107—111.

37. Савойская Е. В. Перспективы развития и экономическая эффективность использования материально-сырьевых ресурсов // Вестник РАЕН. — 2017. — Т. 17(2). — C. 122—127.

38. Strizhenok A., Tcvetkov P. Ecology-economical assessment of new reclamation method for currently working technogenic massifs // Journal of Ecological Engineering. 2017, Vol. 18 (1), pp. 58—64. DOI 10.12911/22998993/66251.

39. Shang Q. L., Pei Q. L., Su F. W. Preparation of Nano-CaCO3 from Phosphogypsum by Gas–Liquid–Solid Reaction for CO2 Sorption // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2016, Vol. 55 (38), pp. 10172–10177. DOI: 10.1021/acs.iecr.6b02551.

40. Патент РФ №2680589, 24.05. 2018. Горбачев Е. В., Мильбергер Т. Г., Ахмедов С. Н., Афанасьев А. Ю. Способ переработки фосфогипса на фосфорное удобрение. 2019. Бюл. № 6.

41. Авт. св. СССР № 715468, 21.04.1977. Ламп В. Н., Абашкина Т. Ф., Одерберг А. С., Бризицкая Н. М. Способ получения сульфата аммония. 1977. Бюл. № 6.

42. Ennaciri Y., Mouahid F. E., Bendriss A., Bettach M. Conversion of phosphogypsum to potassium sulfate and calcium carbonate in aqueous solution // MATEC Web of Conferences. Maroc, 2013, Vol. 5, pp. 3. DOI: 10.1051/matecconf/20130504006.

43. Altiner M. Effect of Alkaline Types on the Production of Calcium Carbonate Particles from Gypsum Waste for Fixation of CO2 by Mineral Carbonation // International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2018, pp. 113—131. DOI: 10.1080/19392699.2018.1452739.

44. Пягай И. Н. Блочная переработка бокситовых шламов глиноземного производства // Цветные металлы. — 2016. — № 7(883). — C. 43—51. DOI 10.17580/ tsm.2016.07.05.

45. Пягай И. Н. Опыт переработки красных шламов с получением ряда ценных элементов (Sc, Zr, Y) и железосодержащего сырья для черной металлургии // Черные металлы. — 2019. — № 1. — C. 49—54.

46. Сизяков В. М., Нутрихина С. В., Левин Б. В. Технология комплексной переработки фосфогипса конверсионным способом с получением сульфата аммония, фосфомела и новых продуктов // Записки Горного института. — 2012. — Т.197. — C. 239—244.

47. Евразийский патент № 015407, 04.06.2009. Казак В. Г., Долгов В. В., Бризицкая Н. М., Малявин А. С., Букколини Н. В., Пагалёшкин Д. А., Цикин М. Н. Способ переработки фосфогипса на сульфат аммония и карбонат кальция. 2009.

48. Ильинова А. А., Ромашева Н. В., Стройков Г. А. Перспективы и общественные эффекты проектов секвестрации и использования углекислого газа // Записки Горного института. — 2020. — Т. 244. — C. 493—502. DOI 10.31897/PMI.2020.4.12.

49. Перистый В. А., Голдовская-Перистая Л. Ф., Прохорова Г. В. Утилизация цитрогипса отхода производства лимонной кислоты // Региональные геосистемы. — 2008. — Т. 6, № 3 (43).