Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Исследования, реализуемые в проекте, находятся в рамках Концепции технологического развития РФ до 2030 г, и направлены на разработку научно-обоснованных рекомендаций и внедрение сквозных технологий «новых материалов и веществ» и «снижения антропогенного воздействия». Объектами исследования являются хвостохранилища полиметаллических месторождений Салаирского рудного поля (Салаирский Кряж, Кемеровская область) – Ново-Урское, Талмовские Пески и Дюков Лог. Цель проекта направлена на построение достоверной физико-химической модели поведения бария в ходе экзогенной эволюции техногенного вещества на основании определения основных минералого-геохимических характеристик хвостов обогащения полиметаллических руд, объясняющих образование вторичного (аутигенного) барита. В рамках второго года гранта было получено, что: 1) На полиметаллических хвостохранилищах происходит аутигенное образование барита за счет хемогенных и биогенных процессов. В системе вода-порода основными формами Ba в веществе отходов являются: ионы бария (Ba2+), молекулы BaSO4(aq) и твердые фазы BaSO4(solid). Последние представлены баритом и являются превалирующими формами в веществе отходов. Дополнительными источниками Ba являются полевые шпаты, слюдистые минералы и вторичные пленки ярозитового состава, сванбергит. Помимо барита, в хвостохранилищах могут образовываться Pb-содержащий барит и Ba-содержащий минерал группы фосфатов – горцейксит (BaAl3(PO4)(PO3OH)(OH)6). 2) Баритоносность хвостохранилища Дюков Лог. На хвостохранилище наблюдается относительно равномерное распределение барита. Размерность зерен достигает 100 мкм. Барит представлен зернами и обломками размерностью до 100 мкм, совместно с породообразующими минералами и сульфидами, либо представлен тонкозернистыми, тонкодисперсными зернами (1–30 мкм), которые образуют прослойки, сцементированные агрегаты, объединенные цементом вторичных минеральных фаз. Цвет белый, реже бесцветный или рыжий (за счет вторичных пленок). Встречаются массивные, однородные зерна, а также хрупкие, трещиноватые. По данным сканирующей электронной микроскопии и ренгенофазового анализа барит отмечен в срастании с кварцем, мусковитом, ярозитом и плюмбоярозитом, плюмбогуммитом (PbAl3(PO4)2(OH)5*H2O), горцейкситом (BaAl3(PO4)(PO3OH)(OH)6), коркитом (PbFe3+3(PO4)(SO4)(OH)6), гинсдалитом (Pb0,75Sr0,25Al3(PO4)(SO4)(OH)6), и сванбергитом (SrAl3(PO4)(SO4)(OH)6). Среди примесей в барите отмечен Pb до 15,14 мас. %, образуя Pb-содержащую разность барита. Как примесь BaО отмечена в сванбергите до 0,5 мас. %, вторичных образованиях ярозитового состава до 0,9 мас. %. 3) Вертикальная неоднородность складированного материала проявлена как в изменениях значений рН и электропроводности растворов, так и распределении концентраций химических соединений. Обобщив полученные данные, можно сделать вывод о том, что горизонты с наибольшими УЭП (около 2000 мкСм/см) характеризуются самыми низкими значениями рН (около 2 ед.), высокими концентрациями серы (10 мас. %), валовыми содержаниями металлов и их подвижных форм. Данные о распределении химических соединений по глубине в шурфах были сопоставлены с геоэлектрическими разрезами по результатам микроэлектротомографии. Было определено, что горизонтам на глубинах 80-120 см с наибольшими значениями УЭП соответствуют слои с самыми низкими сопротивлениями (около 5 Ом‧м). Применение метода электротомографии в совокупности с геохимическим опробованием позволило оконтурить тело техногенной системы, рассчитать его объемы. Совокупный объем отвала Дюков Лог составляет 1200 тыс. м3 или 2.3 млн. тонн, ресурсы барита составляют 506 тыс. тонн, а масса водорастворимых форм бария – 1.6 тонн. 4) Термодинамическое моделирование для Ново-Урского отвала кварц-баритового состава позволило объяснить механизмы перераспределения барита и других минералов по разрезу и возможность образования горизонтов вторичного обогащения. Для исследуемого объекта было установлено, что помимо остаточного барита из колчеданно-полиметаллических руд, присутствуют его аутигенные разности. Концентрации Ba, SO4, Fe и Ca в растворе при смене минерального состава зон насыпей хвостов варьируют в пределах нескольких порядков в зависимости от Eh–pH-условий их образования. Предположено, что образование барита вместе с пиритом может происходить в результате действия восстановительного биогеохимического барьера или сульфатного концентрационного барьера в более глубоких частях разреза, где достигается пересыщение. Твердые растворы барита с англезитом PbSO4 и целестином SrSO4 имеют меньшую растворимость, чем чистый BaSO4. Поэтому логично ожидать образования новообразованного барита с примесью свинца. Кроме того, Pb частично мог заместить Ва в связи с их близкими химическими свойствами. Источником Pb в барите является плюмбоярозит. 5) В ходе технологических исследований по обогащению техногенных отложений полиметаллических хвостохранилищ по данным РФА подтверждена возможность получения кондиционных баритовых концентратов из материала проб с хвостохранилищ: Ново-Урское, Дюков Лог, Талмовские Пески. Наиболее богатые концентраты получены гравитационными методами из проб Ново-Урского отвала кварц-баритового состава (98.17 %) и из хвостохранилища Дюков Лог (95.88 %). А также при помощи сульфидной флотации из пробы Ново-Урского отвала кварц-пиритового состава (91.61 %). Концентраты, полученные из пробы хвостохранилища Талмовских Пески, имеют содержания BaSO4 62.86 % при флотационном обогащении и 78.73 % при гравитационном обогащении с отсадкой. Следует отметить, что при отработке хвостохранилищ наиболее рентабельным методом обогащения будет являться гравитационный. Это связано с возможностью перерабатывать относительно большие объемы материала, а также с отсутствием затрат на реагенты необходимые при флотационном процессе. 6) Для характеризации баритовых концентратов было проведено определение содержания барита с применением арбитражного гравиметрического метода анализа по ГОСТ 4682-84 и ГОСТ 30240.0-95. Показано соответствие полученных концентратов баритовым концентратам класса Б: Ново-Урского отвала кварц-пиритового при гравитационном обогащении с отсадкой 92%, Ново-Урского отвала кварц-баритового состава с флотационным обогащением 81%, хвостохранилища Дюков Лог с флотационным обогащением 81%, Талмовских Пески с гравитационным обогащением с отсадкой 91%. Которые соответствуют маркам КБ-3, КБ-6, что позволяет судить о возможности применением баритовых концентратов в качестве утяжелителей буровых растворов. Для иллюстрации последнего баритовые концентраты были применены для применения в качестве утяжелителя при приготовлении буровых растворов и показано сравнение с коммерчески доступным баритовым концентратом.