Статья посвящена актуальному вопросу переработки техногенных вод ГОКов медноколчеданных месторождений. В частности рассмотрена актуальность деманганации техногенных вод, формирующихся на территории горных предприятий. Предложен комплекс методов по переработке и очистке гидротехногенных образований.
Ключевые слова: факторы, техногенез, техногенные воды, условия, процесс.
Современная гидрогеодинамическая и гидрогеохимическая структура подземной гидросферы Южного Урала сформировалась в результате длительной эволюции под воздействием комплекса естественноисторических процессов. В последние годы происходит глубокое проникновение техногенных процессов в геологическую среду (до 2000 м). Наиболее интенсивно техногенез формируется на территориях, где одновременно производится промышленное освоение целой группы близко расположенных друг к другу месторождений полезных ископаемых (Баймакский, Учалинский, Бурибаевский, Маканский и другие рудные районы) [1, 4].
Техногенная деградация подземной гидросферы горнорудных районов уральского региона носит локальный характер в пространстве (карьеры глубиной до 470 м и с отвалами высотой до 80 м), но длительный характер во временном отношении, что обусловлено накоплением огромных объемов твердых и «жидких» отходов. Трещинный и трещинно-жильный характер подземных вод, слабое развитие перекрывающих пород способствует беспрепятственному проникновению концентрированных растворов, содержащих тяжелые металлы, в водоносные горизонты. Все это приводит к формированию на территории горнорудных узлов техногенных гидрогеохимических полей трансформированных вод [2, 5].
Анализ схемы сбора техногенных вод на большинстве горнорудных предприятий Южного Урала и на Бурибаевском руднике, в частности, показал, что все стоки собираются в общий водосборник — хвостохранилище или пруды-отстойники, что приводит к разубоживанию концентрированных марганецсодержащих вод. При этом следует учитывать, что всякий компонент извлекать из какого-либо раствора тем проще, чем выше в нем его содержание. Это связано с изменением механизма процесса удаления примеси при изменении ее содержания в растворе. Системы с малым содержанием компонентов отличаются большей индивидуальностью, лиофильностью и требуют специфических методов извлечения [5].
Воздействие физико-географических и горно-геологических факторов на процесс формирования водопритока и химического состава поверхностных и подземных вод сопровождается физико-химическими процессами, результатом которых и является образование метаморфизованных вод. К физико-химическим факторам, влияющим на формирование состава вод, относятся химические свойства элементов горных пород и вод, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия среды, растворимость солей, процессы диффузии, осмоса, смешения вод и катионного обмена, биохимические и другие процессы [3].
Химический состав вод зависит от состава и растворимости твердых веществ, с которыми вода взаимодействует, от условий, в которых это взаимодействие осуществляется. На контакте подземной воды с горными породами протекают физико-химические и биохимические процессы, основными из которых являются растворение (осаждение) твердых минеральных веществ, гидролиз, ионный обмен между горными породами и водой, преобразование и минерализация органического вещества, окисление и восстановление минеральных соединений [7, 13].
В результате смешения вод различных водоносных горизонтов и подземных вод с инфильтрующимися водами поверхностного происхождения (атмосферные осадки, поверхностные воды, сточные воды различного состава) происходит увеличение или уменьшение концентрации растворенных веществ в подземных водах [6, 14].
При контакте вод с минеральными веществами горных пород происходит их гидратация, которая ведет к разрушению кристаллических структур и переходу твердых веществ в растворенное состояние [4]. От кислотно-щелочной реакции воды, скорости ее движения, состава и структурных особенностей пород зависит интенсивность взаимодействия воды с минералами [2, 4].
Под влиянием кислорода воздуха и богатых кислородом инфильтрационных вод в верхних горизонтах залежей сульфидных руд развиваются процессы окисления сульфидных минералов, которые ведут к образованию хорошо растворимых в воде сернистых и сульфатных соединений [12].
Интенсивность процессов окисления, оказывающая влияние на формирование качественного состава вод, зависит также от генезиса медноколчеданных месторождений, геологического строения, минерального состава руд, условий залегания рудного тела и боковых пород, от вкрапленности рудных минералов, величины поверхности соприкосновения воды с сульфидами, растворимости сульфидов, скорости обновления воды, омывающей сульфиды, температуры, растворимости получаемых сульфатов, стабильности или метастабильности данных модификаций [12]. Поскольку медноколчеданные месторождения Среднего и Южного Урала образованны в результате единого геологического процесса, то и прослеживающиеся закономерности в образовании химического состава вод характерны для всех месторождений [14].
Значительное влияние на скорость окисления и растворения сульфидов оказывает изоморфизм — явление, присущее сульфидным рудам и проявляющееся в существовании большого числа минералов смешанного состава [4, 10]. Следует также отметить, что, электрохимические явления, возникающие на границе контакта различных минералов, имеющих различные потенциалы, усиливают процессы водяно-воздушного окисления.
Общую схему окисления сульфидов в присутствии кислорода и воды можно проиллюстрировать на примере пирита (FeS2) − наиболее широко распространенного минерала: 2FeS2
+ 7О2 + Н2О = 2FeSO4 + 2H2SO4
Образовавшийся сульфат железа (II) в растворах невысокой кислотности и при наличии свободного кислорода оказывается неустойчивым и переходит в окисный сульфат: 12FeSО4 + 3О2 + 6Н2О = 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(ОН)3
Сульфат железа (III), взаимодействуя с сульфидами, теряет кислород, восстанавливается до сульфата железа (II) по схеме:
Сера, как правило, в момент выделения в присутствии кислорода подвергается дальнейшему окислению до сульфат-иона, что наиболее явственно наблюдается в открытых горных выработках и на рудных складах:
Продукты окисления пирита − H2SO4 и Fe2(SO4)3 — оказывают сильнейшее растворяющее действие на большинство минералов, слагающих рудную массу и боковые породы. Действие H2SO4 на сульфиды в общем случае происходит по схеме:
FeS+ H2SO4 = FeSO4 + H2S
Окисный сульфат (Fe2(SO4)3) к тому же являясь энергичным окислителем, часто переносит кислород в такие горизонты месторождения, куда свободный атмосферный кислород обычно не проникает [12]. Закисный сульфат FeSO4 оказывает резкое восстановительное действие на целый ряд соединений зоны окисления.
Процессы окисления сульфидов дают начало возникновению разнообразным, хорошо растворимым в воде сульфатам, обусловливают значительный вынос цветных металлов из зоны медно-колчеданных месторождений [8, 10].
Сульфаты в зоне гипергенеза рудных месторождений многочисленны и разнообразны. Можно назвать около 120 минеральных видов этого класса, обнаруженных в составе окисленных руд, хотя далеко не все среди них дают ощутимые концентрации. Более 1/3 сульфатов зоны гипергенеза относится к солям Fe. На 2-е место по числу минеральных видов следует поставить соединения Cu и Zn [14].
Большинство среди рассматриваемых сульфатов — водные соединения, для которых характерны группы минералов, различающиеся только по количеству гидроксильной или молекулярной воды. Многие сульфаты в зоне гипергенеза представлены сезонными и техногенными образованиями, появляющимися лишь в строго определенных климатических условиях в зависимости от степени влажности среды и характера циркуляции вод, а также в обстановке, складывающейся в период разведки и эксплуатации месторождения.
Основная группа сульфатов — это купоросы — водные сульфаты Fe2+ или разности с изоморфной примесью Си, Zn, Мn и Mg [4, 9, 11, 12]. Образуются исключительно как сезонные или техногенные минералы — выцветы, налеты и порошковидные корочки на стенках горных выработок, на рудных отвалах, которые могут одновременно содержать два–три минерала, различающихся количеством воды.
Таким образом, формирование состава техногенных вод зависит от свойств химических элементов и их соединений (подвижности, способности вступать в реакции, растворимости, форм миграции) и тесно связаны с преобразованием горных пород и выносом из них растворенных компонентов.
Литература:
1. Абдрахманов Р. Ф. Гидроэкология Башкортостана Уфа: Инфореклама, 2005.– 344 с.
2. Белан Л. Н. Геоэкология горнорудных районов Башкортостана: Монография. Уфа, РНО БашГУ, 2003. — 178 с.
3. Борнеман-Старынкевич И. Д. Химические анализы и формулы минералов. М., 1969. — 256 с.
4. Емлин Э. Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: Изд-во Урал. университета, 1991. — 256 с.
5. Курбангалеев С. Ш. Природоохранная деятельность ОАО «Учалинский ГОК» // Изв. вузов. Горный журнал, 2004, № 3. — С.52–56.
6. Мишурина О. А. Электрофлотационное извлечение марганца из гидротехногенных ресурсов горных предприятий // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2009. № 3. С. 72–74.
7. Мишурина О. А. Технология электрофлотационного извлечения марганца в комплексной переработке гидротехногенных георесурсов медноколчеданных месторождений. — автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук // Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова. Магнитогорск, 2010.
8. Мишурина О. А., Муллина Э. Р. Химические закономерности процесса селективного извлечения марганца из техногенных вод // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2012, № 3. С. 58–62.
9. Мишурина О. А., Муллина Э. Р. Технология электрохимической очистки сточных вод // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 4–1. С. 29–31.
10. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Особенности химических способов извлечения марганца из технических растворов // Молодой учёный. — 2013. — № 5. — С.84–86.
11. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Деманганация сточных вод растворами хлорной извести // Альманах современной науки и образования. — 2013. — № 9 (76). — С.115–118.
12. Митрофанов С. И. и др. Комбинированные методы переработки окисленных и смешанных руд. М.:, Изд-во «Недра», 1970. — 288 с.
13. Мустафин А. Г., Ковтуненко С. В., Пестриков С. В., Сибитова З. Ш. Исследование экологического состояния реки Таналык республики Башкортостан // Вестник Башкирского университета, 2007, № 4. — С. 43 − 44.
14. Табаксблат Л. С. Техногенные попутные воды месторождений Урала//Известия вузов. Горный журнал. — 1997, № 11. — С. 66–75.
