Повышение эффективности использования минерального сырья. Грани проблемы

Выпуск технологических заменителей природных материалов

СССР обеспечивал производство более половины мирового объема асбестовой продукции и асбестовых изделий. Западные страны прекратили закупку асбеста и изделий из него, мотивируя это тем, что асбест обладает канцерогенными свойствами, хотя применительно к асбоцементным изделиям, особенно укладываемым в землю, это проявление материала доказано не было. В результате комбинат «Туваасбест» закрыли, а на других объектах, в частности на комбинате «Ураласбест», производство было резко сокращено.

Свойство базальта плавиться при относительно невысоких температурах и принимать заданную форму известно давно. Определенные сложности при формировании нити возникали, но их удалось преодолеть. Базальтовые волокна не обладают свойствами огнестойкости, и в таких случаях по-прежнему используется асбест, но в изделиях типа асбоцементных они вполне заменяют асбест, а в некоторых случаях даже превосходят его, поскольку длина волокна не лимитируется.

Запасы природного базальта практически неисчерпаемы.

Природная слюда является одним из самых редких видов минерального сырья, обладающего уникальным набором физико-химических и механических свойств (низкой электро- и теплопроводностью, нагрево-, влаго- и химической стойкостью и механической прочностью), которые предопределяют применение слюдяных изделий во многих производственных сферах, главным образом в электронике и электротехнике.

Требования к качеству изделий из слюды не позволяют пока найти им замену синтетическими материалами в промышленных масштабах. Создано производство

31

синтетической слюды, которая обладает очень высоким качеством, обеспечивающим изделиям из нее даже лучшие свойства, чем из природной слюды. Это преимущество связано с большой однородностью синтетической пластины как по толщине, так и по физико-химическим свойствам по всей ее площади. Однако разработанные технологические способы являются чрезвычайно сложными, требуют использования вредного и дорогостоящего сырья, и, главное, существующие технологические процессы нельзя считать перспективными для внедрения в качестве промышленных технологий. Поэтому синтетическую слюду выпускают лишь опытными партиями, она очень дорогая и применяется только для специальных целей.

В связи со сказанным особое значение имеет полное и экономичное использование природных ресурсов слюды, тем более что, по данным института «Гипронинеметаллоруд», промышленность обеспечена разведанными запасами природного слюдяного сырья (при сохранении сложившейся структуры извлечения и использования ее объема для производства изделий из слюды) лишь на 15–20 лет.

Важнейшим условием улучшения использования природной слюды является прогресс как в добыче природной слюды, так и в производстве и использовании изделий из нее. Этот прогресс позволяет говорить о путях решения основной проблемы в экономике использования слюдяного сырья — максимальной добыче и переработке мелкоразмерного сырья и использовании отходов от обработки крупных кристаллов. Кроме того, существенное увеличение потребности в мелком сырье позволяет улучшить условия добычи слюды за счет расширения механизированных способов ее извлечения на горнодобывающих предприятиях, что ведет в значительной мере к потере природной крупности слюды.

32

Основные направления совершенствования технологии связаны со снижением требований к природной крупности слюды и определяются прямым сокращением потребности в крупных изделиях в результате уменьшения габаритов приборов и появлением новых видов изоляционных материалов на основе слюды — слюдинитов и слюдопластов. Эти материалы во многих случаях позволяют заменить электроизоляцию из крупноразмерной листовой щипаной слюды при одновременном существенном удешевлении изоляции. Широкое применение слюдопластовых материалов оказалось возможным в результате разработки новых технологических процессов их производства, значительно повышающих качества этих материалов.

Слюдопласты и слюдиниты — это однотипные слюдяные бумаги, различающиеся видом используемой слюды (флогопит и мусковит) и, соответственно, сохраняющие свойства исходной природной слюды — сырца. Эти материалы изготавливаются из мелкого сырья, непригодного для производства изделий определенного размера, хотя могут производиться и из крупноразмерного сырца. Конечное качество изделий при этом не меняется. Производство их полностью механизировано и заключается в равномерном нанесении измельченной однородной массы на основу (преимущественно в виде специальных бумаг). Благодаря такой технологии помимо сохранения физико-химических свойств природной слюды обеспечиваются большая однородность этих качеств на всем протяжении листа изоляции (тогда как в природных кристаллах данные свойства могут меняться внутри одного кристалла или слюдяной пластины в зависимости от структуры, а также отсутствия расслаиваемости листов), однородность по толщине и механическая прочность. В результате слюдопластовые

33

ислюдинитовые материалы являются не только полноценным заменителем изоляции из щипаной слюды, но и более ценным материалом для ряда потребителей.

Производство и применение слюдопластовых и слюдинитовых материалов существенно улучшают использование природных ресурсов: выход щипаной слюды флогопит из забойного сырца с учетом производства слюдопластов повышается в два раза. Относительная дешевизна новых слюдяных изделий по сравнению с традиционными, в свою очередь, расширяет сферу применения слюдяной изоляции.

Для производства слюдопластовых и слюдинитовых материалов используется прежде всего мелкоразмерное слюдяное сырье, ранее безвозвратно терявшееся в отвалах на горных предприятиях либо в виде неиспользуемых отходов слюдяных фабрик. Потери слюдяного сырья были очень велики. Вовлечение такого количества слюдяного сырья в производство высококачественной слюдяной изоляции является одним из условий общего снижения затрат на получение единицы продукции из этого сырья, поскольку добыча и обогащение мелкоразмерного сырца в связи с применением механизированных методов значительно дешевле, чем крупного.

Резервами расширения сырьевой базы послужило прекращение выборочной отработки месторождений (т. е. практически выборки крупных кристаллов) и полное использование фабричных отходов. Технология подготовки слюды для переработки идет по пути использования сырья площадью менее 4 кв. см, запасы которого в два-три раза превышают запасы добывавшегося

иприменявшегося сырья, извлечение и использование которого не проводились. В результате была прекращена добыча слюды на трех из четырех комбинатов.

34

Естественным резервом дальнейшего расширения сырьевой базы является вовлечение в отработку новых месторождений, запасы которых не отвечают требованиям к качеству сырья для производства изделий из слюды, кроме слюдинитов и слюдопластов. Речь идет, например, о месторождении «Слюдяной Бор» в Карелии. Оно не было принято на баланс, поскольку там отсутствовали запасы крупноразмерного сырья.

Надежды, возлагавшиеся на биотопливо, и, в частности, на этанол, из сахарного тростника (Бразилия), маиса (США) и дизтоплива из сахарного тростника (Малайзия), по всей видимости, оказались преувеличенными и поспешными. И те широко разрекламированные 40 % бразильских автомобилей, которые уже заправляются этанолом, могут оказаться пределом возможностей даже для этой большой по территории страны. Дальнейшее увеличение производства этанола требует очистки огромных площадей. А детальный анализ показал, что экологические потери при этом с избытком перекроют все выгоды от биотоплива.

До последнего времени при оценке пользы от всех видов биотоплива учитывалась только их способность вырабатывать меньше парниковых газов, чем выделяется при сжигании ископаемых энергоресурсов (нефти, газа, угля), и не принималась в расчет вся совокупность экологических факторов, способных повлиять на результат. Для расширения полей сахарного тростника необходима расчистка тропических лесов. Лес же эффективно поглощает углекислый газ, и вырубка лесов приводит к тому, что этот газ остается в атмосфере. В сумме с ним «парниковый выброс» этанола становится больше, чем обычного топлива. При производстве этанола из маиса нужно расширить посадки маиса и учесть выделение окиси азота, которая также является парниковым газом.

35

При этом производство этанола из опилок, осуществленное в России, не ведет к дополнительной вырубке лесов и снижает выделение метана и углекислоты из отвалов опилок. Метан опаснее углекислоты в 20 раз с позиции формирования парникового эффекта.

В связи с повышенным интересом к созданию водородной энергетики зачастую выдвигаются аргументы

взащиту ее достоинства, которые сводятся к одному: такая энергетика дает нулевой выброс загрязняющих атмосферу веществ. При этом совершенно не принимается во внимание, что вместе с паром в окружающую среду привносятся тепловые выбросы.

Известно, что контроль и нормирование загрязняющих среду выбросов ведутся по установленным величинам предельно допустимых выбросов и предельно допустимых концентраций. Считается, что если величина таких выбросов не превышает допустимого значения, то такой выброс неопасен. Тем не менее он есть. Помимо тепловых выбросов от водородной энергетики имеют место ограниченное радиационное загрязнение от атомной энергетики, выбросы углекислоты от традиционной тепловой энергетики, пылевидные водяные поля от гидроэнергетики и др. Взаимодействие выбросов от разных источников изучено недостаточно. Совместное действие нескольких поражающих факторов в силу эффекта синергии усиливает эффект каждого из них, делает бесполезными средства защиты от каждого из них

вотдельности. И конечно, многократно усложняет задачу защищающихся. У целого возникают свойства, которых нет у его частей.

Прежде чем приступать к масштабному развитию водородной энергетики, следует изучить последствия такого решения и взвесить все за и против.

36

Экология

Весьма своеобразный ракурс рационального использования минеральных ресурсов открывается в связи с эксплуатацией возобновляемых источников сырья.

В настоящее время Россия покрывает годовую потребность в рении, извлекая его из вулканических выбросов сопки Ключевской. Выбросы одного из вулканов на территории Кении — чистый содовый продукт для прямого использования в экономике. В Индии месторождение строительных материалов располагается на постоянно сползающем склоне горы. В этом случае не забой перемещается по отрабатываемому массиву, а массив надвигается на работающее оборудование. Массив представляет собой практически неисчерпаемый источник ресурса. Наконец, уже рассмотрена специфика извлечения сероводорода как дополнительного энергоресурса для водородной энергетики и получения комовой серы.

Во всех перечисленных случаях полнота извлечения полезного ископаемого будет предметом техникоэкономических обоснований для меняющегося совершенства используемых технологий извлечения.

Многими исследователями уголь рассматривается как природный наноматериал. В частности, привлекают внимание его сорбционные свойства.

Они проявляются прежде всего в том, что уголь сорбирует в своей массе редкие, редкоземельные, благородные и радиоактивные металлы из прилегающих рудных зон, и это свойство особенно проявляется в краевых участках угольных месторождений.

При изготовлении и сжигании водоугольного топлива (водоугольной суспензии) замечено, что расчетная теплота сгорания его в топках мощных тепловых электростанций превышает теплоту сгорания исходного

37

угля. Это может быть объяснено только тем, что в зонах высокотемпературного горения котлов происходит разложение воды на водород и кислород. Вода содержится не только в макро- и микропорах, но также и в нанопорах, содержащих связанную воду, что способствует более полному выгоранию частиц угля, прекращению выбросов в атмосферу продуктов горения в виде дыма и образованию вместо него выбросов в виде паров воды и углекислого газа.

Сжигание водоугольного топлива в котлоагрегатах котельных, не имеющих зон высокотемпературного горения, не может привести к разложению воды на компоненты. Поэтому там снижение загрязняющих выбросов достигается только за счет воды, содержащейся в порах большого размера. Это говорит о том, что наличие влаги в углях недостаточно рассматривать как балластную компоненту. Учитывая различия в технологиях потребления угля, в ряде случаев следует принимать во внимание и полезные свойства воды при формировании цен на уголь.

Получаемый при среднетемпературном коксовании низкозольного бурого угля Канско-Ачинского бассейна полукокс имеет разветвленную систему пор и поэтому используется в ряде отраслей промышленности как рекуперируемый сорбент в средозащитных целях. В этих же целях он может быть использован при очистке от серы, содержащейся в сероводородном газе. Причем по исчерпании срока службы угольный сорбент может быть сожжен в топках котельных как высококалорийное топливо.

Всероссийский институт синтеза искусственного минерального сырья (г. Александров Владимирской обл.) выращивает кристаллы минералов из их щелочных растворов на мелкокристаллических затравках.

38

В частности, за счет распространенных в природе мелких кристаллов кварца и его разновидности — мориона

вавтоклавах могут синтезировать кристаллы объемом до 1 куб. м. Это открывает возможность использования таких кристаллов для надежного захоронения радиоактивных отходов. Кристаллическая структура кварца обеспечивает сохранение такой формы и в условиях радиационного воздействия на срок до 2 млн лет. Для захоронения радиоактивных отходов следует из кристалла выбурить керн, поместить в образовавшуюся полость контейнер с отходами, вновь поместить отрезок керна

вобразовавшуюся полость и произвести лечение кристалла в кварцсодержащем растворе.

Институт синтеза материалов РАН (наукоград Черноголовка Московской обл.) разработал реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза за счет использования явления «горение твердого в твердом». При этом создаются новые, неизвестные в природе материалы высокой ценности со специфическими свойствами. При проведении реакции вредные газы не образуются. Утилизация высокой температуры позволяет вырабатывать электроэнергию, избытки которой поступают в сеть.

Вэтом же наукограде Институт химической физики РАН создал установку для утилизации бытовых отходов, в которой использует эффект «обратной тепловой волны» и проводит очистку всех вредных для окружающей среды газов. В г. Лаперанда (Финляндия) построена установка для отработки режимов сжигания бытовых отходов различного состава. Образующееся тепло используют также для производства электроэнергии. Это позволяет рассматривать бытовые отходы как техногенное энергетическое сырье, а технологию их переработки расценивать как экологически приемлемую.

39

К наноразмерным объектам относят одно-, двух- и трехмерные образования — индивидуальные наночастицы, нанопленки, стержни и трубки, а также наноструктурированные и нанопористые материалы вместе с нанокомпонентами и наноустройствами. Верхний размер этих структур достаточно условен, а нижний определяется размерами молекул и атомов.

Вслучае наночастиц важен не только размер, но и тот факт, что сами они приобретают новые свойства. Наноразмер не единственный критерий наночастиц; доминирующим является не размер, а появление у созданного наноматериала новых, зачастую уникальных свойств, выступающих в качестве функции размера. Очень часто приставка «нано» не несет в себе никакого научного содержания и используется в качестве рекламного приема.

«Инженерная (техническая) нанотехнология» ориентирована на решение таких задач, как: а) создание твердых тел и поверхностей с управляемой молекулярной структурой (создание наноматериалов); б) конструирование новых типов химических соединений с управляемыми свойствами (наноконструирование); в) создание наноразмерных самоорганизующихся и/или самореплицирующихся структур; г) разработка устройств различного назначения (компоненты наноэлектроники, нанооптики, наноэнергетики и т. д.); д) сопряжение наноразмерных устройств с электронными системами.

Одно из современных направлений повышения экологических свойств искусственного минерального сырья связано с созданием и использованием нанокристаллических материалов.

Вкомпактном виде нанокристаллические материалы

получают тремя способами:

- переработкой частиц размером ≤ 100 мм методами порошковой металлургии;

40