Геохімія

21

збагачуються індикаторними елементами (рудні та їх супутники). Рудні елементи накопичуються також і в рослинності і в тваринах.

Підвищена концентрація елементів в ландшафті, яка виникла в результаті

!епігенетичних по відношенню до рудного тіла процесів називається вторинним

(епігенетичним) ореолом розсіяння.

Серед вторинних ореолів виділяють літохімічні (в грунтах і породах),

гідрогеохімічні (в водах), атмохімічні (атмосфера) та біогеохімічні (живі організми).

Розміри вторинних ореолів сягають сотень метрів і навіть кілометрів,

вміст індикаторних елементів в літохімічному ореолі при цьому часом відрізняється на дуже незначну величину від вмісту у вміщуючих породах. Форма знаходження елементів в літохімічному ореолі частіше за все немінеральна (адсорбція глинами тощо).

Пошуки, при яких шляхом визначення вмісту хімічних елементів в корінних

!породах та компонентах ландшафту визначаються первинні ореоли та вторинні ореоли розсіяння, а за цими ореолами розшукуються родовища, отримали назву

геохімічних пошуків.

За об’єктами досліджень геохімічні пошуки поділяються на літохімічні,

гідрогеохімічні, біогеохімічні та атмохімічні (газові) методи пошуків.

Найбільш розповсюдженими є літохімічні методи пошуків. При них по сітці, яка залежить від масштабу досліджень (наприклад, при М 1:50000

– відстань між профілями складає 500 м, а крок по профілю – 50 м),

відбираються проби порід (грунтів) і аналізуються на 30-40 елементів

(спектральний наближено-кількісний аналіз). Для окремих елементів складаються карти ізоконцентрат. на яких, із застосуванням методів математичної статистики, виділяють геохімічні аномалії. Виділені аномалії вивчаються за комплексом ознак для з’ясування рудної чи безрудної природи.

22

При розвідці та експлуатації родовищ геохімія допомагає чіткіше оконтурювати рудні тіла, шукати нові рудні тіла в межах рудного поля, контролювати комплексність і повноту видобутку, а

часом і допомагати з визначенням технології видобутку.

При охороні навколишнього середовища. Оскільки вплив життєдіяльності людства вже давно став порівнюваним з впливом найзначніших природних чинників, то в геохімії з’явився спеціальний термін – техногенна міграція. Вивчення техногенної міграції є одним з ключових (необхідних) моментів при здійсненні контролю за забрудненням навколишнього природного середовища. При цьому в якості моделі забруднення навколишнього середовища від локального джерела (підприємство, місто тощо) з успіхом використовується добре розроблена теорія геохімічних пошуків по рудному родовищу що руйнується та характерних для нього ореолів розсіяння. Відтак сформулювалися поняття: техногенна геохімічна аномалія

(літохімічна, гідрогеохімічна, біогеохімічна та атмохімічна), техногенні ореоли розсіяння, техногенні бар’єри.

Інша модель техногенної міграції базується на добре розробленій теорії геохімії ландшафту. Розроблені для природних ландшафтів методологія і конкретні методи досліджень досить успішно використовуються при вивченні техногенних (культурних, антропогенних) ландшафтів. В той же час специфіка об’єкту вивчення ініціює виникнення нових напрямків в геохімії техногенезу – наприклад, геохімія міст.

Геохімія і охорона здоров’я. Взаємозв’язок цих галузей обумовлений тим фактом що здоров’я людини значною мірою визначається величинами вмістів хімічних елементів у навколишньому середовищі (навіть поза впливом техногенного чинника). Адже існують регіональні позитивні і негативні аномалії вмістів хімічних речовин в грунтах, воді, атмосфері та продуктах харчування. А будь-яке

23

відхилення цих вмістів від оптимального рівня є сприятливим чинником для розвитку відповідних захворювань. Так, практично у всьому Прикарпатському регіоні існує дефіцит йоду у питній воді, а це сприяє розвитку ендемічного зобу (людям в таких місцевостях рекомендовано вживати йодовану сіль). Аналогічні негативні тенденції спостерігаються за надлишку і при дефіциті фтору, молібдену, цинку, міді тощо. Слід знати особливості місцевого геохімічного фону для того щоб вживати необхідних запобіжних та профілактичних заходів з охорони здоров’я.

Геохімія і сільське господарство. Принципово взаємозв’язок цих галузей обумовлений тими ж чинниками що й в попередньому випадку.

В першу чергу для цілей сільського господарства важлива інформація щодо вмістів Ca, Cu, Co, P, Pb, Se, Mo, J, F тощо. Геохімічні дослідження актуальні при меліорації, застосуванні добрив тощо.

Геохімія і хімічна технологія. Геохімія розшукує нові джерела сировини для хімічної промисловості, у тому числі ті елементи які не утворюють власних мінеральних форм - Re (домішки в молібденіті), Hf (в цирконі), Cd та In (в поліметальних родовищах), Ge (в золі), а також дає рекомендації по комплексному використанню компонент, по раціоналізації технологічних процесів (метод гідрометалургії,

наприклад). У зв’язку з важливою, часто визначальною, роллю геохімії в багатьох галузях гірничої промисловості та технологічних процесах можна говорити про формування окремого напрямку – технологічної геохімії.

При цьому визначальними при формуванні наукових завдань технологічної геохімії є проблеми збагачення і комплексного використання руд, розширення сфер використання хімічної, керамічної,

п’єзооптичної сировини тощо – тобто нагальні практичні потреби людства.

24

Всебічне вивчення технологічних властивостей мінералів покликане забезпечити новий рівень технології переробки мінеральної сировини – з

безпосереднім вилученням корисних компонентів (ліквідація проміжного етапу збагачення). Ця проблема особливо актуальна при переробці рідкіснометалевої сировини – адже близько 50% корисної компоненти втрачається вже на етапі збагачення (при супутньому видобутку рідкісних металів втрати ще більші – там вилучається всього

3-15% корисної компоненти). Які ж конкретні проблеми ставляться перед технологічною геохімією? Лев Миколайович Овчинніков [5, с.9091] називає в першу чергу такі проблеми технологічною геохімії і мінералогії:

-вивчення хімічного складу мінералів для оцінки можливості їх комплексного використання (вже розроблені способи вилучення кадмію з сфалериту, галію та рубідію з нефеліну тощо);

-вивчення хімічних властивостей мінералів, їх термічної та хімічної стійкості, кінетики розчинення, зв’язку хімічних властивостей з особливостями складу, структури та умовами утворення мінералів яке відкриває можливості промислового освоєння нових типів сировини (іонообмінне витіснення та кислотна декатіонізація дозволили вирішити проблему вилучення цезію та рубідію з цезій-вміщуючого біотиту, вулканічного скла тощо);

-вивчення структури руд у зв’язку проблемою зменшенням втрат рудних мінералів в зростаннях і шламах (вдосконалюються методи подрібнення, встановлюється оптимальний розмір часток, запроваджуються різноманітні способи попередньої підготовки руд – термічна, УВЧ-опромінення);

-вивчення мікровключень в рудних мінералах (деякі включення впливають на технологічні властивості руд і обумовлюють поведінку сировини в процесах магнітної, електричної сепарації тощо);

-вивчення фізичних властивостей які використовуються при гравітаційній, магнітній. електричній сепарації руд;

-вивчення поверхневих властивостей мінералів з метою інтенсифікації процесів флотації і встановлення зв’язку флотованості мінералів з особливостями їх складу, структури, умов утворення тощо;

-вивчення спеціальних властивостей мінералів (оптичних, електричних, сорбційних, іонообмінних тощо) у зв’язку з розширенням сфер застосування природних мінералів;

25

-використання результатів вивчення технологічних властивостей мінералів для вирішення мінералого-геохімічних проблем (обернена задача).

Прикладом використання геохімічних даних при розробці технологічних процесів є зокрема метод хімічного відділення заліза і кобальту від нікелю. Дослідженнями меж стійкості мінералів в присутності газової фази було показано що для утворення сферокобальтиту (CoCO3) необхідний парціальний тиск CO2 складає 10-9 атм, сидериту (FeCO3) - 7,9 10-7 атм, а кошиїту (NiCO3) -

8,79 10-2 атм. Таким чином NiCO3 КРИСТ може утворюватись тільки в дуже специфічній обстановці - в атмосфері різко збагаченій CO2 (парціальний тиск CO2 в земній атмосфері складає 10-3,5

атм=3,16 10-4 атм).

На цій властивості грунтується метод хімічного розділення заліза і кобальту від нікелю, оскільки навіть невелика кількість карбонат-іонів осаджує перші і не впливає на нікель.

26

Цитатник з 5. Овчинников Л.Н. Прикладная геохимия. – М.: Недра,

1990. - 248 с.

[5, с.92-98]

Найважливішими процесами які вивчає технологічна геохімія є іонний обмін та декатіонізація.

Іонний обмін. Одним з найважливіших напрямків технологічної геохімії

(розвивав Н.Ф.Челищев) є вивчення іонообмінних реакцій з участю мінералів змінного складу в природних гідротермальних умовах та використання цих реакцій в промислових процесах. Справа в тім що

“достатньо велика кількість широко поширених в природі мінералів має здатність обмінюватись ізоморфними іонами з рідкими та газоподібними електролітами (розчинами чи розплавами) без руйнації кристалічної структури.”

“Реакції обміну характеризуються різною рухливістю іонів, яка зростає для безводних мінералів із зростанням розміру іонів, а для водних – із збільшенням розміру гідратованих іонів. Найсильніше на рухливість іонів впливає їх положення в кристалічній структурі мінералів.

Рухливість іонів зменшується в такій послідовності структурних позицій

(ця послідовність відповідає зменшенню ступеню іонності зв’язків):

невпорядковані обмінні катіони - впорядковані обмінні катіони – атоми додаткових фрагментів структури – атоми аніонної матриці.

Іонообмінний перерозподіл компонентів між співіснуючими мінералами змінного складу у відповідності із змінюючимися зовнішніми умовами є суттєвим фактором геохімічної диференціації елементів. Константи обмінних рівноваг з участю мінералів змінного складу відмінні від одиниці. Тому в результаті іонообмінних реакцій компоненти в процесі мінералоутворення розділяються. Розділення буде спостерігатися не лише для різко відмінних за властивостями елементів (лужні і важкі метали – калій і рубідій для ортоклазу), але й для порівняно близьких за

27

властивостями: калій-натрій та рубідій-цезій в польових шпатах, лантан-

ітрій в пірохлорах тощо. В найпростішому випадку мінерал може характеризуватися постійною вибірковістю к певному іону у всьому інтервалі концентрацій.”

Найчастіше використовуються іонообмінні властивості цеолітів які

“являють собою високо селективні молекулярні сита . Наряду з використанням сорбційних властивостей мінералів змінного складу,

важливе значення при гідрометалургійній переробці можуть мати іонообмінні методи. Заміна стадії розкладення в технології видобутку обмінним витісненням для деяких типів руд є дуже перспективною”.

“Кристалічна структура клиноптилоліту (?) характеризується наявністю достатньо відкритих каналів, утворених 5-8-членними тетраедричними кільцями. ... порожнини зайняті катіонами, які компенсують негативний заряд каркасу, та молекулами води. Геометричні характеристики каркасу, разом з чинниками специфічної взаємодії катіонів і молекул води з алюмокременекисневою матрицею, в значній мірі визначають іонообмінні і молекулярно-ситові властивості клиноптилоліту.”

“Із збільшенням розміру катіонів кількість цеолітної води в клиноптилоліті помітно знижується. Часткову дегідратацію клиноптилоліту при заміщенні менших катіонів більшими легко пояснити зменшенням вільного внутрішньокристалічного об’єму. На кінетику дегідратації впливає і катіонна форма клиноптилоліту.

Зменшення енергії активації дегідратації із зростанням розміру обмінних катіонів підтверджує уявлення про взаємодію молекул води з катіонами у внутрішньокристалічному просторі клиноптилоліту. В результаті рентгенографічного вивчення ... встановлена залежність інтенсивності ліній від розміру і заряду обмінних катіонів” (зменшення при зростанні розміру – заміна натрію на цезій). “... це може бути пов’язано із значним

28

напруженням в алюмокременекисневій матриці, яке обумовлене входженням крупного катіону цезію”.

“Вивчення іонообмінних властивостей клиноптилоліту показало що цей кислотно- і термостійкий цеоліт має різко виражену селективність по відношенню до крупних катіонів лужних та лужноземельних металів

(Rb, Cs, Sr). ... встановлений ряд селективності клиноптилоліту ... який вказує на зростання вибірковості сорбованих іонів із збільшенням іонного радіусу: Li<Na<K<Rb<Cs. Вибірковість сорбованих іонів дозволяє успішно використовувати клиноптилоліт для розділення рідкісних лужних металів. При наступному вимиванні катіонів колонки карбонатом амонію досягається хроматографічне розділення лужних металів.” (K і Cs; Ag і Pb; Cd, Zn і Cu).

... Із збільшенням іонного радіусу різко зростає коефіцієнт розподілу

(співвідношення вмістів в мінералі і в розчині, прим. моя) у

відповідності з наступним рядом зростання селективності: Na < Cu, Zn, Cd < Ag < Pb.

Таблиця 23 – Залежність коефіцієнту розподілу від радіусу протилежного іону

29

Декатіонування. “Кислотне декатіонування є окремим випадком іонного обміну, коли в якості одного з протилежних іонів в обмінних реакціях бере участь протон (іон оксонію). При вивченні кінетики кислотного декатіонування цезій-вмісного біотиту розбавленими розчинами кислот встановлено, що швидкості вилучення міжшарових катіонів (Na,K, Rb, Cs) і катіонів октаедричних шарів (Li, Mg, Fe, Al)

близькі. Продуктом кислотного декатіонування є шарувата кременекиснева матриця слюди (новий матеріал який має унікальні властивості). Аналіз кінетичних кривих показує що процес кислотного декатіонування цезій-вмісного біотиту може розглядатись як реакція першого порядку, яка відбувається в дві стадії, на що вказує лінійна залежність логарифму ступеню вилучення катіонів від часу (на першій,

швидкій, стадії вилучається до 92% цезію). Швидкість вилучення зростає при зменшенні розміру зерен та підвищенні концентрації кислоти (в даному випадку H2SO4). Можливо перша стадія це розвиток реакції на поверхні лусок слюди, а друга є дифузією міжшарових катіонів через декатіонізовану зону.”

Цитатник [5, с.99]

Нікіфоров К.О. (Никифоров К.А. Физико-химические основы комплексной переработки бедных и труднообогатимых руд. –

Новосибирск: Наука, 1984) здійснив спробу розглянути теоретичні основи технології вилучення корисних компонентів з руд опираючись на природні геохімічні закономірності. “Крупно масштабному

безвідходному виробництву із збереженням екологічної рівноваги

30

навколишнього середовища може відповідати лише енергетично

вигідна технологія, яка близька до природних процесів і заснована

на фундаментальних законах природи. Така технологія повинна

опиратися:

1)на закономірності взаємодії атомів в твердих, рідких та газоподібних речовинах, генетичного зв’язку між ними, статистичну теорію росту кристалів;

2)на кристалохімічні основи топотаксичних реакцій в твердих речовинах (принципи наслідування хімічних зв’язків в сполуках);

3)на реакційну здатність багатокомпонентних систем – силікатних,

оксидних і сульфідних”

Цитатник [5, с.100]

“... вихідну мінеральну сировину можна представляти як багатокомпонентну систему, в якій кожен з мінералів відображає стійку самостійну фазу що виникла в природних умовах. Ця природна асоціація в технологічному процесі утворює нову фізико-хімічну систему коли до неї додають новий компонент який реагує з усіма мінералами системи. В

новій системі встановлюються властиві їй умови рівноваги. ... В

результаті направленого синтезу досягається розділення компонентів по відповідним сполукам.

Важливим є селективне виділення елементів які ізоморфно входять як в аніонні, так і в катіонні угрупування мінералів складних за побудовою.”

“Всі технологічні методи і підходи автоматично висходять з властивостей і взаємовідносин компонентів в системі. Тому першочергове завдання технологічної геохімії – створення на основі детального вивчення речовинного складу багатокомпонентної системи, в

якій вибираються активні компоненти для утворення середовища

(наприклад, лікваційного) або для вибіркової взаємодії з яким-небудь