Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ И АДСОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД УГЛЕДОБЫЧИ ТУВЫ

Сапелкина Т.В. 1 Кара-сал Б.К. 2
1 ФГБУ «Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН»
2 Тувинский государственный университет
Добыча каменного угля открытым способом сопровождается удалением вышележащих горных пород над угольными пластами. В результате разработки и удаления вскрышных пород образуются отвалы – искусственные горные массивы (терриконы), которые являются неизменной составляющей техногенных ландшафтов угледобывающих районов Тувы. Установлено, что химический и минеральный составы вскрышных пород угледобычи Тувы идентичны природному алюмосиликатному сырью, поэтому они способны заменить сырьевые материалы, которые используются для производства стеновых керамических материалов, цемента, бетона, железобетонных изделий, находят применение в дорожном строительстве. Вскрышные породы обладают гидравлической активностью, характеризуемой поглощением гидроксида кальция (1,5–18,6 ммоль/кг), и могут использоваться как гидравлические добавки в вяжущих и автоклавных материалах. Наряду с гидравлической активностью, вскрышные породы характеризуются величиной адсорбционной способности (72–91 %) растворенных органических веществ, на которую влияет пористая структура материала, что позволяет предположить возможное применение их в качестве сорбентов, которые могут решить экологические проблемы, которые включают очистку загрязненных вод. В связи с развитием капитального строительства в республике и увеличением потребности в строительных материалах рекомендуется применять вскрышные породы в производстве строительных материалов с учетом результатов экспериментальных исследований их качества, состава и свойств.
вскрышные породы
горелые породы
глиежи
аргиллиты
песчаники
гидравлическая активность
адсорбционная активность
известковый раствор
метиленовый голубой
1. Майдуков Г.Л., Кислов Б.И., Григорюк М.Е. Эколого-экономический анализ твердых отходов угольных предприятий // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2009. № 1. С. 42–48.
2. Кара-сал Б.К., Сапелкина Т.В., Седен Б.Р. Вскрышные породы угледобычи в Туве и направления их применения // География Тувы: Образование и Наука: материалы Республиканской научно-практической конференции к 85-летию первого ученого-географа Тувы К.О. Шактаржика. Отв. ред. В.И. Лебедев. 2016. С. 54–58.
3. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Повышение эффективности производства автоклавных материалов // Известия вузов. Строительство. 2008. № 9. С. 10–16.
4. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие. Ростов на/Д.: Феникс, 2007. 368 с.
5. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов на основе минерально-щелочных и геополимерных вяжущих: учеб. пособие. Пенза: ПГУАС, 2013. 156 с.
6. Книгина Г.И. Строительные материалы из горелых пород. М.: Стройиздат, 1966. 207 с.
7. Дмитриев П.П. Известковая активация природных минеральных сорбентов для нефтепродуктов. Ташкент: Изд-во «ФАН» УзССР, 1975. С. 88.
8. Книгина Г.И. Исследование адсорбционной активности горелых пород и цемянок методом фотоэлектроколориметрии // Известия МВО СССР: «Строительство и архитектура». 1962. № 2. С. 98–106.
9. Олонцев В.Ф., Минькова А.А., Генералова К.Н. Исследование адсорбционной активности углеродных материалов // Master’s Journal. 2013. № 2. С. 87–97.

В связи с масштабной добычей каменного угля в Республике Тыва ежегодно растут объемы сопутствующих вскрышных пород. На данный период объем вскрышных сопутствующих пород в отвалах составляет более 70 млн т и занимает более 500 га земель. Всего в республике разрабатываются четыре месторождения каменного угля: Каа-Хемское, Усть-Элегестское, Чаданское и Межегейское. При этом на первых трех месторождениях добыча каменного угля ведется открытым способом, а на Межегейском месторождении применяется подземный способ. Нарастающие объемы отвалов вскрышных пород угледобычи оказывают негативное влияние на экологическую обстановку с загрязнением прилегающих территорий в результате водных и ветровых эрозионных процессов [1]. Поэтому актуальной задачей является исследование вскрышных пород угледобычи с выявлением химико-минералогических составов и их технологических характеристик, а также направлений их применения.

Целью работы является определение гидравлической и адсорбционной активности вскрышных пород в качестве активного компонента для их использования в производстве вяжущих веществ и строительных материалов. В качестве объектов исследования приняты вскрышные породы угледобычи – аргиллиты, глиежи и песчаники Усть-Элегестского, Чаданского и Каа-Хемского месторождений.

Результаты исследования и их обсуждение

Вскрышные породы угледобычи по происхождению относятся к осадочным и метаморфическим породам, которые образовались в результате уплотнения, гидратации и цементации глинистых, кварцевых и полевошпатовых минералов, а также других элементов, отложившихся над угольной толщей [2].

Изучение химического состава вскрышных пород показало, что они по составу близки к алюмосиликатному сырью с высоким содержанием оксидов кремния и алюминия (табл. 1).

В чаданских глиежах отмечается самое высокое содержание оксида кремния, а в каа-хемских песчаниках – высокое содержание оксида алюминия. При этом усть-элегестские аргиллиты, в отличие от других пород, отличаются повышенным содержанием оксида железа (Fe2O3 > 10 %) и значительным содержанием щелочных оксидов (K2O и Na2O) в сумме > 4 %, а песчаники Каа-Хемского угольного разреза отличаются содержанием щёлочноземельных оксидов (CaO и MgO).

Высокие величины потери при прокаливании (более 6 %) усть-элегестских аргиллитов и каа-хемских песчаников характеризуют содержание несгоревших углистых примесей в породе.

Минералогический состав исследованных пород, определенный методом рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-4) и электронной микроскопией (электронный микроскоп Hitachi ТМ-1000), идентичен по составу и характерен для алюмосиликатного сырья, где во всех образцах подтверждено наличие кварца, калиевого полевого шпата (рис. 1).

Усть-элегестские аргиллиты состоят из очень мелкозернистого кварца, плагиоклаза, гидрослюды и углистого детрита бурого цвета. Размер углистых обломков до 0,1 мм. Кроме того, в породе присутствуют хлопьевидные, комковатые образования органического вещества бурой окраски размером до 0,2–0,3 мм. В фазовом составе аргиллитов глинистых частиц материала – 20–24 %, кварца – 32–36 %, полевых шпатов – 26–28 %, органики – 10–15 %. В усть–элегестских аргиллитах в отличие от других пород выявлено наличие хлорита и слюды, а также следы кальцита и пирита.

Глиежи Чаданского месторождения представляют собой частично переплавленный алевролит. Алевролитовые частицы размером 0,1 мм представлены угловатыми обломками кварца, полевых шпатов. Связующая масса состоит из изотропной стеклофазы, иногда она заполняет трещины в обломках, выполняя роль кремнистого цемента и бурых железистых соединений – гематита.

В составе каа-хемских песчаников содержание кварца составляет 40 %, полевых шпатов – 20 %, доля других пород – 30 %. Кварц в обломках преобладает над полевыми шпатами в два раза. Каа-хемские песчаники отличаются незначительным содержанием каолинита, слюды, карбонатов со следами кальцита.

Тонкоизмельченные горелые породы, как и обожженные глинистые материалы, обладают способностью набухать при взаимодействии с известковым раствором и образованием гелеобразных соединений, склонных к последующей кристаллизации и отвердеванию, и могут использоваться как гидравлические добавки в вяжущих известково-пуццоланового типа, портландцементе и т.д. [3–5]. Гидравлическая активность горелых пород обусловлена содержанием в них SiO2, Al2O3 и Fe2O3, в свободной активной форме вступающих в реакцию с известью [6, 7].

Таблица 1

Химический состав вскрышных пород угледобычи

Название породы

Содержание оксидов, мас. %

SiO2

Al2O3

TiO2

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

п.п.п.

Усть-элегестские аргиллиты

69,40

9,15

1,68

11,10

1,25

1,52

3,96

0,92

6,72

Чаданские глиежи

75,44

9,44

1,88

9,08

0,69

0,70

2,22

0,47

3,10

Каа-хемские песчаники

68,46

11,73

2,07

4,65

2,50

2,48

2,01

0,93

6,27

 

sap1a.tif

а)

sap1b.tif

б)

sap1c.tif

в)

Рис. 1. Рентгенограммы вскрышных пород угледобычи: а – усть-элегестские аргиллиты; б – чаданские глиежи; в – каа-хемские песчаники

sap2.tif

Рис. 2. Поглощение Ca(OH)2 вскрышными породами: I – аргиллитом, II – глиежом, III – песчаником, в зависимости от времени обработок

Для определения гидравлической активности использован метод оценки количества поглощенной извести из ее насыщенного раствора вскрышными породами угледобычи. Насыщенный известковый раствор (НИР) гидроксида кальция [Ca(OH)2] с массовой долей в НИР составляет 0,13–0,17 %, концентрация НИРа ниже 0,05 н раствора соляной кислоты. Измельченные вскрышные породы угледобычи: аргиллиты, глиежи, песчаники фракцией менее 0,1 мм и в соотношении Т:Ж = 1:15 подвергали обработке насыщенным известковым раствором (НИР). При этом для известкования использовали только отстоявшуюся жидкость над осадком известкового раствора. Суспензию с породой взбалтывали, оставляли для осаждения взвеси и просветления раствора, после чего отбирали 10 мл раствора на определение его равновесной концентрации титрованием 0,05 н раствором соляной кислоты. Количество 0,05 н раствора соляной кислоты, расходуемое на титрование 10 мл НИРа составляло 9,2 мл. Зная равновесную концентрацию раствора, подсчитывали количество поглощенной извести вскрышными породами, затем отработанный раствор сливали и заменяли свежим НИРом. По окончанию процесса известкования породы промывали водой от Ca(OH)2 до нейтральной реакции по фенолфталеину и сушили при температуре 110 °С. На рис. 2 показана зависимость поглощения извести вскрышными породами от продолжительности контакта.

Процесс известкования вскрышных пород протекает в двух направлениях: адсорбция и десорбция. Процесс адсорбции гидроксида кальция вскрышными породами происходит в первые 15 мин, затем по мере насыщения поверхности минеральных частиц аргиллита, глиежа и песчаника молекулами гидроксида кальция в течение часа возрастает роль обратного процесса – десорбции молекул гидроксида кальция в раствор.

Последующее увеличение времени контакта с известковым раствором способствует заполнению поверхности минералов молекулами гидроксида кальция, т.е. образование мономолекулярного слоя на поверхности минералов.

Дальнейшая обработка НИР приведет к образованию второго слоя путем адсорбции молекул гидроксида кальция заполненной поверхностью минерала и т.д. При этом равновесная концентрация при переходе от предыдущей обработки к последующей уменьшается, это означает, что процесс адсорбции с дисперсией породы превалирует на этой стадии над процессом адсорбции без дисперсии [7, с. 18]. При известковании глиежами равновесная концентрация ниже, чем у остальных образцов (табл. 2), что соответствует наиболее высокой поглощающей способности по отношению к гидроксиду кальция, и соответственно гидравлической активностью.

В ходе выполнения работы изучено изменение состава содержания основных оксидов во вскрышных породах, обработанных известковым раствором (табл. 3).

Таблица 2

Данные по известкованию вскрышных горелых пород угледобычи

Время

адсорбции

Сравн, моль/л

Адсорбировано Ca(OH)2, ммоль/кг

Аргиллит

Глиеж

Песчаник

Аргиллит

Глиеж

Песчаник

15 мин

0,0410

0,0290

0,0430

2,50

8,50

1,50

30 мин

0,0417

0,0405

0,0425

2,15

4,00

0,75

1 час

0,0425

0,0380

0,0445

1,75

2,75

1,75

1 сутки

0,0360

0,0275

0,0375

5,00

9,25

4,25

3 суток

0,0130

0,0115

0,0205

15,2

16,0

11,5

7 суток

0,0135

0,0087

0,0175

16,5

18,6

14,2

 

Таблица 3

Процентное содержание главных окислов в образцах горелых пород после адсорбции Ca(OH)2 и величина их модулей активности

Название

породы

Массовая доля, %

Мг.ж (модуль

глинитно-железистый)

Ма (модуль активности)

Мс (модуль силикатный)

SiO2

Al2O3

Fe2O3

Аргиллит

54,85

18,04

11,46

0,53

0,32

3,04

Глиеж

65,73

15,30

9,12

0,37

0,23

4,29

Песчаник

64,42

14,32

8,31

0,35

0,22

4,49

 

Таблица 4

Результаты адсорбционной активности вскрышных пород угледобычи

Время контакта

с раствором МГ

Dср

A, %

аргиллит

глиеж

песчаник

аргиллит

глиеж

песчаник

15 мин

0,056

0,038

0,051

81,4

87,4

83,1

30 мин

0,054

0,032

0,035

82,1

89,4

88,4

1 ч

0,026

0,027

0,033

91,3

91,0

89,0

3 ч

0,066

0,029

0,033

78,1

90,4

88,0

сутки

0,082

0,031

0,043

72,8

89,7

85,7

 

По данным полуколичественного анализа исследуемых пород видно, что массовое содержание оксида кремния SiO2 уменьшилось, но значительно увеличилось содержание оксидов алюминия и железа. Из расчета глинитно-железистого модуля Мг.ж образцы горелых пород следует отнести к кремнисто-железистой группе с величиной равной 0,35–0,37 %, что характеризует их как активные породы, а аргиллиты характеризуются как высокоактивные (Мг.ж > 0,45 %) [6]. Согласно модульной классификации химическая активность пород тем больше, чем выше значение модуля активности (Ма) и ниже силикатный модуль (Мс), при Ма = 0,32 % и Мс > 3,04 % можно сделать вывод, что элегестские аргиллиты являются наиболее химически активными, чем глиежи и песчаники.

Изучение адсорбционной способности было определено путем испытания поглощения красителя адсорбентом (фотоэлектроколориметр КФК-2МП), в качестве которого применены тонкоизмельченные образцы вскрышных пород. Адсорбция осуществлялась при обработке адсорбента раствором красителя метиленового голубого (МГ) – исходной концентрации 0,10 %, объемом раствора – 50 мл, при навеске адсорбента 0,3 г и минимальным временем контакта 15 мин [8, 9]. Результаты адсорбционной активности образцов представлены в табл. 4.

За время контакта МГ с адсорбентом в течение первого часа происходит значительное обесцвечивание раствора красителя МГ, что является ростом адсорбционной активности. Падение оптической плотности (Dср) горелых пород после часа контактирования с красителем соответствует росту гидравлической активности по поглощению адсорбентом гидроокиси кальция из водного раствора ммоль/кг после часа адсорбции.

Оптическая плотность данных пород изменяется от 0,026 до 0,082, что характеризует их как адсорбенты средней активности и величиной емкости поглощения 6÷14 мг-экв.

Заключение

По химико-минералогическому составу вскрышные горелые породы угледобычи идентичны природному алюмосиликатному сырью с содержанием высокоактивных модификаций кремнезема, глинозема и железистых соединений. Исследование гидравлической и адсорбционной активности данных пород позволяет их использовать как минеральный адсорбент для осветления различных сред, применение в качестве компонента для производства керамических изделий и как минеральную добавку для вяжущих веществ или в качестве микронаполнителей в асфальтовых и полимерных композициях.


Библиографическая ссылка

Сапелкина Т.В., Кара-сал Б.К. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ И АДСОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД УГЛЕДОБЫЧИ ТУВЫ // Фундаментальные исследования. – 2018. – № 9. – С. 7-12;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=42254 (дата обращения: 23.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074