CC BY
95
ГЕОЛОГИЯ, ПОИСК И РАЗВЕДКА МПИ
МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ ПОТЕНЦИАЛ УДК 553
ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД КАК
ФАКТОР СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЮВ- Павленк°
РАЗВИТИЯ РОССИИ д-р геол.-минер. н., профессор
каф. ОПИиВС, ЧитГУ
Научные интересы: минерагеническая, геохимическая специализация, рудоконтролирующее значение, рудоконтролирующие структуры и обстановки.
В статье приведены основные характеристики цеолитов, история возникновения, использования и вклад цеолитсодержащих пород в социально-экономическое развитие СССР и России. Экономическое развитие региона показано на примере развития Сибирформа ■
In this article the general characteristic of the zeolites, histori of the discoveri and exploration of the zeolite in Russia and former USSR, the potential of the zeolite resources in general zeolite provices of Russia is presented. The significance of the untraditional type natural mineral resources for social-economic development of the regions is showed on the example of the «Sibirform» ■
* *
Цеолиты - это обширная группа водных алюмосиликатов (41 минеральный вид), из которых 7 широко распространены и образуют промышленные скопления в виде цеолитсодержащих пород (ЦП). Цеолиты, вместе с полевыми шпатами и фельд-шпатидами, представляют минералы, имеющие пористую структуру. Однако лишь в цеолитах полости достаточно крупные и сливаются в каналы, системы пересекающихся каналов, что обеспечивает им огромную внутреннюю поверхность, способность терять молекулы воды без разрушения каркаса при гидратации (например, путем нагревания) и поглощать их снова или другие химические элементы, вещества при регидратации. В природных цеолитах вместе с электролитоподобной водой часто находятся и газы.
С позиций химизма цеолиты пред-
*
ставляют кристаллогидраты (соли, содержащие молекулы Н20, входящие в полости соединений включения), в которых полимерный анионовый каркас из поликонденсированных [8Ю4]4" и
[А104]5- тетраэдров имеет усредненный отрицательный заряд, а гидротирован-ные катионы кальция, натрия, реже калия - усредненную положительную валентность. Присутствие в пустотах цеолитов воды и катионов объясняется необходимостью компенсировать заряд каркаса при замещении 4+ на А1 3+.
В качестве основных свойств цеолитов, определяющих области их традиционного использования, чаще рассматриваются морфология и плотность цеолитов, свободный объем или открытая поверхность, адсорбция цеолитами газов, дигидрационные свойства, термостабильность, каталитическая способность и ионный обмен. Однако опреде-
ляющими при оценке качества полезного ископаемого являются и другие многочисленные физико-химические свойства, которыми можно управлять методами активации, модифицирования, создания композитных материалов на основе цеолитов и пр. Выявленные необычные для минералов токсикологогигиенические, медико-биологические и иные свойства свидетельствуют о том, что цеолиты являются переходной разностью природных образований между неживой и живой природой. Они - воистину непризнанные звезды интеллектуальных минералов и заслуживают пристального внимания науки, т.к. открывают возможность получения новых экзотических материалов и разработки необычных технологических решений.
В начале ХХ в. микропористую структуру цеолитов использовали для получения синтетических цеолитов (их более 100). При всей своей высокой эффективности синтетические цеолиты, однако, достаточно дороги. Гораздо более доступные вулканогенно-осадочные цеолиты обнаружены в 1928 г. Практическое применение их началось во второй половине ХХ в. Эксплуатация вулканогенно-осадочных месторождений в Японии, Болгарии, США и ряде других стран оказалась экономически высокорентабельной /10, 11/, а углубленное изучение свойств природных цеолитов открывало все новые возможности для крупномасштабного использования их во многих сферах человеческой деятельности.
Природные цеолиты стали предметом обсуждения ряда международных конференций, которые систематически проводятся с 1967 г., а также небывалый всплеск открытий, связанных с ними. Определились три основных направления использования цеолитов: охрана
окружающей среды, промышленность, сельское хозяйство.
В СССР геологоразведочные работы на природные цеолиты впервые начаты в 1968 г., а затем они охватили все перспективные районы страны. За короткий срок выявлены десятки проявлений, в том числе ряд крупных, расположенных в Закарпатье, Закавказье, Средней Азии, Сибири, Приморье, на Сахалине и Камчатке. Общие прогнозные ресурсы ЦП на 1985 г., оцененные на территории СССР, составляли около 4 млрд т /1 /.
Открытие в Сибири, на Дальнем Востоке (позже и в других регионах России) крупных проявлений объективно поставило на повестку дня вопрос оценки возможностей практического использования ЦП. Для этих целей в
1984 г. Госпланом РСФСР разрешено областным исполкомам организовывать производство опытных партий ЦП перспективных месторождений для испытаний по ряду созданных республиканских и союзных научно-исследовательских программ. В 1986 г. принято постановление Совета Министров РСФСР № 344 «О применении природных цеолитов в народном хозяйстве РСФСР», в 1987 г. - постановление Госплана
РСФСР № 167 о республиканской программе «Опытно-промышленные испытания и определение масштабов использования природных цеолитов в народном хозяйстве РСФСР в 1987-1990 гг. (РНТП Р.087.03)», дополнение к этой программе от 17.02.1987 г. № 39-49 и всесоюзная программа проведения научно-исследовательских испытаний цеолитов Шивыртуйского месторождения в животноводстве. Кроме того, для этих же целей в программе «Сибирь» действовала подпрограмма «Цеолиты Сибири», затем программы «Цеолиты Рос-
сии», «Ресурсосберегающие технологически безопасные процессы горнометаллургического производства (эко-горметкомплекс будущего)». Ведущей организацией их являлось СО РАН (г. Новосибирск).
Различными испытаниями установлено, что ЦП могут обеспечить научно-технический прогресс по многим направлениям науки и практики. Однако жизненно необходимым является увеличение производства продуктов питания, которого можно достичь, причем очень быстро, дешево и при малых капитальных затратах, применяя цеолиты. Учитывая актуальность исследований, вопросы расширения их в стране, координации рассмотрены на совещании у члена Партбюро, секретаря ЦК КПСС т. В.П. Никонова (02.09.1988 г.), стимулировавшем изучение природного сырья. Поскольку по значимости природные цеолиты выходят на первое место среди нерудных полезных ископаемых, по мнению зарубежных специалистов, 70-е гг. знаменуют вступление человечества в «цеолитовый» век - в связи с глобальной проблемой оздоровления и охраны окружающей среды /6/ и эффективностью использования цеолитов и для этих целей.
К сожалению, с распадом СССР, в России сколько-нибудь значимые исследования цеолитов прекратились, а природное сырье практически не используется.
Результаты геологических исследований на конец XX в. свидетельствуют, что природные цеолиты являются достаточно распространенным полезным ископаемым. Занимая вслед за карбонатами 6 место по “распространенности и массе в стратосфере” /6/, на практике природные цеолиты известны, однако, ограниченному кругу специали-
стов из-за сложности их диагностики.
В настоящее время в России выделено 10 цеолитоносных провинций, 7 из которых находятся в Сибири и на Дальнем Востоке /3/. Цеолитовая минерализация развивается в возрастном интервале от силура до эоплейстоцена (около 438 млн лет).
В пределах Восточно-Европейской провинции в Калининградской, Орловской, Брянской, Волгоградской, Самарской, Саратовской, Ульяновской и др. областях, в Татарстане, Мордовии, Чувашии выявлены десятки перспективных проявлений с относительно невысоким содержанием клиноптилолита (15-50 %). Наиболее значимые прогнозные ресурсы верхнемеловых ЦП только Татарстана на 4 перспективных площадях (117 км 2) оценены в 3,2 млрд м3, т.е. составляют около 5 млрд т /7/.
В Северо-Кавказской провинции цеолитоносность связана с палеоген-эоценовыми карбонатно-кремнисто-
цеолитовыми отложениями, узкой полосой протягивающимися вдоль северного склона Кавказа по территории Адыгеи, Краснодарского края и эоцено-выми глауконит- кварц-цеолитонос-ными песками Ростовской области; прогнозные ресурсы оценивается в 600 млн т /8 /.
В Восточно-Уральской провинции известны небольшие объекты ломон-титсодержащих пород. Здесь на Комсомольском колчеданном месторождении выявлены наиболее древние цеолиты России, представленные ломонтитом, стильбитом, гейландитом, гармотомом, содержание которых достигает 95 % /5 /.
Из провинций востока России по экономической целесообразности использования ЦП наиболее перспективны Алтае-Саянская, Тихоокеанская и Монголо-Охотская. В Алтае-Саянской
провинции известно 4 наиболее крупных объекта палеозойского возраста с содержанием клиноптилолита (гейлан-дита) 15-75 %: Пегасское (Кемеровская область), Пашенское, Вознесенское и Назаровское (Красноярский край); минерально-сырьевой потенциал трех первых оценивается соответственно 226, 414 и 330 млн т ЦП /5/. В Тихоокеанской провинции цеолитовая минерализация представлена 18 меловыми и кайнозойскими объектами с содержанием клиноптилолита, иногда морденита 15100 %. При этом намечается тенденция большей концентрации цеолитов в породах более молодого возраста. Минерально-сырьевой потенциал объектов колеблется от 8 до 1000 млн т; три наиболее крупных объекта (более 200 млн т ЦП) находятся в Камчатской области /3/.
Монголо-Охотская провинция
простирается вдоль Транссибирской и Байкало-Амурской железных дорог от озера Байкал до Тихого океана. На ее территории известно несколько десятков проявлений пунктов минерализации цеолитов в вулканогенных, вулканогенно-осадочных породах поздней юры-раннего мела. Аномально высокая концентрация объектов ЦП сосредоточена в южной, наиболее освоенной, части Читинской области. По состоянию на 01.01.2003 г. Территориальным агентством «Читанедра» учтено 22,3 млрд т прогнозных ресурсов ЦП всех категорий, цеолиты в которых представлены клиноптилолитом, иногда морденитом, шабазитом и др. минеральными видами. Кроме того, вблизи основных транспортных путей детально разведаны участки 1-й очереди очень крупных Ши-выртуйского и Холинского месторождений с суммарными запасами промышленных категорий 1,3 млрд т и средним содержанием полезных компо-
нентов более 60 %. Минерально-
сырьевой потенциал только Шивыртуй-ского месторождения оценивается в 14,5 млрд т ЦП, который может использоваться 20 веков. В целом же оцененный минерально-сырьевой потенциал южной части Читинской области превышает таковой СССР по состоянию на
1985 г. (начало систематических геологоразведочных работ в области) почти в 6 раз / 4/.
Таким образом, в Читинской области создана крупнейшая в России сырьевая база ЦП трех видов цеолитов-клиноптилолита (гейландита), мордени-та и шабазита, которая до сих пор не востребована, несмотря на огромный экономический и социальный эффект, который может быть получен от ее использования (в животноводстве прибыль на 1 руб. затрат составляет 13 руб.).
Использование ЦП России экономически приоритетно по следующим причинам:
- наличия огромных прогнозных ресурсов различных минеральных типов на значительной части обжитой территории страны, а также разведанных промышленных запасов, которые могут отрабатываться открытым способом не менее 100 лет. В Читинской области вблизи разведанных месторождений прогнозируются несколько не менее крупных месторождений ЦП;
- благоприятных геологических,
горнотехнических условий разработки месторождений, характеризующихся
простотой их строения, пологим залеганием полезного ископаемого, небольшой мощностью вскрышных пород, а также элементарной технологией переработки сырья (дробление, фракционирование, расфасовка), безотходно-стью производства и многоцелевым эф-
фективным использованием продукта в промышленности, сельском хозяйстве, экологии, не менее чем по 30 перспективным направлениям с большими положительными социальными последствиями;
- высокой технологичности минерального сырья, открывающей возможность разработки принципиально новых экологичных технологий, композиционных материалов, катализаторов, различного рода средств профилактики, защиты, накопления, утилизации, очистки и т.д. При этом сырье может использоваться в природном виде или служить основой для получения активированных, модифицированных и синтетических цеолитов с еще более выраженными и управляемыми специфическими свойствами;
- уникальных сорбционных, ионообменных, каталитических и массы иных особенностей цеолитов, вызывающих биологический эффект, который с успехом может использоваться в альтернативной медицине, для профилактики заболеваний у людей и животных, улучшения санитарно-гигиенической обстановки и экологии промышленных центров;
- многократного использования ЦП в некоторых технологических процессах и возможности переработки, утилизации отработанного и загрязненного продукта без сколько-нибудь заметных воздействий на окружающую среду.
Основные социально значимые направления использования сырья:
- экология - как наиболее востребованное, постоянное и все более актуальное направление с неограниченным спросом, удовлетворение которого возможно практически по всему спектру. Однако приоритетным является подго-
товка, очистка, улучшение качества питьевой воды (многие регионы лишены чистой воды), воздушного пространства крупных городов и промышленных центров, оздоровление районов радиоактивного заражения;
- новое мощное профилактическое направление для оздоровления людей и животных. Имеются многочисленные доказательства о чрезвычайно высокой эффективности цеолитов при использовании биологически активных пищевых добавок, в составе дешевых хирургических и прочих медицинских препаратов и ветеринарных средств /9/; зарождается новая перспективная отрасль материального производства для массового потребления с низкой себестоимостью продуктов и высокой эффективностью использования, способная вытеснить многие дорогие лекарственные и ветеринарные средства;
- сельскохозяйственное направление обеспечивает получение экологически чистой, высококачественной продукции, существенное повышение продуктивности животноводства, растениеводства (особенно на плохих почвах и в тепличных условиях), рыбоводства, сохранность продукции, новые композиционные почвы, удобрения и пр.;
- новые строительные материалы типа Сибирфома, которые на порядок лучше известных в мире строительных материалов, предназначенные для массового жилищного и промышленного строительства, способные преобразить города и быт его граждан из-за высоких звуко-теплоизолирующих, микропористых, радиационно-защитных, декоративных свойств, чрезвычайной экономичности и легкости.
Результаты ограниченных исследований ЦП только 2-3 минеральных видов не оставляют сомнения в огром-
ной социально-экономической значимости этого перспективного сырья в развитии России. Эффект может быть получен по всем многочисленным направлениям возможного использования сырья, включая тщательные научные исследования. Учитывая же сегодняшнее экономическое состояние отдельных отраслей государства, наиболее существенный прорыв в массовом использовании ЦП может быть достигнут в строительной индустрии, путем внедрения конструкционного и строительного материала (Сибирфома), получаемого при высокотемпературном (до 1250 °С) вспучивании цеолитизированных туфов различных месторождений.
Сибирфом создан в лаборатории твердосплавных превращений Института минералогии и петрографии ОИГГМ СО РАН /5/. Он представляет пористый алюмосиликатный материал типа пено-стекла-пеностеклокристаллита с низкой плотностью (200-950 кг/м3), замкнутой пористостью (диаметр пор 0,5-5 мм), высокой механической прочностью при сжатии (до 18 МПа) и на изгиб (до 6 МПа), теплоизолирующий (коэффициент теплопроводности 0,06-0,28 Вт/м-°К). Он негорючий, морозо- и огнестоек, не размокает в воде, экологически безвреден, звукоизолирующий, легко обрабатывается под любой профиль и окрашивается в любые невыцветающие цвета. По предварительным расчетам, использование блочного материала в зданиях вместо обычного керамического кирпича позволяет уменьшить толщину стен в 4-13 раз /2/.
Примечательно, что в качестве основы шихты Сибирфома могут использоваться ЦП большинства месторождений даже с невысоким содержанием цеолитов, часто не кондиционных для применения по другим направлениям.
Это обеспечивает полноту использования минерального сырья, снижает нагрузку на окружающую среду, повышает рентабельность отработки месторождений. Туфы, туфоалевролиты, туфоар-гиллиты с низким содержанием цеолитов вспучиваются при наличии монтмориллонита, который является дополнительным источником высокотемпературного пара воды, необходимого для вспучивания. «Механизм вспучивания природных цеолитов включает преобразование молекулярной воды цеолитов в термоустойчивые структурные гидроксильные группы, спекание породы, приводящее к капсулизации в замкнутых микропорах паров воды, образующихся при гидроксилизировании алю-мосиликатной поверхности и плавление породы до пиропластического состояния, при котором давление газа в порах приводит к их росту» /2/.
Гранулированный Сибирфом как искусственный пористый заполнитель изготавливается по традиционным керамическим технологиям.
Приготовление шихты для производства блочного Сибирфома не требует тонкого помола (ввиду микрокристалличности цеолитов) и тщательной гомогенизации, одноразовое ее нагревание обеспечивает значительное энергосбережение по сравнению с традиционными методами получения пеностекла. Для понижения температуры перехода шихты в пиропластическое состояние, придания Сибирфому специальных свойств (радиационно-защитных, цветовой окраски и др.) в шихту вводятся добавки (окислы металлов, отходы металлургического производства и пр.), для повышения механической прочности, снижения ударной хрупкости -волокнисто-игольчатые минералы, металлическая проволока. Для нанесения
электропроводящего слоя, декоративной обработки на поверхность плитки из Сибирфома с помощью плазмотрона напыляется слой латуни, алюминия, меди и др. материалов, а также цветных глазурей.
По Л.К. Казанцевой, возможны три основных способа получения блочного Сибирфома: порошковый, метод «гравий-пудра» и бесформовый /2/.
При порошковом способе ЦП измельчают до фракции не грубее 1 мм (определяется свойствами ЦП), смешивают (при необходимости) с газообра-зователем и другими технологическими добавками, засыпают в жаропрочные формы, вспенивают (температура 11001250 ° С или меньше при добавлении плавней). Способ «гравий-пудра» обеспечивает получение Сибирфома оригинальной брекчиевой текстуры. Шихта состоит из смеси порошка ЦП с технологическими добавками и гравия вспучивающейся ЦП (до 50 % размером 0,550 мм), добавка которого существенно снижает энергетические затраты.
Формирование блочного Сибирфома осуществляется в течение 25-30 ч и включает следующие процессы /2/:
1) дегидратации, аморфизации ЦП и других водных алюмосиликатных минералов, спекания смеси, размягчения массы при температуре 0-1100 °С;
2) плавления ЦП, стеклообразова-ния, формирования газовой фазы в замкнутых порах и ячеистой структуры при температуре 1100 - Тмак°С;
3) созревания ячеистой текстуры при Тмак°С;
4) затвердевания ячеистой структуры (Тмак- 900 °С);
5) обжиг пористой структуры (снятие напряжений) при 900-5000 °С.
ИМП ОИ1Г М СО РАН выделены следующие марки блочного Сибирфома /5/:
- строительная - равномерно макропористый, легкий, прочный, негорючий, звуко-теплоизолирующий, замкнутопористый для несущих строительных элементов Сибирфом (блоки, кирпичи, пластины, теплоизолирующие и звукопоглощающие покрытия), предназначенный для принципиально новых инженерно-архитектурных решений в производственном и жилищном строительстве;
- конструкционная - равномерно тонкопористый, легкий, замкнутопористый, прочный, негорючий, звукотеплоизолирующий, легко обрабатываемый под профиль Сибирфом для машиностроения, включая судостроение (надводные и подводные суда), самолетостроение, строение космических аппаратов, энергетических, тепловых установок и др.;
- радиационно-защитная - поглощающий у-излучение (толщина листа данной марки в 15 см соответствует такой способности листового свинца толщиной в 1 см), замкнутопористый, прочный, тепло-звукоизолирующий, негорючий Сибирфом для специального машиностроения (реакторы, защитные устройства и хранилища радиоактивных веществ, космические аппараты и станции);
- декоративная - легкий, негорючий, тепло-звукопоглощающий с широким ассортиментом текстуры (однородный, мозаичный) и цветов (снежно- белый, бежевый, коричневый, светлосерый, темно-серый, черный, светлоголубой до ярко-синего) Сибирфом для внутренней и наружной облицовки зданий, других отделочных работ и украшений.
Лабораторные испытания проведены на ЦП Шивыртуйского, Хонгу-ринского (Саха-Якутия), Середочного
(Хабаровский край) и Пашенского (Красноярский край) месторождений. Опытно-промышленными испытаниями ЦП Шивыртуйского месторождения в условиях производственного цеха ЗАО «Золокерам» (г. Новосибирск) получены блоки Сибирфома размером 450 х 450 х 140 мм с плотностью 350 кг/м 3 и пределом прочности на сжатие 6,4 МПа.
Результаты выполненных исследований обеспечивают научный прогноз для разработки низкотемпературных (700-900° С) технологий изготовления пеноматериалов ячеистой структуры на основе ЦП.
Таким образом, на примере научных разработок только по производству и использованию необычных строительных материалов на основе ЦП (Си-бирфома) показана целесообразность совершенствования и освоения огромных минерально-сырьевых ресурсов нетрадиционного минерального сырья России, обеспечивающего получение больших положительных социальноэкономических эффектов по многим направлениям его использования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Буров, А.И. Геология и основные закономерности размещения месторождений цеолитов Сибири и Дальнего Востока: авто-реф. дис. канд. геол.-минер. наук / А.И. Буров. - Новосибирск, 1985. - 16 с.
2. Казанцева, Л.К. Формирование ячеистой структуры и технология пеноматериалов из
цеолитсодержащего сырья: автореф. дис. на соиск учен. степ. докт. техн. наук / Л.К. Казанцева. - Томск, 2002. - 42 с.
3. Колодезников, К.Е. Цеолитоносные провинции востока Сибирской платформы / К.Е. Колодезников. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. - 224 с.
4. Павленко, Ю.В. Промышленная цеоли-тоносность орогенно-активизированных структур Восточного Забайкалья: автореф. дис. на соиск учен. степ. докт. геол. -мин. наук / Ю.В. Павленко. - Чита, 2000. - 45 с.
5. Природные цеолиты России: Геология, физико- химические свойства и применение в промышленности и охране окружающей среды. Т. 1: Тез. Респуб. совещания «Природные цеолиты России», 25-27 ноября 1991 г., Новосибирск / РАН, Сиб. отд-ние, Объед. ин-т геологии, геофизики и минералогии. - Новосибирск, 1992. - 171 с.
6. Супрычев, В. А. Генетическая типизация цеолитов стратиформных формаций / В.А. Супрычев, С.И. Кирикилица. - М., 1980. - 50 с.
7. Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение. - Казань: Фэн АН РТ, 2000. - 176 с.
8. Цеолиты: эффективность и применение в сельском хозяйстве (Части I, II). - М: ФГНУ «Росинформагротех», 2000. - 632 с.
9. Шивыртуйские цеолиты на службе здоровья животных и человека. - Чита, 2005. -148 с.
10. Cаractereristics and uses of natural zeolite. - Raatsu Casu, 1968, 15, №3.
11. Deffeyees K.S. Natural zeolite deposits of potential commecial use, moleculas sieves . - London. - «Soc. Chem. Ind.», 1968. P. 7-9.
