Нетрадиционные виды минерального сырья и экологические аспекты применения агроруд в современных технологиях и нанотехнологиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Нетрадиционные виды минерального сырья и экологические аспекты применения агроруд в современных технологиях и нанотехнологиях

Вы будете изучать

· Понятие о нетрадиционных видов минерального сырья используемого в сельском хозяйстве

· Основные виды нетрадиционного минерального сырья, их происхождение, состав, свойства, основные запасы и месторождения.

Цели модуля

· Изучить состав, свойства нетрадиционных видов минерального сырья и возможность использования в сельском хозяйстве.

· Рассмотреть возможность применения минерального сырья в нанотехнологиях

После изучения модуля вы сможете

· Определять нетрадиционные виды минерального сырья

· Оценивать агрономические руды с экологической точки зрения

Основная литература

1. «Агроруды и другие виды минерального сырья» (Учебное пособие) Гришин П.Н., Кравченко В.В. Изд-во СГУ, 2010, с.56-93.

2. Бондарев В.П. Геология.: М. ФОРУМ-ИНФРА-М, 2007.-218с.

3. Борголов И.Б. Курс геологии. - М.: Агропромиздат, 1989. - 216 с.

Наряду с основными видами агроруд (фосфоритами, апатитами, калийными солями), косвенными удобрениями (известняками, гипсом) для нужд сельского хозяйства могут со значительным эффектом применяться и другие виды полезных ископаемых, которые пока используются в сельском хозяйстве России очень мало или не используются совсем. К ним относятся минералы и горные породы, которые повышают эффект действия средств химизации в сельском хозяйстве.



Нетрадиционные виды минерального сырья

Возможное применение нетрадиционных полезных ископаемых в сельском хозяйстве

Сфера применения	цеолиты	бентониты	глаукониты	палыгорскит	вермикулит	торфовивианиты	сынныриты	Диатомиты и трепел	перлиты
Земледелие
Известкование, удобрение полей		+	+		+	+	+
Структурообразование		+		+
Адсорбция из почвы пестицидов, ядовитых веществ ( тяжелых металлов, радионуклидов)	+	+	+	+				+
Регулирование водообмена в почве	+	+	+	+				+
Понижение кислотности почв	+
Рекультивация почв			+
Грануляция семян				+	+			+
Гидропонные материалы	+			+	+	+			=
Комбикормовая промышленность
Производство комбикормов и концентратов	+	+		+			+	+
Химическая промышленность
Наполнители ядохимикатов	+			+				+
Производство жидких комплексных удобрений		+		+				+
Антислеживатели минеральных удобрений	+			+	+			+
Животноводство
Добавки к кормам	+	+		+	+
Стимуляторы роста рыб и очистки водоемов	+		+
Гигиеническая подстилка для скота	+			+	+
Очистка стоков и дезодорация	+	+	+					+
Выращивание хлореллы на корм	+		+
Пищевая промышленность
Очистка масел, сиропов	+	+		+				+
Холодильное дело					+
Транспортировка и хранение продукции
Хранение овощей, картофеля, фруктов	+			+	+			+
Упаковка луковичных продуктов для транспортировки				+	+

Природные адсорбенты

К природным адсорбентам относится целая группа осадочных горных пород и минералов, обладающих высокими адсорбционными, каталитическими и ионно-обменными свойствами. К ним относятся цеолиты, монтмориллонитовые породы, а также кремнистые породы: бентониты, диатомиты, опоки, трепелы, вермикулиты, перлиты.

Цеолиты. Водные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных элементов. Были открыты в 1756 г. А. Ф. Кронштедтом, который назвал их цеолитами (по-гречески -- вскипающие камни) из-за установленной в процессе опыта способности этих минералов «вскипать» при нагреве. Практическое применение природных цеолитов началось лишь в 70-х годах нашего столетия.

Каркас кристаллической решетки цеолитов построен из крем-некислородных тетраэдров, связанных в цепочки и кольца, благодаря такому строению кристаллической решетки цеолитов образуется система взаимосвязанных микрополостей, в которых размещаются молекулы воды и обменные катионы. Суммарный объем пор и каналов может достигать 50% объема минерала. Известно более 40 структурных разновидностей цеолитов.

Важнейшие особенности цеолитов -- регидратация, молекулярно-ситовой эффект, избирательная поглотительная и ионно-обменнаяспособности. Указанные свойства, а также пористая микроструктура цеолитов определяют их уникальные полезные свойства как сорбентов, «молекулярных сит» и катализаторов различных природных и производственных процессов. В природе известно около 40 минеральных видов цеолитов.

Наиболее широко распространены в природе следующие цеолитовые минералы: анальцим, клиноптилолит, морденит, хабазит, ломонтит, филлипсит, эрионит, фотасит.

Первое месторождение природных цеолитов в бывшем СССР -- Быдхызскюе -- было открыто в 1969 г. Сегодня в различных регионах страны известно более 30 месторождений этого сырья, представленного, в основном клиноптилолитом и морденитом.

В сельском хозяйстве цеолиты применяются давно. В Японии например, окультурирование почв цеолитами -- многовековая традиция. Они используются для регулирования кислотности почв, содержания влаги и уничтожения неприятного запаха вносимых органических удобрений. Имеются сведения, что клиноптилолит способствует удержанию в почве азота. Цеолиты адсорбируют из почвы токсичный мышьяк, кадмий, свинец, цинк и медь. В Болгарии цеолиты используют при выращивании клубники.

Известны опыты эффективного применения цеолитов в животноводстве и птицеводстве в качестве кормовых добавок, повышающих продуктивность скота и птицы, для дезодорации помещений. Способность природных цеолитов избирательно сорбировать аммоний из растворов используется для очистки вод в рыбоводстве. Доказана высокая эффективность применения цеолитов для сушки влажного зерна, использования его в качестве минерального субстрата в гидропонике, как антислеживателей удобрений. Суммарная ежегодная потребность в цеолитах для сельского хозяйства определяется в 1,5--2 млн т.

Наиболее крупными из выявленных на территории России месторождений цеолита являются Пегасское в Западной Сибири (Кемеровская область), Хонгуруу в Якутии, Холинское в Восточной Сибири (на границе Бурятией и Читинской области), Чугуевское в Приморье, Лютогское на Сахалине.

Пористая открытая микроструктура цеолитов определяет их полезные свойства: адсорбционные, молекулярно-ситовые, ионно-обменные и каталитические. Различные отрасли промышленности давно и активно использовали искусственные аналоги этих минералов. Считалось, что в природе они редки и не образуют значительных скоплений. В 50-е гг. при изучении вулканических туфов выяснилось, что во многих случаях то, что считалось нераскристаллизованной стекловатой массой силикатного состава, на самом деле состоит из мельчайших кристалликов цеолитов. Было установлено, что цеолиты встречаются во многих осадочных породах (песчаниках, глинах и других) нередко как породообразующие минералы, в глубоководных океанических осадках, среди продуктов выветривания, и в почвах. Малая стоимость природных цеолитов (по сравнению с синтетическими) позволяет широко применять их в сельском хозяйстве ( в Японии и США на эти цели идет более половины добычи цеолитов).

В сельском хозяйстве и химической промышленности редко применяют не мономинеральные концентраты, а разнообразные горные породы, содержащие от 10 до 96% цеолитов (приложение 1). В зависимости от дозы цеолитовых пород, сопутствующего применения удобрений, степени окультуренности почвы и других условий, повышение урожайности различных культур (овощных, зерновых, технических и т. п.) может составлять до 30 и более процентов.

Обобщая имеющиеся материалы о применении цеолитов в сельском хозяйстве, исследователи отмечают, что наиболее целесообразно их использовать на кислых слабоокультуренных почвах. Максимальный эффект при этом наблюдается при совместном использовании удобрений и цеолитовых пород. При недостатке минерального питания внесение цеолитов может оказать даже отрицательное действие на урожайность в связи с поглощением ионов калия и аммония. На хорошо окультуренных почвах урожайность заметно повышается только при внесении больших доз удобрений. Установлено, что в первый год действия цеолиты активно сорбируют биофильные элементы, что приводило к некоторому снижению урожайности. В последующие годы происходит десорбция элементов питания в почву, что способствовало повышению урожайности. Положительное действие от применения цеолитовых пород-- многолетнее.

Эксперименты показали, что положительный эффект наблюдается при любом размере вносимых в почву пород (вплоть до 10 см), однако крупные фракции все же менее эффективны, оптимальный размер частиц -- менее 1...2 мм.

Цеолиты комплексно влияют на повышение урожайности.

Образование цеолитов может быть связано с магматическими, метаморфическими, гидротермальными и осадочным процессами. Возникают они также при процессах выветривания и почвообразования.

Промышленное значение имеют два генетических типа залежей: вулканогенно-осадочный и осадочный (последний в кремнисто-карбонатных и терригенно-кремнистых формациях).

Вулканогенно-осадочные месторождения цеолитов образуются в результате диагенетических и гидротермально-диагенетических преобразований вулканического стекла тонкораздробленного пирокластического материала (пепла) кислого и среднего состава, отложенного в водной среде (в озерах, лагунах, морях). Цеолитизированные вулканические туфы залегают в виде пластов значительной мощности, характеризуются простым видовым минеральным составом, высоким содержанием цеолитов. Количество новообразованных цеолитов зависит от первоначального содержания вулканического стекла. Основная масса цеолитов тонкодисперсна. Размер кристаллов не превышает обычно 6 мк (редко до 10... 15 мк). Кроме цеолитов, вулканических туфах обычно присутствует монтмориллонит, полевые шпаты, кварц, хлорит, халцедон, гидрослюды, гидроокислы железа.

Такие цеолитизированные вулканические туфы с мощностью пластов 0,5,.. 150 м широко распространены в областях молодого вулканизма эксплозивного (взрывного) характера. Их возраст в нашей стране -- позднемеловой -- четвертичный. Цеолитов в породе 60...95%. Они представлены клиноптилолитом, реже морденитом, в отдельных случаях филлипситом, гейланднтом и анальцимом.

Осадочные месторождения цеолитов приурочены к платформам. Цеолиты здесь образуются при диагенезе морских осадков, обычно при отсутствии вулканического стекла (но оно может и присутствовать). Цеолиты представлены клиноптилолитом, который формируется за счет биогенного аморфного кремнезема и других высокореакционных компонентов, содержащихся в морских осадках различного состава (глинистых, карбонатных, терригеныых, кремнистых, фосфатных). Содержание цеолитов в породе невелико - от долей процента до 10...20%.

Например, в низовьях Дона цеолиты содержат тонкозернистые слаболитифицированные глауконит-кварцевые пески эоценового возраста, залегающие в виде линз, мощностью 9...20 м, протяженностью 0,7...2 и 4...5 км. Цеолиты (10... 12%, иногда до 20%) в основном содержатся в алевритовой фракции. Такие цеолитизированные породы широко распространены в позднемеловых и палеогеновых отложениях центральных, южных и западных районов европейской части страны, а также на восточном склоне Урала.

Полевая и лабораторная диагностика всех цеолитовых пород затруднена чрезвычайно мелкими размерами кристаллов, отсутствием специфических внешних признаков и простых реакций при их определении. Основным методом их изучения является рентгеновский анализ. Цеолитовые породы разного минерального состава по внешнему виду неразличимы, похожи на многие породы -- вулканические туфы, глины, диатомиты, трепелы, опоки и др. Как правило, при цеолитизации сохраняются структурные и текстурные особенности исходных пород. У вулканогенных пород преобладает пепловая структура, у обломочных - алевритовая, или песчаная, в некоторых случаях брекчиевидная, у биохемогенных -микрокристаллическая, или пелитоморфная. Текстура чаще полосчатая, слоистая (с косой или горизонтальной слоистостью), но может быть и однородной. Это обычно легкие, иногда опаловидные породы белого, светлосерого, голубоватого, зеленого, желтого или кирпично-красного и других цветов.

Осадочные месторождения пока привлекают меньше внимания в связи с не высоким содержанием в них цеолитов. Присутствие в этих породах других полезных компонентов (глауконита, фосфатов и др.), возможно, заставит в будущем произвести переоценку значения залежей такого типа.

Большая часть известных месторождений цеолитов связана с районами молодого вулканизма -- мезозойского и кайнозойского (в том числе и четвертичного), хотя они известны и в более древних породах.

Месторождения цеолитов известны в Красноярском крае, Кузбассе, Приморье, Якутии, на Камчатке, Сахалине и в других местах, месторождения осадочных пород с высоким содержанием цеолитов установлены во многих областях европейской части России.

Монтмориллонит. Глинистый минерал подкласса слоистых силикатов. Al3Mg 2(OH)2[Si4О10](H2О)4 имеет в своей структуре трехслойные пакеты (слой алюмогидроксильных октаэдров между двумя слоями кремнекислородных тетраэдров) с переменным расстоянием между пакетами. В пространство между ними могут входить молекулы полярных жидкостей, в том числе вода, а также разнообразные обменные катионы и анионы. Минерал встречается в виде землистых агрегатов, жирных на ощупь, светлой (серой, зеленовато-серой) окраски. Является главным минералом монтмориллонитовых (бентонитовых) глин. Их особенностью является способность диспергироваться в воде до коллоидного состояния, они обладают высокой емкостью обменных оснований, сорбционной и каталитической активностью. Кроме монтмориллонита, содержание которого, как правило, не менее 60%, в бентонитах в качестве примеси присутствуют гидрослюды, каолинит, палыгорскит, опал, цеолиты, хлориты и другие минералы. По составу катионов обменного комплекса различают щелочные (натрий) и щелочно-земельные (кальций, магний) глины. Натриевые разновидности обладают наибольшей дисперсностью, коллоидальностью и разбухаемостью (при увлажнении могут увеличиваться в объеме в 8 раз), а кальциевые монтмориллониты имеют лучшие сорбционные свойства. Монтмориллонитовые глины используют в промышленности (парфюмерия, очистка многих продуктов, приготовление буровых растворов) под разными местными названиями -- сукновальные глины, флоридины, фуллеровы земли, кил, гиляби, гумбрин, аскангель и др. Установлена возможность применения монтмориллонита для повышения плодородии почв, легких по гранулометрическому составу (глинование). Добавка глины способствует улучшению строения почвы, в частности, изменяется соотношение пор, занятых водой и воздухом, причем объем пор, занятых капиллярной водой, -- увеличивается, уменьшается скважность аэрации, повышается водоудерживающая способность почвы и содержание в ней доступных для растений влаги. При внесении в почву 3...8 т/га монтмориллонитовой глины прибавка урожая люпина составила, например, 92...108 ц/га (19...22%), а в последействии --56...95 ц/га (11.-19%).

Кроме влаги, монтмориллонит удерживает в почве и растворимые минеральные удобрения и тем самым уменьшает их вредное воздействие на окружающую среду (загрязнение поверхностных и подземных вод).

Монтмориллонитовые глины могут использоваться для приготовления субстрата в теплицах, как наполнители ядохимикатов, для упаковки и консервации сельскохозяйственной продукции, а также в животноводстве и птицеводстве.

В нашей стране 46% добычи приходится на осадочные месторождения, 36% -- на гидротермально-метасоматические, 17% -- на вулканогенно-осадочные.

Прогнозные ресурсы оцениваются в десятки миллиардов тонн. Месторождения есть практически во всех регионах: в Центральном и Центрально-Черноземном районах России, Поволжье, Западной Сибири, Алтае-Саянской горной области, на Кавказе и в других местах.

Палыгорскит. Глинистый минерал, обладающий кристаллической структурой, переходной от ленточной к слоистой, -- MgAI 2(OH)2[Si 4О10](H2О)4. Встречается в виде двух морфологических разновидностей -- длинноволокнистых мономинеральных образований очень своеобразного облика и поэтому называемых «горная кожа», «горная пробка», «горная бумага», а также в виде землистых агрегатов (глины). Палыгорскитовые глины встречаются среди осадочных пород, накопившихся в аридных зонах. Чистые палыгорскитовые глины-- легкие трепеловидные породы, распадающиеся на угловатые обломки, при увлажнении превращаются в студнеобразную массу. Структурные особенности палыгорскита обусловливают его адсорбционные, катионно-обменные, молекулярно-ситовые, каталитические свойства. При его обезвоживании пустоты и полости структуры освобождаются, и минерал получает возможность поглощать катионы и даже целые молекулы различных веществ (воды, например, до 64% от собственной массы). Важной в практическом отношении является способность палыгорскита противостоять коагуляции глинистых суспензий, особенно в условиях воздействия высокой минерализации и температуры. Это также объясняется особенностями кристаллической структуры минерала, в частности, иглоподобной формой кристаллов, с чем связана их малая внешняя поверхность, препятствующая концентрации на них коагулирующих ионов.

Установлена возможность использования палыгорскита в качестве мелиоранта для улучшения структуры почвы и ее водоудерживающих свойств. Доза внесения-до 10 т/га. Эффективно использовать палыгорскит для замедления действия фосфорных удобрений. Палыгорскит может поглощать из водных растворов до 8% Р2О5, отдавая его затем постепенно растениям. Палыгорскит можно также использовать:

- как фосфорное удобрение. Предварительно насыщенные фосфором глины могут использоваться под различные культуры. Насыщение фосфором может происходить в результате использования глин для очистки сточных вод;

- в качестве наполнителя (носителя) ядохимикатов -- 80...90% гранул (размером 0,06...0,12 мм). В производстве пестицидов за рубежом используют до 18% добываемых глин;

- как суспензирующая и стабилизирующая добавка при изготовлении, транспортировании и внесении жидких удобрений. 2% палыгорскитовой глины обеспечивают сохранение постоянного состава удобрения в течение всего времени от приготовления до использования. В США на эти цели применяют около 200 тыс. т палыгорскита (20% всего потребления) ;

- для изготовления тепличного субстрата. Содержание палыгорскита в искусственном грунте может составлять 50%;

- как антислеживатель удобрений. Для покрытия частиц удобрений с целью их изоляции достаточно добавки 0,5... 1% палыгорскитовой глины. Обработанные таким образом удобрения долго не теряют сыпучесть даже при хранении под открытым небом;

- для грануляции семян. Опудривание палыгорскитом мелких семян (морковь, сахарная свекла и т. п.) облегчает их механический сев. Одновременно такое опудривание создает возможность для нанесения необходимых удобрений непосредственно на «рубашку», окружающую семя.

Палыгорскит может применяться для адсорбции тяжелых
металлов и других токсичных компонентов из почвы, а также
для различных целей в пищевой промышленности и животноводстве.

Палыгорскитовые глины могут накапливаться в морских и озерных условиях при господстве на прилегающей суше. Они встречаются совместно с известняками, доломитами, кремнями, монтмориллонитовыми глинами, а также фосфоритами.

Палыгорскитовые глины давно известный вид минерального сырья. Прогнозные запасы этого минерала велики. Большинство проявлений и месторождений этого сырья расположены в важных сельскохозяйственных районах, в том числе центральных областях России, на Украине, Кавказе, в Казахстане и Средней Азии.

Мощность пластов палыгорскитовых глин среди девонских и каменноугольных отложений в Архангельской, Новгородской, Московской, Тульской, Калужской областях достигает 5 м и более. В ряде случаев они обнаружены в действующих карьерах строительных известняков и керамзитовых глин. В Калужской области разведано крупнейшее на сегодняшний день в нашей стране Борщевское месторождение с запасами 20,5 млн т.

До последнего времени палыгорскитовые глины оценивались у нас для применения исключительно в промышленности. Поэтому требуется дополнительный анализ всей информации в связи с возможностью и целесообразностью их использования как сельскохозяйственного сырья.

Следует отметить, что палыгорскит (в США--аттапулъгит), как и цеолиты, применяется не только в сельском хозяйстве, но и во многих других отраслях промышленности, где требуются эффективные наполнители, фильтрующие или избирательные сорбенты.

В отраслях агропромышленного комплекса палыгорскитовые глины используются для производства гранулированных и суспензированных удобрений, в качестве наполнителя пестицидов, для грануляции семян, дезодорации помещений и многих других нужд.

· Какие минералы и горные породы относятся к нетрадиционным видам минерального сырья?

· Какой спектр применения в сельском хозяйстве имеет нетрадиционные агроруды?

· Какие минералы относятся к группе цеолитов ?

· Как используются цеолиты в сельском хозяйстве ?

· Какие минералы относятся к группе цеолитов ?

· На чем основан «эффект» действия цеолитов и цеолитсодержащих пород ?

· Какое происхождение имеют цеолитовые породы ?

· Какими свойствами обладают палыгорскитовые глины и как их можно использовать в практике сельского хозяйства ?

Кремнистые породы

Полезные свойства в значительной мере обусловлены особенностями породообразующего минерала.

Опал -- аморфный гидроксид кремния (SiО2-nH2О), содержит 65...90% (иногда 98...99%) SiО2, 4,5...20% Н2О; кроме того, обычно присутствуют A12О3-- до 9%, Fe2О3 -- до 3%,ТiO2 -- до 5%, иногда SО3 -- до 6%, МnО2 -- до 10%, ZrО2 -- до 8... 12%, Nb2О5 -- до 1,5%, органическое вещество-- до 3,9% (в черном опале). Основная масса примесей (в сумме редко превышающих 10%) находится в адсорбированном состоянии, а также в виде механических включений других минералов (оксидов и гидроксидов железа и марганца, глинистых минералов).

Строение опала -- глобулярное. Глобули (в переводе с латинского--шарики) могут быть разного диаметра и располагаться беспорядочно (обычный опал) или одинакового (150...400 нм) и укладываться в плотнейшую кубическую упаковку (благородный опал). Каждый из таких шариков, в свою очередь, состоит из более мелких, диаметром менее 80 нм. Такое строение опала предопределяет большое количество микропор (радиусом менее 1,5 нм), соединяющихся иногда в каналы. Этим обусловлена большая удельная поверхность опалов и соответственно сильно выраженная адсорбционная способность.

Использовать в качестве агроруд кремнистые породы (силициты) можно только опалового состава -- диатомит, трепел, опока, а также реже встречающиеся спонголит, радиолярит, селикофлагеллит.

Опал кремнистых осадочных горных пород образуется преимущественно биогенным путем. С течением времени он может постепенно раскристаллизоваться и превратиться в микроскопический волокнистый кристобалит, а затем в халцедон и кварц.

Кремнистые породы применяют при производстве цемента, для очистки разнообразных продуктов (пищевых и технических), как наполнители и для других целей.

Широко применяются и осадочные горные породы, состоящие соответственно из остатков кремниевых губок, радиолярий, кремниевых жгутиковых водорослей.

Свойства, химический состав и петрографо-генетическая классификация кремнистых пород, состоящих из опала, приведены в таблице 10.

Кремнистые породы влияют на урожай, будучи источником доступного растениям кремния, а также из-за своих адсорбционных и катио-нообменных свойств. Поэтому они могут применяться как удобрения и как мелиоранты. Считается, что растения развиваются вполне нормально и в отсутствии подвижной кремнекислоты, но она как бы инкрустирует оболочки клетки и тем самым придает им твердость. В Германии в 30 х годах прошлого века некоторые фирмы производили препараты ратворимой SiO2 с целью применения их в качестве косвенного удобрения.

Выявлено, что при внесении опоки (1.5...3 ц/га) под яровую пшеницу (Казахстан) среднегодовое повышение урожая за 6 лет опыта составило 1,9 ц/га. Использование суперфосфата в аналогичных условиях дало меньшую прибавку.

Для выращивания конопли, опоку применяли вместе с семенами (50 кг/га). Урожайность увеличивается на 50%, а выход волокна -- на 21%. Урожай огурцов удваивается при внесении опоки в лунки.

Эффективно использовать в качестве природных сорбентов диатомиты. Опытами Ульяновских ученых установлена высокая эффективность диатомита Инзенского месторождения (Ульяновская область) при возделывании зерновых, пропашных и овощных культур при использовании как в чистом виде, так и в смеси с курином пометом, и минеральными (азотными) удобрениями. Например, применение диатомита в нормах 3 и 5 т/га и его смесей с минеральными удобрениями, способствовало повышению урожайности озимой пшеницы на 19-50%, яровой пшеницы на 10-33%, сахарной свеклы на 33-57%. При этом улучшилось качество продукции: содержание клейковины в зерне озимой и яровой пшеницы повысилось на 0,7-0,9 и 0,7-1,6% соответственно.

Предполагается, что значительная эффективность обусловлена не только использованием кремния как элемента питания, но и улучшением обеспечения растений фосфором. Аморфный кремнезем предотвращает связывание фосфатов, образованных при минерализации органического вещества, а также вытесняет фосфорные соединения из почвенного поглощающего комплекса.

Мелиоративное действие опаловых кремнистых пород связано с их адсорбционной активностью -- при добавлении в почву они продлевают (пролонгируют) действие удобрений, а также способствуют удержанию влаги в пахотном горизонте.

Свойства кремнистых пород



Название породы	Цвет	Объемная масса, г/см3	Прочность, МПа	Пористость, %	Удельная поверхность, м2/га	Минеральный состав возможных примесей
						глинистая (10-40%)	песчано-алевритовая (до10%)	карбонатная (до 50%)	прочие
Диатомит	Белый, желтый, Буровато-серый	0,25-1,0	Менее3	75	20-50	Каолинит, монтмориллонит	Глауконит	нет	Иногда цеолит до 20-40%
Трепел	От светло-серого до желтовато-буровато-серого	0,7-1,2	Менее3	50-70	60-90	Монтмориллонит, бейделлит	Глауконит, кварц, мусковит	кальцит	-
Опока	Светло и темно-серый	1,1-1,6	5-20	55	60-120	Монтмориллонит, Бейделлит	Глауконит, кварц, мусковит	кальцит	-

Химический состав высококремнистых пород, % на абсолютно- сухую породу (по А.Х.Куликовой)

Порода	SiO2	SiO2	AI2O3	Fe2O3	CaO	MgO	MnO	K2O	Na2O	P2O5	SO3	TiO2
Диатомит	85,0	42,1	5,82	2,47	0,52	0,48	0,01	1,25	0,42	0,05	0,23	0,54
Опока	82,7	62,8	4,60	3,00	4,38	1,28	0,19	1,77	0,48	0,25	0,12	0,27
Цеолит	56,60	26,71	6,15	2,34	13,31	1,90	0,003	1,25	0,11	0,23	-	0,30

Удерживающие и кондиционирующие свойства диатомитов и трепелов делают их перспективным материалом для применения в качестве носителей пестицидов, микроэлементов, для гранулирования и опудривания сложных и комплексных удобрений.

Эти породы можно применять для хранения удобрений. Добавка 1...3% диатомита от массы нитроаммофоски, нитрофоски и т. п. обеспечивает их содержание в сыпучем состоянии.

В тонкоразмолотом состоянии кремнистые породы -- инсектицид. Порошок диатомита (размер частиц -- 3...10 мк) распыляют в местах скопления амбарных вредителей. Из-за абразивных свойств он нарушает целостность тонкой восковой пленочки, предохраняющей тело насекомых от высыхания, что приводит к их массовой гибели. Лучшие результат дает диатомит при температуре 30°С и относительной влажности 30%.

Адсорбционные свойства этих пород позволяют их исполизовать также для поглощения различных радиоактивных элементов, в частности из воды.

Из 4,5 млн т кремнистых пород, добываемых ежегодно в нашей стране, около 75% потребляет цементная промышленность, 4% используют как наполнители в медицинской промышленности, производстве косметики и т. п., а также для очистки различных продуктов, а остальное -- как теплоизоляционные материалы. В сельском хозяйстве у нас кремнистые породы практически; не применяют, в то время как в США, Канаде или Дании на эти цели расходуется основная часть добываемого и закупаемого диатомита.

Ресурсы кремнистых опаловых пород, в первую очереди диатомитов и трепелов, огромны. Разведано более 230 месторождений различных генетических типов, обладающий высоким качеством сырья, запасами около 1,9 млрд т и удобными условиями разработки. Месторождения имеют благоприятное географическое положение -- расположены практически во всех районах, в том числе и в местах интенсивного земледелия и близ центров по производству удобрений. Прогнозные ресурсы -- около 80 млрд м3 (половина из них -- диатомиты).

Крупные месторождения известны в Поволжье, на Южном Урале и в Зауралье, где пласты диатомитов достигают 30 м мощности (в Поволжье -- до 60...80 м), Центральной России, а также в Приморье, на Камчатке и Сахалине.

· Чем объясняется мелиорирующие действие кремнистых пород?

· Какое происхождение имеют кремнистые породы?

· Какие кремнистые породы можно отнести к агрорудам?

· Можно ли использовать кремнистые породы в качестве инсектицидов?

· Где находятся крупнейшие месторождения кремнистых пород?

Глауконитовые породы

В группу этих слоистых магнезиально-железистых минералов входят гидрослюды с высоким содержанием железа-- до 28% оксида железа (III) и до 8,6% оксида железа (II). В природе глауконит чаще всего ассоциирует с песчано-глинистыми отложениями мела и палеогена.

Глауконит - (название произошло от греческого glaukos- светло-зеленый), минеральный вид из группы гидрослюд. Химический состав -- К (Fe, Mg) (H2О)2[Si3,8-3,5 А10,2-0,5 О10]. Содержит до 9,5% К2О и до 4,5% MgO.

Глауконит обычно встречается в виде микроагрегатны зерен (0,1...0,5 мм) -- микроконкреций зеленого цвета, в которых, как было установлено при детальном микрозондовом изучении, часто содержится также монтмориллонит (5...50%).

Глауконит использовался для производства красок, устойчивых к щелочам, кислотам, морозу и свету. Благодаря высоким катионообменным свойствам и способности к регенерации (до 500 циклов) его применяли как смягчитель жестких вод в сахарной, пивоваренной и текстильно промышленности, а также на тепловых электростанциях. Для повышения реакционной способности и катионного обмен желательна предварительная обработка раствором поваренной соли. Можно примененять глауконит как адсорбент для дезактивации прудовых и сточных вод, очистки их от некоторых катионов и радиоактивных изотопов (реактивность сточных вод снижается до 200 раз).

О возможности использования глауконита как калийного удобрения еще в конце прошлого века писал А. Н. Энгельгардт. С этой целью его применяли в России, Западной Европе и Северной Америке. В настоящее время установлено, что глауконитовая мука является хорошим бесхлорным удобрением, часто превышающим по результативности обычные калийные удобрения. При использовании ее вместо равного (по К2О) количества калийной соли урожай гречихи был больше на 3 ц/га, картофеля-- на 18 ц/га, помидоров - на 100 ц/га. Подвижность калия (и, следовательно, его доступность растениям) резко возрастает при предварительном обжиге глауконита до температуры 600...650°С. Минерал приобретает при этом палево-оранжево-коричневый цвет. Опыты с глауконитом проводились в разных почвенно-климатических зонах, с разными сельскохозяйственными культурами и в большинстве случаев урожаи зерновых, овощных, бахчевых, цитрусовых культур, а также кормовых трав значительно увеличивались.

В ряде случаев эффект оказывался больше ожидаемого, исходя из валового содержания калия. Объясняется это несколькими обстоятельствами. Как правило, в экспериментах использовался не чистый глауконит, а глауконитовые пески (глауконита - от 10 до 80%), которые часто содержат значительную примесь Р2О5 (до 4...8%). Присутствие фосфора иногда отмечается и в самих микроконкрециях глауконита (0,07...3,9% Р2О5). Кроме того, в глауконитах содержится повышенное количество некоторых микроэлементов -- бора (до 300 г/т при среднем содержании в осадочных породах 100 г/т), ванадия (соответственно 650 и 150 г/т), а также меди, марганца и других. Немалую роль в сельскохозяйственном использовании глауконита имеют его адсорбционные и катионообменные свойства. Удельная поверхность этого минерала достигает 40... 100 м2/г. обменная емкость -- 15...30 мг/экв (у глауконит-монтмориллонитовых микроконкреций-- до 100) на 100 г породы. Поэтому его применение улучшает свойства почвы -- увеличивается поглотительная и водоудерживающая способность.

В экспериментах было замечено, что он не только повышает урожайность, но растения (виноград, хлопчатник, свекла, томаты и другие) при использовании глауконита становятся более устойчивыми к заболеваниям. Повышается и качество продукции. Обработка водными вытяжками из глауконита улучшает всхожесть семян, стимулирует развитие корневой системы растений и полезной микрофлоры почвы: азотобактерий (на 60... 120%), актиномицетов (на 25... 100%), грибов (в 1,2...3 раза).

Глауконитовые породы можно использовать для рекультивации земель. На слое (0,5 м) глауконитового песка из Егорьевского месторождения мощностью 0,5 м урожай многих культур (при дополнительном внесении соединений азота) оказался выше, чем на натуральной почве при том же количестве удобрений. Глаукониты повышают водоудерживающую способность легких и уменьшают связность тяжелых почв, что благоприятно сказывается на развитии корневой системы растений.

Глауконит можно использовать и для выращивания водорослей (хлореллы) на корм скоту, а также в рыбном хозяйстве -- биомасса водорослей при внесении глауконита в пруды возрастает более чем в 10 раз при росте содержания жиров и протеина.

Мощность глауконитсодержащих песков может составлять десятки метров при многокилометровой протяженности продуктивных толщ. Практическое применение глауконита в сельском хозяйстве началось в начале 20 века в Японии, США, Великобритании и Канаде. Раньше в России, глаукониты использовались для смягчения вод, применяемых в теплоэнергетике, а также в качестве пигмента для изготовления защитных красок (Копровское месторождение в Ленинградской области). И все же одно из наиболее перспективных направлений его использования связано с сельскохозяйственным производством. Положительный эффект при этом обеспечивается за счет не только своеобразного химического состава глауконитов, в которых содержится от 5 до 9,5% оксида калия, но и значительного присутствия в минерале других добавок--микроэлементов (марганец, медь, кобальт, никель, бор, ванадий и др.), а также высоких адсорбционных и катионно-обменных свойств. Глаукониты, как и цеолиты, являются многофакторными удобрениями, механизм воздействия которых на плодородие почвы еще до конца не раскрыт. Положительное воздействие глауконитов можно упрощенно свести к обогащению почвы калием, улучшению ее структуры, в частности проницаемости, стимулировании накопления и сохранения влаги и обменным процессам. Известны факты положительного влияния глауконитов на концентрацию полезной микрофлоры, их активной роли в борьбе с различного рода заболеваниями растений и загрязнений почв, пестицидами и другими вредными соединениями.

Опыты по использованию глауконитов в качестве удобрения проводились и в Саратовской области. В Красноармейском районе глауконитовый песок вносился из расчета 20 т на 1 га под ячмень. Общая прибавка урожая, по сравнению с урожаем на контрольном поле, составила 9 ц ячменя на 1 га. Внесение такого же количества под посадки картофель позволило увеличить сбор картофеля в среднем на 22 ц с 1 та. Положительные результаты от применения глауконита получены в Энгельском района. На 10--15% был увеличен урожай сахарной свеклы на черноземе Аркадакского района. Большие возможности для применения глауконита открываются в садоводстве и цветоводстве.

В глауконитовых песчаниках Поволжья в среднем содержатся окиси кальция 6,6, магния -3,43, калия -5,92, бора -0,12 и марганца -0,04%. В них присутствует медь, хром, молибден, кобальт и другие микроэлементы. Как улучшитель физико-химических свойств почвы глауконит перспективен для применения на солонцовых почвах. Являясь адсорбентом, этот минерал увеличивает поглотительную способность почв, связывает различные соли, неразложившиеся пестициды, предотвращая возможное загрязнение почв. Установлена высокая эффективность глауконитовых песков на южных карбонатных черноземах и темно-каштановых почвах. Норма внесения глауконита под кукурузу составляет 5, а под картофель, томаты и огурцы - 10 т/га. Глауконитовый песок вносится под глубокую зяблевую вспашку. Глауконит оказывал заметное положительное влияние на пищевой режим почвы, рост и развитие растений. Прибавка урожая картофеля могут составлять до 32% к контролю, зеленой массы кукурузы, плодов, огурцов и томатов - 12,6-15,8%.

Глауконитовые пески как удобрения обладают определенным последействием. Прибавка урожая зеленой массы кукурузы в последействии составляла 13,2 и картофеля 18,6% к контролю.

В России многочисленные промышленные проявления глауконитовых пород (обычно кварц-глауконитовых песков, нередко с желваками фосфоритов) известны в Подмосковье, Поволжье, в Вятско-Камском районе, Актюбинской области, Приуралье, в Ростовской области, Камчатке, Сахалине. Для некоторых площадей и месторождений предварительно оценены промышленные запасы глауконита.

Запасы подмосковного Егорьевского района кварц-глауконитовых глинистых песков, содержащих от 40 до 70% глауконита, составляют около 1 млрд т. Большая их часть приурочена к верхнеюрским, меловым и палеогеновым отложениям.

Таким образом, эффективное применение глауконита в сельском хозяйстве связано с повышенным содержанием калия, высокими адсорбционными и катионообменными свойствами, относительно высоким содержанием микроэлементов и их благоприятным сочетанием, и с биостимулирующими свойствами глауконита.

Глауконит образуется при диагенезе морских отложений в прибрежных относительно мелководных участках. Он встречается в песках и песчаниках, в кремнистых и карбонатно-мергелистых породах, а также в туфогенно-кремнистых породах. Наиболее распространенные пески кварц-глауконитового состава в качестве дополнительной примеси содержат заметное количество желваков фосфоритов.

В геологической истории Земли отмечено несколько этапов интенсивного глауконитообразования, связанных с теплым влажным климатом и морскими трансгрессиями, захватывающими обширные площади современных континентов. Такие условия возникали в раннем кембрии, ордовике, поздней юре, в меловом и палеогеновом периодах.

Мощность глауконитсодержащих пород может составлять от 1 до 10 м, протяженность залежей -- десятки и сотни километров; содержание глауконита в породах колеблется в широких пределах, достигая 60...80%. Глауконит хорошо поддается обогащению методом электромагнитной сепарации и может быть получен концентрат с содержанием его до 98%.

Нефелин. Минерал из группы фельдшпатидов класса силикатов KNa3[AlSiO4]4. Породообразующий минерал магматических пород щелочного ряда, в составе которых щелочные элементы преобладают над щелочно-земельными (нефелиновые сиениты, уртиты и другие). Из-за высокого содержания А12О3 (33%) является вторым после бокситов видом алюминиевого сырья. Кроме алюминия, при комплексной переработке нефелина производят соду, силикагели, цемент, а также поташ К2СО3 (зола, один из древнейших видов удобрений, использовалась именно благодаря высокому содержанию поташа).

Нефелин, содержащий в среднем 5...6 % К2О, может использоваться в сельском хозяйстве и без предварительной химической переработки.

Под влиянием слабых кислот почвы он легко разлагается с образованием алюмокремниевого геля, который может сохраняться в почве очень долгое время. Продукты выветривания нефелина, обогащая почву коллоидами, улучшают структуру песчаных почв, одновременно увеличивается их влагоемкость и влагоудерживающая способность, усиливается микробиологическая активность. На торфянистых почвах нефелин служит не только источником калийного питания растений, микроэлементов и нейтрализатором почвенной кислотности, но и средством, способствующим мобилизации питательных веществ торфяных болот - азота и органического вещества, благодаря изменению реакции почвы и оживлению ее микробиологической деятельности.

Рекомендуемые дозы нефелина на минеральных почвах - в 1...2 т/га (что соответствует 3...6 ц/га сильвинита, или 45...80 кг/га К2О), а на торфянистых почвах - 2...4 т/га (6... 14 ц/га сильвинита, 90...200 кг/га К2О). Действие минерала является длительным (3...5 лет). Поэтому его лучше вносить большими дозами, но реже, чем малыми дозами, но часто.

С тониной помола эффективность нефелина повышается.

Запасы нефелина в России велики. Только в девяти разведанных месторождениях Мурманской и Кемеровской областей, Красноярского края сосредоточено 4 млрд т. Большая их часть находится на Кольском полуострове, где нефелиновый концентрат получают попутно при извлечении апатита из нефелин-апатитовых руд. Залежи нефелина известны на Урале, в Приазовье, Восточной Сибири.

Сыннирит. Кроме нефелина, содержащего калий вместе с натрием, существует чисто калиевый минерал K[AlSiО4], называющийся калисилит. Он считался сравнительно редким, но в 1963 г. севернее оз. Байкал были найдены глубинные магматические породы, соответствующие по химическому составу сиенитам, в которых этот минерал оказался породообразующим. По месту первой находки такая разновидность сиенитов получила название сыннырит. Калисилит в этой горной породе находится в закономерном очень тонком срастании с калиевым полевым шпатом.

Интрузивные массивы сынныритов с содержанием К2О до 20% обнаружены в Бурятии и Читинской области. Сходные породы, но с меньшим содержанием окиси калия (8... 10%) найдены также в Горной Шории и Кузнецком Алатау.

Существуют технологические схемы переработки калисилита сынныритов для получения поташа, а также другого калийного бесхлорного удобрения -- метасиликата калия (KSiО3). Получаемые из сынныритов калийные удобрения на силикатной и алюмосиликатной основе не отличаются от стандартных калийных удобрений.

Калисилит сравнительно легко разлагается в почве, поэтому агрохимический эффект дает и внесение непереработанных сынныритов в тонкоразмолотом виде. По мнению специалистов, вовлечение в эксплуатацию сынныритов позволило бы полностью ликвидировать дефицит калийных удобрений для востока страны в целом и Западной Сибири в частности.

Кроме калия, в сынныритах, как правило, отмечается повышенное содержание Р2О5 (2...4%), что связано с присутствием среди второстепенных минералов апатита.

· Для каких целей можно использовать глауконит, и глауконитсодержащие породы?

· Почему глаукониты называют многофакторными удобрениями?

· Генезис глауконитовых пород ?

· Какие микроэлементы встречаются в глауконитовых породах?

· Каков механизм действия кварц-глауконитовых пород?

· Какие питательные элементы содержится в нефелине, сыннирите?

Сера и серосодержащие руды

Сера. Сера применялась человеком более 3000 лет назад ( древние греки использовали сернистый газ, получающийся при сгорании серы, для дезинфекции помещений). Позднее, полтора тысячелетия назад, серу использовали для приготовления красок и обработки тканей, в качестве пиротехнического средства. В средние века сера шла на приготовление серной кислоты, а часть её использовалась в сельском хозяйстве: серным порошком опыляли виноградники и хлопчатники, чтобы уничтожить вредителей.

Потребление серы резко возросло в середине XX столетия. Было установлено, что она тоже важна для роста растений. В золе семян кукурузы, клевера, фасоли, клубнях картофеля и корнеплодах свёклы содержание серного ангидрида составляет 1--6,5%. Поэтому необходимо ежегодно вносить от 20 до 120 кг серы на 1 га пашни. Исключительно важна и серная кислота, которая совершенно необходима для переработки фосфоритов в суперфосфат -- ключевой продукт минеральных удобрений.

Сера -- неметалл. Она представляет собой хрупкие кристаллы желтого цвета. Название происходит от латинского «сульфур» -- светло-желтый. Русское название серы, по-видимому, происходит от санскристкого «сира» -- светло-желтый. Элементарная сера встречается в виде желтых кристаллов или порошковатых землистых масс, плохо проводит тепло и электричество, легко загорается от спички и горит с образованием сернистого газа. При температуре 114--119,8°С сера плавится и превращается в жидкость, при 160°С буреет и становится вязкой, а при 300°С -- снова становится жидкой (сера имеет две точки плавления). В расплавленном и газообразном состоянии (кипит при температуре 444,6°С) соединяется с другими элементами. С металлами образует сульфиды. При 360°С соединяется с кислородом, образуя сернистый газ, при 400 °С -- с водородом -- сероводород. Применяется в химической, целлюлозно-бумажной, резиновой промышленности (вулканизация каучука и др.), в стекольной, текстильной и других отраслях промышленности. В земледелии сера используется для производства инсектицидов, микроудобрений, как дезинфицирующее средство в животноводстве, в химико-фармацевтической промышленности и т. д.

Источниками серы являются самородная сера, пирит, пирротин, сульфидные руды цветных металлов, природный газ, нефть, газы металлургических и коксохимических заводов, а иногда гипс и ангидрит.

Самородная сера имеет осадочное и вулканическое происхождение и залегает в виде пластов, гнезд и линз. Извлекают серу из природного газа и газов нефтепереработки. Получают серу из пиритов (колчеданные месторождения).

Существуют различные способы переработки серных руд в элементарную серу: геотехнологический (подземная выплавка серы из руды), термический (выплавка серы из кусков добытой руды), экстракционный (извлечение серы из руды с помощью химических веществ, растворяющих серу), пароводяной (получение серы из руды в автоклавах при высоких температурах), комбинированный (флотационное обогащение руд, а затем извлечение серы из концентратов). На разработках чаще всего применяются методы геотехнологический и комбинированный. Сущность первого состоит в том, что на месторождении на расстоянии 50--100 м друг от друга бурятся скважины, оборудованные тремя колоннами труб, вставленных одна в другую. По внешней трубе (диаметр до 30 см) под давлением в серный слой подается перегретая вода (165--170°С). Сера плавится в горячей воде. По внутренней трубе под еще большим давлением вводится пар или горячий воздух. В результате происходит вытеснение воды с растворенной в ней серой по второму диаметру. Поднятая на поверхность, сера затвердевает. Этим способом добывается наиболее чистая сера (99,5--99,9 %). Каждая скважина может давать ежегодно 300--400 т серы.

В начале XX в. общая мировая добыча серы составляла всего несколько миллионов тонн, но уже в 1960 г. достигла 18, а в 1987 г. -- 54,2 млн т. В настоящее время серу получают из трёх главных источников: из самородной серы, пиритовых (FeS2) руд и путём попутного извлечения серы из нефти, газа, отходов металлургического производства. В течение первой половины XX в. Наибольшее значение имели месторождения самородной серы. Мировым лидером были США. Начиная с 1960 г. из пластов серы, залегающих на глубинах 500--700 м на побережье и в акватории Мексиканского залива, ежегодно добывают более 7,0 млн т серы. В СССР до 1925 г. практически не существовало собственной сырьевой базы. И только в 30-х гг. открыли крупные месторождения в Прикарпатье (Украина), Гаурдакское в Туркмении и Водинское в Среднем Поволжье, которые стали сырьевой базой для химической промышленности страны.

Первое месторождение в СССР было открыто в Центральных Каракумах в невероятно трудных условиях. Экспедиции А.Е. Ферсмана и Д.И. Щербакова в 1925--1926 гг. пересекли безжизненную знойную пустыню на верблюдах и среди моря песчаных холмов обнаружили необычные бугры Чеммерли, представлявшие собой пласты песков, сцементированные серой. Там был построен серный завод, а готовую продукцию караванами вывозили в Ашхабад. С этими месторождениями связано знаменательное событие в жизни страны -- первый в мире автопробег через Центральные Каракумы весной 1929 г. на двух автомобилях. Помимо пропаганды советской власти в Средней Азии, это мероприятие имело целью установить более надёжную связь серного завода с промышленными центрами.

Другим источником серы вот уже более ста лет служат колчеданные руды, на 90% состоящие из прочного золотисто-жёлтого минерала пирита (FeS2). Он широко распространён в природе и раньше, во времена золотых лихорадок, часто вводил в заблуждение непрофессиональных старателей, путавших его с настоящим золотом.

На протяжении столетий пирит не представлял никакой экономической ценности. От него всячески стремились избавиться. Огромные отвалы серного колчедана, как его именуют по-другому, отравляли окружающую среду. Острая потребность в серной кислоте заставила вспомнить об этих рудах, и их начали энергично использовать. Главными производителями пирита были Испания, добывающая вот уже сто лет по 2,5--3,0 млн т пиритовых концентратов в год, и Япония, начавшая разработку колчеданных месторождений в 30-х гг. XX в. и стабильно получающая ежегодно 3,0--3,5 млн т руды.

С начала 50-х гг. возникло новое производство -- извлечение серы из нефти и природного газа. Полученный дополнительный продукт быстро окупил затраты на его производство и стал приносить высокую прибыль.

Следующим шагом было создание технологий по улавливанию серы из газов металлургических заводов, выбрасываемых в атмосферу. Соотношение трёх источников серы постоянно меняется. Если в 1975 г. было получено (в млн т) 34,1 (из них самородной серы -- 10,0, серы из пирита 8,1 и восстановленной серы -- 24,0), то в 1993 г. произведено 53,9 млн т (из них самородной серы -- 6,1, серы из пирита -- 8,0 и восстановленной серы -- 39,1). В бывшем СССР с 1988 по 1993 г. производство серы сократилось (в млн т) с 7,7 до 5,0, а серной кислоты -- с 29,2 до 19,5. В настоящее время в мире производят около 100 млн т серной кислоты. Основные запасы самородной серы сосредоточены в недрах 23 стран Америки и Азии (Ирак -- около 250 млн. т, Чили --100 млн. т и др.) и в США (около 100 млн. т). Ресурсы самородной серы в этих странах во всех ее видах (самородной, связанной с природным горючим газом, нефтью, битуминозными песками, сульфидами металлов) оцениваются в 3 млрд. т. Если учесть ресурсы серы, заключенные в углях, нефтеносных и битуминозных сланцах, то они в сумме составляют величину порядка 400 млрд. т. Серу добывают и из пирита; месторождения его сосредоточены в Саудовской Аравии, Испании, Японии, Индии и др.

...