Окисление техногенных минеральных образований кислыми стоками сульфидных отвалов (на примере Карабашской агломерации)

Залежи техногенно-минеральных образований на территории Карабашской агломерации являются источником загрязнения окружающей среды. Они ежегодно подвергаются воздействию атмосферных осадков и контактируют с кислыми подотвальными водами. Отобранные образцы техногенно-минеральных образований исследовались методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии. В морфологическом отношении шлаки преимущественно черные, стекловидные, различных размеров – от нескольких мм до десятков см. По минералогическому составу для шлаков характерны 8 основных типов минералов: кварц, фаялит, шпинелеподобные фазы, вюртцит, виллемит, халькопирит, халькозин и гринокит. В ходе работ установлено, что при контакте шлакоотвала с кислыми подотвальными водами сульфидного террикона происходит полное разрушение кристаллической структуры шлака и, как следствие, выщелачивание тяжелых металлов в окружающую среду. Толща окисленного шлака представлена такими минералами, как мусковит, кварц, клинохлор, гипс, пирит и лизардит, из тяжелых металлов преобладает Fe, S, Cu, Zn, As, Pb. По данным исследования установлено, что шлаки не остаются инертными к окружающей среде. Внутри отвала протекают реакции окисления кристаллической структуры шлака, в результате чего из кристаллической решетки высвобождаются тяжелые металлы, которые способны мигрировать в сопредельные ландшафты. Результаты данной работы могут способствовать пересмотру методов и способов хранения техногенных минеральных образований. Полученные в ходе работы данные по содержанию тяжелых металлов и минералогическому составу дают представление об использовании складируемых шлаков в качестве сырья для вторичной переработки.

Шабанов М. В., Маричев М. С., Минкина Т. М., Соколов А. А. Окисление техногенных минеральных образований кислыми стоками сульфидных отвалов (на примере Карабашской агломерации) // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 4. – С. 69–85. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_4_0_69.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №21-77-20089) в Южном федеральном университете.

Шабанов Михаил Викторович¹ — канд. с.-х. наук, доцент, доцент, e-mail: geohim.spb@gmail.com, Scopus Author ID: 35171489500, ORCID ID: 0000-0003-4725-3673,
Маричев Максим Сергеевич¹ — канд. биол. наук, зав. лабораторией, e-mail: m.s.marichev@yandex.ru, Scopus Author ID: 57216298057, ORCID ID: 0000-0003-0429-2234,
Минкина Татьяна Михайловна — д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, Южный федеральный университет, e-mail: minkina@sfedu.ru, Scopus Author ID: 15063165400, ORCID ID: 0000-0003-3022-0883,
Соколов Андрей Андреевич — канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой, филиал Южного федерального университета в Геленджике, e-mail: anso@sfedu.ru, ORCID ID: 0000-0002-1127-9612,
¹ Санкт-Петербургский государственный аграрный университет.

Маричев М.С., e-mail: m.s.marichev@yandex.ru.

1. Шабанов М. В., Маричев М. С., Манджиева С. С., Соколов А. А. Формирование хемоземов в условиях длительного воздействия аэропромышленных выбросов горно-металлургического комбината // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 3. — С. 727—740. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-3-727-740.

2. Шабанов М. В., Маричев М. С., Минкина Т. М., Абдимуталип Н. А. Роль горнообогатительного комбината в образовании техногеохимических аномалий мышьяка в почвах Соймоновской долины (Южный Урал) // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 4. — С. 632—643. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-4-632-643.

3. Saikia N., Borah N. N., Konwar K., Vandecastelee C. pH dependent leachings of some trace metals and metalloid species from lead smelter slag and their fate in natural geochemical environment // Groundwater for Sustainable Development. 2018, vol. 7, pp. 348—358. DOI: 10.1016/j.gsd. 2018.01.009.

4. Крупская Л., Куликова Е., Филатова М., Леоненко А. Оценка воздействия техногенной системы на воздушный бассейн с применением методов математической статистики // Экология и промышленность России. — 2023. — № 27(8). — С. 50—57. DOI: 10.18412/1816-0395-2023-8-50-57.

5. Razorenov Yu. I., Klyuev R. V., Guzueva E. R. Technogenic impact on the environment during leaching // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022, vol. 1021, no. 1, article 012050. DOI: 10.1088/1755-1315/1021/1/012050.

6. Фоменко В. А., Соколов А. А., Мирошников А. С., Ранджан Ануж, Лукьянов А. С. Развитие методов геоэкологического мониторинга эманаций радона на выведенных из эксплуатации хвостохранилищах горно-обогатительных комбинатов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 6. — С. 139—152. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_6_0_139.

7. Куликова А. А. Новый подход к оценке выбросов от горных предприятий с учетом углеродного следа // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 4. — С. 825— 832. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-4-825-832.

8. Jin T., Liu Y., Yang Jackson D. Leaching of cadmium, chromium, copper, lead, and zinc from two slag dumps with different environmental exposure periods under dynamic acidic condition // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2014, vol. 104, pp. 43—50. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2014.02.003.

9. Shibayama A., Takasaki Y., William T., Yamatodani A., Higuchi Y., Sunagawa S., Ono E. Treatment of smelting residue for arsenic removal and recovery of copper using pyrohydrometallurgical process // Journal of Hazardous Materials. 2010, vol. 181, pp. 1016—1023. DOI: 10.1016/j.jhazmat. 2010.05.116.

10. Gorai B., Jana R. Characteristics and utilisation of copper slag a review // Resources. Conservation and Recycling. 2003, vol. 39, pp. 299—313. DOI: 10.1016/S0921-3449(02)00171-4.

11. Шабанов М. В., Маричев М. С. Геохимические аномалии тяжелых металлов в почвах природных и антропогенных ландшафтов (на примере Красноуральского промузла) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2022. — Т. 333. — № 6. — С. 230—239. — DOI: 10.18799/24131830/2022/6/3545 21.25.

12. Макаров А. Б., Гуман О. М., Антонова И. А., Захаров А. В. Трансформация геологической среды при разработке медноколчеданных месторождений Урала // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 6. — С. 98—105. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-98-106.

13. Kierczak J., Potysz A., Pietranik A., Tyszka R., Modelska M., Néel C., Ettler V., Mihaljevič M. Environmental impact of the historical Cu smelting in the Rudawy Janowickie Mountains (southwestern Poland) // Journal of Geochemical Exploration. 2013, vol. 124, pp. 183—194. DOI: 10.1016/j. gexplo.2012.09.008

14. Удачин В. А. Экогеохимия горнопромышленного техногенеза Южного Урала: дис. … докт. геол.-мин. наук. — Томск, ТПУ, 2012. — 249 с.

15. Удачин В. И., Китагава Р., Вильямсон Б., Сугахара Т. Руды и металлургические шлаки месторождений Карабаш (Южный Урал) и Ашио (Япония): состав и потенциальное воздействие на окружающую среду / Металлогения древних и современных океанов-2002. Формирование и освоение месторождений в офиолитовых зонах: Материалы Восьмой научной студенческой школы. — Миасс, 2002. — С. 267—275.

16. Rouquette J., Kantor I., Mccammon C. A., Dmitriev V., Dubrovinsky L. S. High-pressure studies of (Mg0.9Fe0.1)2SiO4 olivine using raman spectroscopy, X-ray diffraction, and mössbauer spectroscopy // Inorganic Chemistry. 2008, vol. 47, no. 7, pp. 2668—2673. DOI: 10.1021/ic701983w.

17. Fang Z., Wang E., Chen Y., Hou X., Chou K. C., Yang W., Chen J., Shang M. Wurtzite AlN(0001) surface oxidation: Hints from Ab initio calculations // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018, vol. 10, no. 36, pp. 30811—30818. DOI: 10.1021/acsami.8b08242.

18. Маслобоев В. А., Селезнев С. Г., Макаров Д. В., Светлов А. В. Оценка экологической опасности хранения отходов добычи и переработки медно-никелевых руд // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2014. — № 3. — С. 138—153.

19. Belogub E. V., Ayupova N. R., Krivovichev V. G., Novoselov K. A., Blinov I. A., Charykova M. V. Se minerals in the continental and submarine oxidation zones of the South Urals volcanogenichosted massive sulfide deposits. A review // Ore Geology Reviews. 2020, vol. 122, article 103500. DOI: 10.1016/j.oregeorev.2020.103500.

20. Semenkov I. N., Sharapova A. V., Lednev S. A., Koroleva T. V. The fractional composition of compounds of metals and sulfur in the upper layer of soils of the impact zones of a coal mine (Central Russian forest-steppe) // Arid Ecosystems. 2023, no. 13, pp. 224—231. DOI: 10.1134/s2079096 123020130.

21. Cao J., Lu J., Jiang L., Wang Zhi Oxidation behavior of metallurgical silicon slag under nonisothermal and isothermal conditions // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2016, vol. 124, pp. 593—599. DOI: 10.1007/s10973-015-5157-0.

22. Freyssinet P. H., Piantone P., Azaroual M., Itard Y., Clozel-Leloup B., Guyonnet D. Chemical changes and leachate mass balance of municipal solid waste bottom ash submitted to weathering // Waste Management. 2002, vol. 22, pp. 159—172. DOI: 10.1016 /s0956-053x(01)00065-4.

23. Desborough G. A., Smith K. S., Lowers H. A., Swayze G. A., Hammarstrom J. M., Diehl S. F., Leinz R. W., Driscoll R. L. Mineralogical and chemical characteristics of some natural jarosites // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010, vol. 74, no. 3, pp. 1041—1056. DOI: 10.1016/j.gca.2009.11.006.

24. Bigham J. M., Schwetmann U., Traina S. J., Winland R. L., Wolf M. Schwertmannite and the chemical modeling of iron in acid sulfate waters // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1996, vol. 60, pp. 2111—2121. DOI: 10.1016/0016-7037(96)00091-9.

25. Morrison A. L., Gulson B. L. Preliminary findings of chemistry and bioaccessibility in base metal smelter slags // Science of the Total Environment. 2007, vol. 382, no. 1, pp. 30—42. DOI: 10. 1016/j.scitotenv.2007.03.034.

26. Зиновьева О. М., Колесникова Л. А., Меркулова А. М., Смирнова Н. А. К вопросу оценки экологического состояния окружающей среды для достижения устойчивого развития угледобывающих регионов России // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 1. — С. 35—43. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-1-35-43.

27. Фоменко В. А., Соколов A. A., Лолаев A. Б., Аймбетова И. О. Некоторые результаты работ по оценке эманаций радона Унальского хвостохранилища // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 4. — С. 576—585. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-4-576-585.