Апатитовые руды и перспективы их комплексного использования
Фосфор является главной составляющей производимых промышленностью минеральных удобрений, а апатит - главным сырьевым источником для его получения в РФ. Месторождения апатитсодержащих руд широко распространены в России, а также во многих зарубежных странах (ЮАР, Бразилия, Зимбабве и др.). Большинство из них представлено месторождениями комплексных руд. В России главную роль по запасам и добыче играют апатит-нефелиновые месторождения Хибинского массива (Кольский п-ов), связанные с ийолит-уртитами, где они образуют целую группу рудных тел, обладающую уникальными запасами. Повышенные концентрации фосфора встречаются в целом ряде других типов магматических, метаморфогенных и экзогенных месторождений. Наиболее крупные месторождения апатитовых руд имеют эндогенное происхождение и пространственно и генетически связаны с интрузиями нефелиновых сиенитов, ультраосновных-щелочных пород с карбонатитами, щелочно-габброидными образованиями. Скопления апатит-ильменит-титаномагнетитовых руд известны также в массивах ультрамафитов нормального ряда. Значительные по масштабам апатитовые месторождения связаны с метаморфическими комплексами и корами выветривания, развитыми преимущественно на карбонатитах.
Содержание Р2/О5 в рудах различных промышленно-генетических типов колеблется в широких пределах (0.4-36.7%). Наиболее устойчивые содержания фосфора характерны для апатит-нефелиновых руд Хибин, из которых на протяжении уже почти семидесяти лет получают апатитовый концентрат, характеризующийся стабильным химическим составом (Р2/O5 больше или=39.4%; СаО 50.4%; Sr0 2.5-3.0%, TR2/O3 0.8-1.0%; F 3%). Вторым достаточно надежным объектом получения апатитового концентрата является Ковдорское месторождение апатит-магнетитовых руд, относящееся к формации ультраосновных щелочных пород с карбонатитами, которое эксплуатируется с 1962 г. В России из апатит-нефелиновых руд получают почти 90% апатита, из апатит-магнетитовых руд около 10%. Около 0.2% апатита извлекали в 1990 г. из апатит-ильменит-титаномагнетитовых руд в габброидах (Волковское месторождение, Урал). Все остальные типы руд, относятся к перспективным, эксплуатация которых по мере необходимости вполне реальна. По масштабам большинство из них относится к разряду крупных месторождений, запасы которых составляют сотни миллионов тонн Р2/О5 (Соколов А. С., 1996).
Практически все типы апатитовых руд представляют собой комплексное сырье, т.к. содержат помимо фосфора Аl, Fe, Ti, TR, Sr, F, Zr, Nb и др. ценные компоненты. Следует также оценить содержание редкоземельных элементов (РЗЭ) в апатитах из различных промышленно-генетических типов в связи с возможностью их выделения в самостоятельный продукт при азотнокислотной технологии переработки фосфатного сырья. Принадлежность апатита к породам различных магматических формаций отражается на уровне содержания РЗЭ в апатите. Сумма TR минимальна в апатите габбро-диорит-диабазовой и пироксенит-габбровой формаций (0.1-0.2%). Для апатита габбро-анортозитовой формации характерны более высокие значения TR (до 0.5%). Максимальные содержания РЗЭ установлены в апатите из апатитовых нефелиновых сиенитов и карбонатитов (обычно до 1%). Формационная принадлежность пород, из которых выделен апатит, влияет также на состав РЗЭ, содержащихся в нем. Если для апатита щелочных пород формации апатитовых нефелиновых сиенитов (Хибины) и карбонатитов (Ковдор и др.) характерен селективный цериевый состав РЗЭ, то для апатита базитовых формаций типично менее контрастное соотношение этих элементов. Апатит из рудных габброидов габбро-анортозитовой формации характеризуется наиболее четко выраженным европиевым минимумом. Эта особенность нашла четкое отражение в значениях европиевых аномалий (Eu/Eu-x), т.е. в отношениях содержаний европия в образце апатита к содержанию европия в хондрите. Для апатитов из габбро-анортозитовых комплексов, а также метаморфогенных месторождений величина европиевых аномалий всегда меньше единицы. Редкие земли, а также Y, U, Th постоянно содержатся в апатите, выделенном из руд докембрийских метаморфических комплексов (до 1.3% TR). В апатите метаморфических комплексов Алдана также преобладающую роль играют легкие лантаноиды. В целом у них повышено отношение La/Yb. Максимальные же значения отношения La/Yb характерны для апатита из апатито-нефелиновых руд (242), из сиенит-диоритов (145) и из карбонатитов (105). Наиболее высокие концентрации иттрия(У) отмечены Д.А.Минеевым в апатите из апатито-нефелиновых руд (до 0.054%) и карбонатитов (до 0.059%). В апатите метаморфических пород Алдана содержание иттрия достигает 0.019% , в апатите Селигдара оно составляет в среднем 0.03%.
Постоянной примесью в апатите является стронций (Sr). Наиболее высокие его содержания характерны для апатита из руд апатито-нефелиновых месторождений. В апатите метаморфогенных месторождений (Селигдар) установлено до 0.53% Sr. Апатит комплексных месторождений габброидных формаций обычно содержит до 0.07% Sr.
Полезным компонентом для апатита всех промышленно-генетических типов апатитовых месторождений является фтор, количество которого обычно составляет 2-4 %. Некоторый интерес может представить торий (Th), содержание которого в апатитах находится на уровне 0.00n - 0.0n%. Несколько больше тория в апатите метаморфогенных месторождений (0.02 - 0.06 %; в нем же содержится 0.005 - 0.007 % урана и до 0.0005% Sc.
Кроме того, руды большинства апатитсодержащих эндогенных месторождений (Хибины, Ковдор и др.), а также руды кор выветривания, развитых на карбонатитовых массивах (Белая Зима и др.) содержат целый ряд полезных минералов (титаномагнетит, магнетит, ильменит, сфен, нефелин, тантало- ниобаты, бадделеит и др.), которые могут быть выделены в самостоятельные концентраты, имеющие промышленное значение. Однако даже для такого гиганта как ОАО "Апатит", извлечение минералов из руды, поступающей на обогатительные фабрики, не превышает 40 %.
Постоянным спутником апатита в комплексных рудах является титаномагнетит. По содержанию TiO2 выделяются три его разновидности: малотитанистый (1-4%), среднетитанистый (5-9%) и высокотитанистый (10- 20%), который наиболее характерен для магматогенных месторождений апатита. Помимо титана в титаномагнетите содержатся 0.08% V; 0.2-1.6% Mn; до 0.004% Sc; до 0.006% Ga. Кроме того, в нем обнаружены Мд, Сг, Ni, Со. В этих же рудах часто присутствует ильменит, который выделяется в отдельный концентрат. В особенности это относится к комплексным рудам габбро-диорит-диабазовой (Копанское и др. месторождения) и габбро-анортозитовой (Большой Сейим и др.) формаций. В качестве полезных примесей в ильмените содержатся 0.005-0.01% Sc; 0.05-0.2% V; 0.007 - 0.04% Nb; 0.02 - 0.08% Zr и др.
Для апатит-ильменит-титаномагнетитовых руд значительный интерес представляют содержащиеся в них минералы меди (борнит и халькопирит) . Среднее содержание Си в рудах Волковского месторождения составляет 0.5 - 0.6%.
Практический интерес представляют селен и теллур, присутствующие в медном концентрате этого месторождения.
Для апатит-нефелиновых руд важной составляющей является нефелин, концентрат которого используется на заводах РФ (Волховский, Пикалевский) для получения глинозема, соды, поташа, цемента, галлия. Помимо Аl2/O3 (28 - 28.5%), в концентрате содержится 0.004-0.006% Ga; 0.015-0.02% Rb; до 0.0004% Cs (по данным Д.А.Минеева). Из апатито-нефелиновых руд может быть получен сфеновый концентрат, в котором помимо TiO2 (31.7% после химического дообогащения) присутствуют (% мае.): 0.3% (Nb1/Ta)2/O5; 0.15% ZrO2 0.4% Tr2/Оз; 0.3% SrO. Из этих руд возможен выпуск титаномагне-титового и пироксенового концентратов, содержащих до 0.2- 0.3%V.
Из апатит-магнетитовых руд карбонатитов Ковдора попутно получают бадделеитовый концентрат, который содержит повышенное количество скандия (0.05-0.06%). Из руд кор выветривания, развитых на карбонатитах, возможно получение концентратов франколита и минералов ниобия, титана, редких земель (пирохлор, монацит, ксенотим, рутил, ильменит и др.). Многие из этих минералов отличаются повышенной скандиеносностью (до 0.1-0.2% Sc). Характерным примером таких месторождений является Томтор в Якутии, руды которого вдвое богаче по содержанию ниобия и редких земель самых богатых месторождений мира (Араша в Бразилии и Маунтин Пас в США, соответственно). Полученные из руд Томтора редкометальные концентраты перспективны для попутного получения скандия.
Существует несколько направлений повышения комплексного использоваия апатитовых руд. Во-первых, до сих пор не полностью извлекаются все полезные компоненты из собственно апатитовых концентратов (редкие земли, стронций, фтор и др.). В настоящее время из апатита извлекается главным образом фосфор - остальные компоненты теряются в процессе химической переработки сырья. Например, при экстракционном способе производства фосфорной кислоты (дигидратный процесс) на каждую тонну апатитового концентрата образуется 1.6 т фосфогипса, с отвалами которого безвозвратно теряются Са, Sr, TR, часть фосфора и F. В то же время при комплексном азотнокислотном способе переработки апатитового концентрата, согласно исследованиям Дмитревского Б.А., Гольдинова А.Л., Копылева Б.А., Абрамова О.Б. и др., возможно практически полное извлечение всех его компонентов. Учитывая стабильный состав апатита, можно прогнозировать, что при современных объемах производства концентрата извлечение из него Sr, TR, F может покрыть потребности в этих элементах для многих отраслей промышленности и составить предмет экспорта. По экспертной оценке из 1 млн, т апатитового концентрата может быть получено 15-20 тыс. т фторидных солей, 12-15 ты с.т стронциевых и 6 - 8 тыс.т редкоземельных солей.
Во-вторых, необходимо повышать качество концентратов, т.к. количество примесных минералов в них обычно составляет 20-30%, т.е. состав концентратов весьма далек от химического состава минералов, ради которых они извлекаются.
Также следует остановиться на проблеме комплексной переработки бедных и некондиционных апатит-нефелиновых руд, залегающих на больших глубинах (ниже нулевой отметки). На апатитовых месторождениях Хибин с переходом к отработке глубоких горизонтов содержание апатита постоянно снижается, а нефелина, пироксена, сфена, титаномагнетита увеличивается. Например, Эвеслогчоррское месторождение, которое залегает на отметках 300- 1000 м, является бедным по содержанию апатита. При традиционном для ОАО "Апатит" способе подземной добычи нормируемые потери руды будут очень большими, а производство отдельных концентратов станет нерентабельным. В этой связи необходимы новые подходы, сочетающие в себе технологию добычи, обогащения и химической переработки сырья непосредственно на месторождении. Представляется перспективным способ подземного дезинтеграционного выщелачивания, основанный на селективном растворении апатита и нефелина в разбавленных растворах минеральных кислот, с подачей растворителя по подземным горным выработкам, пройденным под блоками с раздробленной до заданного размера куска рудой. Размыв подготовленного к выщелачиванию участка должен осуществляться снизу вверх через специально подготовленное днище блока разбавленными растворами азотной кислоты (3 - 5% HNO3) с гидротранспортировкой пульпы на поверхность в цеха по ее переработке. Пульпа, содержащая в себе растворенные в кислоте апатит и нефелин и нерастворимые в ННО3 минералы (полевой шпат, сфен, титаномагнетит, ильменит, пироксен и др.), может перерабатываться по схеме, позволяющей достичь практически полного извлечения всех ценных компонентов руды.
Таким образом, в перспективе имеются широкие возможности расширения комплексного использования апатитовых руд, которые могут идти как по пути наиболее полного использования состава самого апатита, получения и передела сопутствующих ему минералов, так и по пути создания новой технологии переработки минералов непосредственно в недрах.