научная статья по теме ПРИРОДА КОБАЛЬТОНОСНЫХ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОРОК МАГЕЛЛАНОВЫХ ГОР ТИХОГО ОКЕАНА. СООБЩЕНИЕ 2. ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА РУДНЫХ МИНЕРАЛОВ Геология

Текст научной статьи на тему «ПРИРОДА КОБАЛЬТОНОСНЫХ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОРОК МАГЕЛЛАНОВЫХ ГОР ТИХОГО ОКЕАНА. СООБЩЕНИЕ 2. ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА РУДНЫХ МИНЕРАЛОВ»

ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2014, № 2, с. 137-164

УДК 552.124.4

ПРИРОДА КОБАЛЬТОНОСНЫХ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОРОК МАГЕЛЛАНОВЫХ ГОР ТИХОГО ОКЕАНА. СООБЩЕНИЕ 2. ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА РУДНЫХ МИНЕРАЛОВ

© 2014 г. Г. В. Новиков, С. В. Яшина*, М. Е. Мельников**, И. В. Викентьев***, О. Ю. Богданова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997Москва, Нахимовский проспект, 36;

E-mail: gvnovikov@yandex.ru *Федеральное агентство по недропользованию — Роснедра 123995 Москва, Б. Грузинская ул., 4/6 **ФГУПГНЦ "Южморгеология" Краснодарский край, г. Геленджик, ул. Крымская, 20 ***Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

119017Москва, Старомонетный пер., 35 Поступила в редакцию 06.02.2013 г.

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований ионообменных свойств кобальто-носных железомарганцевых корок Магеллановых гор Тихого океана. Максимальной реакционной способностью в обменных реакциях с участием рудных Mn-минералов (Fe-вернадита, вернадита) обладают катионы Na+, К+ и Са2+, наименьшей — катионы Pb2+ и Со2+. Обменный комплекс рудных минералов корок состоит из катионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и Mn2+. Обменная емкость Mn-ми-нералов возрастает от катионов щелочных к катионам редких и тяжелых металлов. Выявлены особенности вхождения катионов Со2+, Mn2+ и Mg2+ в марганцевые минералы корок. В Mn-минералах кобальт находится в виде катионов Со2+ и Со3+. Катионы металлов в Mn-минералах находятся в разных химических формах: Na+, K+, Ca2+, Mn2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ — сорбированная, Mg2+, Ni2+, Y3+, La3+ и Мо6+ — сорбированная и химически связанная, Со3+ — только химически связанная. Показано, что возраст корок, время их хранения в воздушно-сухом состоянии и тип субстрата, на котором они залегают, не влияют на ионообменные показатели Mn-минералов. Установлено, что для катионов щелочных металлов характерна полностью обратимая эквивалентная сорбция, тогда как поглощение катионов тяжелых металлов осуществляется по сложному механизму: эквивалентный ионный обмен для всех катионов металлов и сверхэквивалентная частично обратимая сорбция катионов Ва2+, Pb2+, Со2+ и Cu2+ относительно обменных катионов Mn-минералов. Полученные результаты уточняют роль ионообменных процессов при гидрогенном образовании кобальтонос-ных железомарганцевых корок.

DOI: 10.7868/S0024497X14020074

В Сообщении 1 настоящей статьи [Новиков и др., 2014] были приведены данные по условиям залегания кобальтоносных железомарганцевых корок (в дальнейшем корки, КМК), корковых конкреционных образований (ККО), минеральному и химическому составу, распределению катионов металлов в слоях корок и их взаимосвязи с содержанием Мп02 и возрастом рудных минералов. Вместе с тем, полученные данные не дают ответа на такие ключевые вопросы железомарган-цевого коркового рудообразования, как формы нахождения и механизмы концентрирования ионов металлов в рудных минералах.

Существенное дополнение к познанию природы океанских железомарганцевых корок, корковых конкреционных образований вносит метод

ионного обмена. В отличие от методов фазового анализа, при использовании которых происходит частичное либо полное растворение минералов, метод обменных реакций позволяет фиксировать изменения состава минералов при их взаимодействии с водными растворами электролитов, в том числе и с природной океанской водой. Именно такой подход позволил нам более корректно подойти к постановке экспериментов, анализу и интерпретации полученных результатов.

Ранее на примере нескольких образцов желе-зомарганцевых корок было установлено, что их рудные минералы являются высокоселективными сорбентами ионов металлов, прежде всего тяжелых [Новиков, 1988, 1996б, 2011; Новиков, Яшина, 1993; Новиков и др., 2006а], что суще-

ственно расширяет области их использования для решения технологических и экологических задач. В настоящей статье приводятся детальные исследования ионообменных свойств рудных минералов корок Магеллановых гор Тихого океана, которые рассматриваются как перспективные объекты для промышленного использования.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом для исследования являлись образцы гидрогенных кобальтоносных железомарганцевых образований — прежде всего корок (КМК), корковых конкреционных образований (ККО) и конкреций (ЖМКг), отобранных с гайо-тов Магеллановых гор Тихого океана. Условия залегания, текстурно-структурные особенности, минеральный и химический состав исследуемых образований приведен в Сообщении 1 настоящей статьи [Новиков и др., 2014].

Определение ионообменных характеристик рудных минералов корок, ККО проводилось в соответствии с разработанными методами оценки сорбционных свойств океанских железомарган-цевых образований [Новиков, 2005]. В указанной работе было показано, что океанские железомар-ганцевые образования независимо от их генезиса характеризуются определенными ионообменными характеристиками, которые подразделяются на основные и технико-экономические. В настоящей статье рассматриваются только основные характеристики, позволяющие оценить ионообменные свойства рудных, прежде всего марганцевых, минералов железомарганцевых корок.

Сорбция катионов металлов осуществлялась из водных растворов их солей с концентрациями 1.0—0.005 М/л в статическом режиме при соотношении жидкой (Ж) и твердой (Т) фаз, равном 100—150, при интенсивном перемешивании. Время получения катионных форм рудных минералов (минеральных ассоциаций) корок составляло 10—12 суток, что в соответствии с экспериментальными данными по океанским железомарган-цевым образованиям [Челищев и др., 1992; Новиков, 1988] было вполне достаточно для достижения ионообменного равновесия.

Выщелачивание катионов металлов из исходных КМК и ККО проводилось при условиях, аналогичных выщелачиванию металлов из разных генетических типов конкреций [Новиков, 1997; Челищев и др., 1992]: 2 М раствор Н^04, время взаимодействия фаз 6 часов, отношение Ж : Т = = 50-100.

Извлечение сорбированных катионов металлов из катионных форм рудных Мп-минералов осуществлялось различными растворами электролитов: серной и азотной кислотами, солями металлов, природной океанской водой при разных параметрах проведения экспериментов.

Определение содержания двухвалентного марганца аналогично другим ионам металлов проводилось после его извлечения из отдельной навески образцов конкреций 2%-раствором H2SO4 [Базилев-ская, 1986] атомно-абсорбционным методом.

В экспериментах использовали растворы хлоридов натрия, калия, никеля, меди, кобальта, кадмия, нитрата свинца, сульфата цинка, молиб-дата калия.

После окончания сорбционных экспериментов фазы разделяли на бумажном фильтре "синяя лента". Твердую фазу промывали дистиллированной водой и затем сушили на воздухе при комнатной температуре до постоянного веса.

Химический состав железомарганцевых КМК, ККО и ЖМКг до и после сорбционных экспериментов определялся атомно-абсорбционной спектрометрией на приборе Varian 220FS. Воздушно-сухие пробы образцов растворяли в смеси концентрированных растворов HCl + H2O2 в течение 3—5 минут при кипячении. В качестве эталонов использован стандартный образец ООПЕ-604 (старое название СДО-7, железомарганцевые корки). Контроль концентраций перешедших из твердой фазы катионов щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов проводили из равновесных растворов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Первый этап изучения ионообменных свойств железомарганцевых корок состоял в установлении поглотительной способности (обменной емкости) минералов рудной и нерудной компонент. Исследования проводились на корках гайотов Коцебу (ст. 9Д139), Паллада (ст. 9Д100), Федорова (ст. 1063-3) и Ита-Май-Тай (ст. 1039-8). Обменная емкость (мг-экв/г) нерудной компоненты корок, состоящей в основном из апатита, кварца, слоистых алюмосиликатов, карбоната кальция, опала, по катионам щелочных и тяжелых металлов составляет соответственно 0.35—0.45 и 0.05 (Мо6+)— 0.34 (Ва2+), тогда как емкость рудных минералов по тем же катионам находится в пределах 0.75— 0.83 и 1.71—2.58 (табл. 1). Следовательно, доминирующий вклад в ионообменные свойства желе-зомарганцевых образований подводных гор вносят рудные минералы. Экспериментально было установлено, что именно рудные минералы марганца разных генетических типов океанских же-лезомарганцевых образований являются главными сорбентами ионов тяжелых и редких металлов [Новиков, 1988, 1996б, 2011; Новиков, Батурин, 1997; Новиков, Скорнякова, 1998; Новиков, Мурдмаа, 2007; Новиков и др., 1995, 2006а; Челищев и др., 1992]. В случае КМК, ККО и ЖМКг гайотов Магеллановых гор основными сорбентами также являются Fe-вернадит, вернадит, асбо-лан-бузерит и бузерит-I, хотя последние два ми-

Таблица 1. Содержание (мас. %) катионов металлов в рудных и нерудных компонентах железомарганцевых корок Магеллановых гор до и после их сорбции

Катион Мв+ г. Коцебу (ст. 9Д139) г. Паллада (ст. 9Д100) г. Федорова (ст. 1063-3) г. Ита-Май-Тай (ст. 1039-8)

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Со2+ 0.45 7.64 2.44 0.45 7.64 2.44 0.38 7.30 2.35 0.56 8.01 2.53

0.02 0.55 0.18 0.03 0.62 0.20 0.02 0.49 0.16 0.04 0.72 0.23

№2+ 0.33 6.00 1.93 0.35 5.96 1.91 0.35 5.37 1.71 0.50 6.43 2.02

0.04 0.69 0.22 0.02 0.75 0.25 0.03 0.62 0.21 0.03 0.76 0.25

Си2+ 0.12 7.75 2.40 0.12 8.26 2.56 0.090 7.66 2.38 0.097 8.30 2.58

0.02 0.91 0.28 0.01 0.96 0.30 0.01 0.96 0.30 0.02 1.07 0.33

РЪ2+ 0.18 23.28 2.23 0.20 23.00 2.20 0.14 25.11 2.41 0.20 25.79 2.47

0.03 2.69 0.26 0.02 2.82 0.27 0.01 2.50 0.24 0.02 3.13 0.30

Ва2+ 0.20 15.30 2.20 0.18 15.07 2.17 0.19 16.39 2.36 0.16 16.91 2.44

0.27 2.40 0.31 0.34 2.67 0.34 0.25 2.17 0.28 0.27 2.12 0.27

7п2+ 0.038 7.13 2.17 0.075 6.29 1.90 0.077 6.19 1.87 0.068 5.28 1.94

0.004 0.70 0.21 0.003 0.76 0.23 0.002 0.73 0.22 0.002 0.86 0.26

Мо6+ 0.035 8.30 5.16 0.032 8.37 5.21 0.033 5.26 8.44 0.033 8.62 5.37

0.003 0.13 0.08 0.002 0.082 0.05 0.002 0.074 0.12 0.004 0.081 0.13

Са2+ 1.34 - - 1.26 - - 0.60 - - 1.04 - -

1.81 - - 1.95 - - 1.44 - - 2.18 - -

МБ2+ 0.26 - - 0.35 - - 0.32 - - 0.48 - -

0.33 - - 0.38 - - 0.36 - - 0.54 - -

2.75 4.60 0.80 1.12 2.94

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»