«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Удобрения из древнего океана

В океанской воде содержится около 35 г/л солей, в основном хлоридов, сульфидов и карбонатов натрия, калия, магния и кальция.

Объем воды в морях и океанах составляет около 1,37 млрд км3, и в ней свыше 20 млрд т различных солей. Ими можно покрыть всю поверхность земного шара слоем толщиной более 42 м. Процесс отложения морских солей при обмелении морских бассейнов происходил всегда, но наиболее интенсивное соленакопление было в пермский и третичный периоды.

Интенсивному испарению морской воды и образованию солевых отложений способствует отчленение от моря отдельных бассейнов и озер, сохраняющих при этом связь с морем через проливы. По мере испарения морской воды и выпадения солей бассейн пополняется водой из моря. Этот процесс может происходить периодически, обусловливая чередование солевых пластов. При испарении вначале кристаллизуются менее растворимые соли — карбонаты кальция и магния, затем сульфаты кальция и далее хлориды и сульфаты натрия, калия и магния. В конечной стадии испарения из концентрированных рассолов выделяются борно-кислые, литиевые и другие соли.

Наиболее мощные залежи калийных солей образовались в процессе отступления моря, существовавшего в древний пермский период. Пермское море простиралось от Северного Ледовитого океана до Каспийского моря и южнее, занимало огромную территорию европейской части нашей страны. В настоящее время на этой территории выявлены две зоны отложений калийно-магниевых и других солей: северная в районе Перми (Соликамское месторождение) и южная — в Южном Приуралье, Прикаспии и Поволжье.

Калийные залежи северной зоны состоят лишь из хлоридов калия, магния и натрия в виде сильвина, карналлита и каменной соли. В соляных отложениях южного бассейна присутствуют наряду с этими солями и сульфаты: полигалит, каинит, кизерит, которых нет в Соликамском калийном месторождении.

Залегание солевых отложений в южной зоне значительно сложнее, чем в районе Соликамска. Вследствие тектонических процессов, протекавших во время формирования Уральских складчатых гор, происходило нарушение первичных пластов с образованием солевых куполов. Соли, обладающие большой пластичностью и текучестью, выдавливались вверх, вызывая разрывы солевых пластов. В южном соленосном бассейне выявлено свыше тысячи соляных куполов.

В некоторых местах соляные купола выходят на поверхность, например купол Чапчачи (соляная гора Богдо) вблизи оз. Баскунчак. Многие же соляно-купольные структуры залегают на глубине 200–350 м, а иные и глубже 1000 м. Мощность солевых отложений в некоторых куполах огромна. В районе Волгограда была пробурена скважина глубиной более 4 тыс. м, но подошвы солевых отложений она так и не достигла.

В соляных шахтах устраивают санатории для легочных больных. Здесь легко дышится, воздух словно морской. Вокруг простор и первозданная белизна. Даже станции метро покажутся маленькими и тесными в сравнении с подземным «дворцом». Гладкие, точно полированные стены тянутся вверх высоко под белокаменную крышу. Дивные узоры у стены каньона как бы высечены из мрамора, а по ним примерно через каждую четверть ладони светятся темные узкие прослойки, чередующиеся в строгой периодичности. Это годичные кольца. Зимой отложение солей и формирование пласта замедляются и появляются прожилки.

На стене можно увидеть прозрачный отпечаток грозного силуэта с выразительным плавником и хищным профилем акулы. Прошли тысячелетия, а может, и миллионы лет, пока на месте бывшего моря сформировалось соляное «чудо», а след морской разбойницы остался.

Соляная шахта находится в Донецкой области в г. Карло-Либкнехтовске. Здесь добывается минерал галит — белокаменная соль, не только важнейший пищевой продукт, но и важное сырье для химической промышленности.

А в умелых руках соль еще и предмет искусства. Есть в Карло-Либкнехтовске умельцы, которые из кристаллической, прозрачной, как хрусталь, соли с цветными включениями делают удивительной красоты вещи. Они исключительно выразительны, хотя и недолговечны: соль набирает влагу из воздуха и понемногу оплывает.

Наиболее масштабна добыча калийных удобрений. Калий входит в состав нескольких сот минералов.

Почти 18 % массы земной коры приходится на долю ортоклаза. Это двойная соль кремниевой кислоты К2О * Аl2O3 * 6SiO2. В результате химического выветривания ортоклаз превращается в каолин (разновидность глины), песок и поташ. Песок и глина идут на построение минерального костяка почвы, а калий, перешедший из ортоклаза в поташ, становится доступным для растений.

Часть ионов калия остается в почвенном растворе, который для растений служит источником питания. Но большая часть попов калия поглощается коллоидными частицами почвы, откуда корням растений извлечь их довольно трудно. Вот и получается, что, хотя калия в земле много, растениям его часто не хватает.

Из-за того что комочки почвы «запирают» большую часть калия, содержание этого элемента в морской воде почти в 50 раз меньше, чем натрия. Подсчитано, что из тысячи атомов калия, освобождающихся при химическом выветривании, только два достигают морских бассейнов, а 998 остаются в почве. «Почва поглощает калий, и в этом ее чудодейственная сила», — писал академик А. Е. Ферсман.

Калий входит и в плоды, и в корни, и в стебли, и в листья, причем в вегетативных органах его, как правило, больше, чем в плодах. Характерно, что в молодых растениях больше калия, чем в старых. Замечено также, что по мере старения отдельных органов растений ионы калия перемещаются в точки наиболее интенсивного роста. При недостатке калия растения медленнее растут, их листья, особенно старые, желтеют и буреют по краям, стебель становится тонким и непрочным, а семена теряют всхожесть.

Растения, получившие достаточное количество калия, легче переносят засуху и морозные зимы. Это объясняется тем, что калий влияет на способность коллоидных веществ растительных клеток поглощать воду и набухать.

Самое дешевое калийное удобрение — печная зола. В ней калий находится в виде поташа К2СО3. Самым важным природным удобрением стали калийные соли, в первую очередь сильвин и каинит. Сильвин — очень распространенный минерал. Кроме хлоридов натрия и калия, в нем есть примеси солей кальция, магния и других элементов. Обычно в сильвине 14–18 % К2О. В каините KCl * MgSO4 * 3H2O окиси калия меньше — 10–12 %.

Значительную часть природных калийных солей перерабатывают в технический продукт — хлористый калий (50–62 % К2О).

Соли могут обогащаться методом флотации. Обычные минералы плохо растворяются в воде. Но поваренная и другие соли полностью растворимы. Как их частицы разделить во флотационном процессе, происходящем в водной среде?

Вода способна растворять соли, пока концентрация ее не достигнет определенного предела, называемого концентрацией насыщенного раствора. Как только вода «насытится», растворение прекращается. В этом насыщенном рассоле можно флотировать растворимую соль. Конечно, нет смысла выбрасывать рассол вместе с хвостами флотации. Его можно вернуть обратно в процесс, удалив лишь твердую фазу и заменив ее новой порцией исходной руды — смеси солей. Этот процесс впервые был освоен в СССР.

Например, поваренную соль (NaCl) — минерал галит — можно отделить флотацией от сильвина с помощью жирных кислот в щелочной среде и в насыщенном растворе КСl и NaCl. Можно применить и обратную флотацию — перевести в пену КСl, используя в качестве собирателя амин или алкилсульфонат натрия.

Интересно отметить, что жирные кислоты хорошо флотируют хлористый натрий: (NaCl), нитрат калия (KNO3) и хлористый калий (КСl), если они не присутствуют в пульпе вместе. Но из смеси этих минералов флотируется только NaCl; флотация хлористого калия или нитрата калия подавляется хлористым натрием.

Растворимость соли зависит в известной степени от присутствия других растворимых солей. Это определяется тем, что ионы в растворе связывают воду, гидратируются и на новую соль остается меньше «свободной» воды. Чем активней ионы данной соли связывают воду, тем меньше зависит ее растворимость от присутствия других солей. Растворимость солей связана с их флотируемостью. Если одна соль в присутствии другой имеет меньшую растворимость, то и ее флотируемость снижается. Этим объясняется изменение флотируемости солей в смесях.

Флотация солей применяется для производства калийных и некоторых азотных удобрений, выделения магниевых солей и т. д. Флотация в насыщенных растворах применяется для обогащения борных руд: бура и борная кислота флотируются из смеси с сульфатом магния даже без реагентов, в том числе и без пенообразователя.

Дело в том, что концентрированные растворы солей могут пениться и без пенообразователя, что связано со значительным увеличением поверхностного натяжения и упрочения поверхностной пленки воды в концентрированном растворе соли. Ионы соли, стремясь с большой силой, чем диполи воды, во внутренний объем, как бы увеличивают тем самым концентрацию молекул воды в поверхностном слое.

Такая поверхностная пленка хотя и менее прочна, чем пленка с органическим пенообразователем, все же увеличивает устойчивость пузырьков воздуха над рассолом. Это является одной из причин того, что возможна флотация гидрофобных минералов в рассоле.

Если соли калия и натрия смешаны слишком тесно, разделение их хлоридов производится методом галургии. При нормальных значениях температуры растворимость хлоридов калия и натрия почти одинакова. С повышением температуры растворимость NaCl почти не меняется, а растворимость КСl сильно возрастает. На холоде готовят насыщенный раствор обеих солей, затем его нагревают и обрабатывают им сильвинит. При этом раствор дополнительно насыщается хлористым калием, а часть поваренной соли вытесняется из раствора, выпадает в осадок и отделяется фильтрованием. Раствор охлаждают, и из пего выкристаллизовывается избыточный хлористый калий. Кристаллы отделяют на центрифугах и сушат, а маточный раствор идет на обработку новой порции сильвинита.

Технический хлористый калий применяют и самостоятельно, и в смеси с природными калийными солями.

Можно удобрять и смешанной солью, содержащей смесь сульфатов калия, магния, натрия и др.

Природная полигалитовая соль содержит небольшие примеси меди, цинка и других микроэлементов. Все это обусловливает ее хорошие агрохимические качества.

Агроэффективность полигалита и других сернокислых солей, характерных для калийных месторождений юго-востока, высока для самых различных сельскохозяйственных культур: картофеля, свеклы, льна, кукурузы, гречихи, чая и др. Полигалитовая соль показала себя более эффективной, чем хлористый калий, из-за присутствия сульфата магния и ряда микроэлементов. Полигалитовая соль — это не только сульфатная форма калий-по-магниевого удобрения, но и хорошее средство мелиорации солонцовых почв.