Sorbenty mineralne – perspektywiczny temat w polskiej gospodarce

Od wieków człowiek wykorzystywał kopaliny w życiu codziennym. Służyło to konkretnym, wybranym celom. Jednak wraz z rozwojem gospodarczym pojawiają się nowe potrzeby, nowe technologiczne problemy do rozwiązania. Jednym z nich, coraz bardziej się nasilającym, jest z pewnością kwestia ochrony środowiska przed różnego typu zanieczyszczeniami. O grupie kopalin stosowanych w tym celu jako sorbenty opowiedział nam prof. dr hab. inż. Tadeusz Ratajczak z Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica.

• We wrześniu tego roku odbędzie się konferencja dotycząca problematyki sorbentów mineralnych, organizowana przez Akademię Górniczo-Hutniczą im. Stanisława Staszica we współpracy z należącą do koncernu Tauron Kopalnią Wapienia Czatkowice. Wygląda na to, że temat sorbentów zyskuje na popularności w Polsce – czy rzeczywiście widać wzrost zainteresowania? Jak wyglądało zapotrzebowanie na sorbenty dawniej, a jak można oceniać zapotrzebowanie na nie w przyszłości?

Zainteresowanie grupą kopalin, nazywanych z uwagi na swoje specyficzne właściwości fizyko-chemiczne sorbentami mineralnymi istnieje od dawna. Problem ten wydaje się być stymulowany dwoma przesłankami: postępem i możliwościami badań mineralogicznych, zmierzających do ustalenia ich składu mineralnego i chemicznego oraz struktury i tekstury wewnętrznej minerałów, skał i substancji mineralnych. Ich wyniki tworzą podstawy do identyfikacji nowych, innych właściwości fizyko-chemicznych decydujących m.in. o własnościach sorpcyjnych tych utworów; Drugą przesłanką rozwoju zainteresowania sorbentami jest postępujące zagrożenie i degradacja środowiska naturalnego stwarzające potrzebę szukania sposobów oraz środków ich ograniczenia.

Dodatkowym elementem wspomnianej sytuacji bywa niekiedy fakt, że w pewnych przypadkach istnieją możliwości wykorzystania niektórych odmian tej samej grupy kopalin w celach rekultywacyjnych polepszających właściwości bonitacyjne gleby. Te bardzo często związane są też z możliwościami sorpcyjnymi utworów glebowych. Nie należy pomijać także możliwości ich aplikacji w medycynie (produkcja niektórych leków). Osobny problem to tzw. węgle aktywowane.

Ostatnie lata i wspomniany narastający problem zagrożenia stanu środowiska naturalnego spowodowały wyraźne zwiększenie zainteresowania się problematyką sorbentów mineralnych. Nie bez znaczenia stał się fakt wstąpienia Polski w struktury Unii Europejskiej i wynikająca stąd konieczność dostosowania się do prawodawstwa unijnego, niekiedy bardzo restrykcyjnego w obszarach dotyczących ochrony środowiska. Wydają się one mieć wpływ na wspomnianą problematykę. Zadecydowały też najpierw o organizacji konferencji, a potem o jej programie naukowym.

• No właśnie, jak na tle dzisiejszego zainteresowania tematem organizatorzy widzą cel konferencji?

Katedra Mineralogii, Petrografii i Geochemii Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica organizuje w dniach 16 – 18 września 2013 roku konferencję naukowo-techniczną pt. „Sorbenty mineralne – surowce, energetyka, ochrona środowiska, nowoczesne technologie”. Wydaje się, że będzie ona stanowić właściwe forum umożliwiające spotkanie się przedstawicieli środowisk naukowych i praktyków zajmujących się profesjonalnie tą problematyką. Jej program pozwoli zaś na wymianę doświadczeń, dokonań czy też rezultatów badań obejmujących zagadnienia sorbentów mineralnych.

• Wspomniał Pan o wzroście znaczenia sorbentów wraz z narastającym zainteresowaniem problemami ochrony środowiska. Jakie kopaliny są dziś stosowane jako sorbenty i w jakich technologiach? Które z nich pozyskuje się w Polsce i czy nasz kraj jest surowcowo perspektywiczny pod tym względem?

W wyniku podpisanego przez Polskę II Protokołu Siarkowego kraj nasz zobowiązał się do dostosowania emisji SO2 do przepisów unijnych. Wymagają one obniżenia całkowitego emitowanego ładunku SO2 oraz spełnienia zarówno przez istniejące jak i nowo uruchamiane obiekty energetyczne norm emisji SO2 na poziomie gwarantującym 90% skuteczności odsiarczania. Wiąże się z tym potrzeba stosowania sorbentów zapewniających wymaganą skuteczność, którą osiąga się przez zastosowanie uzyskiwanej ze skał węglanowych tzw. mączki wapiennej. Z kolei w przypadku unieszkodliwiania różnego typu odpadów Unia Europejska przyjęła strategię zmierzającą do znacznego rozwoju technik spalania, co powodować będzie wytwarzanie gazów – produktów tych procesów, zanieczyszczających atmosferę. Zadaniem instalacji oczyszczających, niezbędnych w takich przypadkach, stanie się ich ograniczenie i usuwanie. I w tym przypadku zapewnić to mogą właściwe, efektywne sorbenty.

Sięgając nieco bardziej wstecz, już pod koniec XX wieku różne aspekty wynikające z potrzeby ochrony środowiska naturalnego stawały się jednym z podstawowych wyzwań świata cywilizacyjnego. Należały do nich problemy dotyczące ograniczenia czy likwidacji powstających w coraz większej ilości odpadów poprzemysłowych lub komunalnych. Charakter i właściwości tworzących je substancji powodują, że przedstawiają one swoisty reaktor chemiczny, w którym z dużą intensywnością zachodzą procesy biodegradacji składników. W wyniku tego powstają nie tylko ciekłe ale i gazowe produkty ich rozkładu – biogazy. Ich dominującym składnikiem jest metan. Charakterystyczna bywa jednak obecność H2S dochodząca do 5% objętości. Fakt ten powoduje negatywne skutki zarówno ekologiczne (zanieczyszczenie atmosfery) jak i ekonomiczne (obniżenie wartości energetycznych biogazu oraz niszczenie instalacji). Pojawił się więc problem jego oczyszczania tzn. zmniejszenia koncentracji H2S. Oznaczało to potrzebę znalezienia i zaproponowania taniego, dostępnego, efektywnego sorbentu. Okazały się nimi rudy darniowe. Prace badawcze prowadzone nad tym surowcem wykazały, że właściwości sorpcyjne tych kopalin można drogą prostych zabiegów (modyfikacji) polepszyć. Z tych samych powodów tzn. możliwości sorbowania H2S a także innych połączeń gazowych kopalina ta okazała się użyteczna w sytuacji zwalczania tzw. uciążliwości zapachowej – dezodoryzacji. Zagadnienia z nią związane stają się we współczesnym świecie coraz bardziej ważkie i znaczące. Jak dotąd były pomijane czy też niedoceniane, a jest to kolejny problem, z którym niedługo przyjdzie się zmierzyć z uwagi na wymagania prawodawstwa unijnego. Zagadnienie to dotyczyć będzie chociażby szeroko rozumianego przemysłu spożywczego, niektórych dziedzin działalności rolniczej czy nawet gastronomicznej (wszelkiego rodzaju smażalnie przetworów i wyrobów). Dodatkowym elementem przesądzającym czy promującym rudy darniowe jako sorbent w walce z degradacją środowiska jest ich wybitna zdolność sorbowania metali ciężkich i toksycznych. Problem ten istnieje w przypadku zarówno wysypisk odpadów przemysłowych jak i komunalnych. Kolejnym przykładem może okazać się sytuacja sygnalizowana przez polskie górnictwo miedziowe. Od pewnego czasu w atmosferze kopalnianej zakładów górniczych Kombinatu Miedziowego pojawiają się na tyle duże koncentracje H2S, że stanowią one zagrożenie dla życia górników i utrudnienia w procesie eksploatacyjnym. I w tym przypadku jednym z możliwych sposobów likwidacji tych zagrożeń może być wykorzystanie rud darniowych sorbujących siarkowodór.

Krajowa baza surowców możliwych do wykorzystania jako sorbenty nie jest zbyt bogata. Nie dysponujemy np. odmianami posiadającymi wybitne właściwości sorpcyjne jak np. zeolity czy bentonity. Dlatego powinniśmy dążyć do jej poszerzenia przez prowadzenie prac poszukiwawczych i badań właściwości kopalin.

• W jakim kierunku podążają krajowe badania w dziedzinie sorbentów? Czy szuka się nowych rozwiązań i nowych substancji czy raczej pracuje nad nowymi zastosowaniami, poprawą parametrów znanych i sprawdzonych surowców?

Problematyka sorbentów mineralnych nie do końca jest zagadnieniem nowym – od dawna stanowiła przedmiot zainteresowania mineralogów, specjalistów w zakresie problematyki surowcowej, czy technologów. Stąd trudno ocenić i zanalizować stan badań w skali kraju. Zainteresowanych tą problematyką odsyłam do opracowania – monografii autorstwa prof. Witolda Żabińskiego i prof. Zenona Kłapyty „Sorbenty mineralne Polski”. Przy udziale kilkunastu autorów dokonany został w niej niemal kompletny przegląd krajowych kopalin i surowców wykorzystywanych w charakterze sorbentów mineralnych.

Potrzeba wykazania właściwości sorpcyjnych przez określone grupy kopalin spowodowała, że w nieodległej przeszłości niektórym z nich „przyjrzano” się ponownie. Oznaczało to wykonanie nowych, bardziej precyzyjnych badań, dostępnych dzięki możliwościom stwarzanym przez nowoczesną analitykę. W wielu przypadkach pozwoliły one na identyfikację nieznanych dotąd cech fizyko-chemicznych, w tym także sugerujących ich właściwości sorpcyjne. Ten rodzaj na nowo prowadzonych badań prof. Andrzej Bolewski nazwał „badaniami drugiej generacji”. W ich efekcie dotychczasowe znane i tradycyjne kierunki wykorzystania kopalin można było rozszerzyć o nowe i zaliczyć je do grupy sorbentów mineralnych. Przykładem takim mogą być chalcedonity, diatomity, rudy darniowe, ochry, kreda jeziorna, czy nawet niektóre odmiany skał ilastych. Natomiast odnosi się wrażenie, że nadal nierozwiązany pozostaje problem krajowej bazy kopalin węglanowych wykorzystywanych do produkcji sorbentów stosowanych w procesach oczyszczania gazów poelektrownianych z SO2. Ich baza już aktualnie wydaje się być ograniczona. Wymaga to podjęcia stosownych decyzji i badań. Istnieją przesłanki sygnalizujące możliwość zmiany tej sytuacji.

Prace dotyczące określenia właściwości sorpcyjnych kopalin i surowców należy realizować dalej. Prace takie są prowadzone, przynoszą też pozytywne efekty. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat doprowadziły np. do udokumentowania takich właściwości w przypadku kredy jeziornej. Godny podkreślenia jest fakt, że zakres ich zainteresowania zaczyna obejmować nie tylko naturalne odmiany kopalin, ale również mineralne surowce odpadowe czy kopaliny towarzyszące. Są nimi np. popioły poelektrowniane (prace zmierzające do otrzymania syntetycznych zeolitów), wspomniana kreda jeziorna (kopalina towarzysząca w przypadku złoża węgla brunatnego Bełchatów), czy mineralne surowce odpadowe powstające w efekcie eksploatacji skał węglanowych.

• A jak wygląda sytuacja takich „zapomnianych” tematów jak na przykład ruda darniowa? Czy w dzisiejszych czasach zastosowanie rudy do celów ochrony środowiska jest uzasadnione?

W przypadku rudy darniowej możemy wrócić do wspomnianych „badań drugiej generacji”. Właściwości sorpcyjne tej odmiany kopalin były znane od dawna. Z uwagi na to stosowano je już w XIX wieku do uzdatniania i polepszania właściwości użytecznych (energetycznych) gazów naturalnych i przemysłowych. Odbywało się to poprzez obniżenie obecności w nich H2S. Tym niemniej nie do końca był poznany oraz wyjaśniony mechanizm przebiegu sorpcji tego związku jak i uwarunkowań wpływających na poprawę tych właściwości (modyfikowanie cech fizyko-chemicznych). Rozwiązanie tych problemów to kwestia ostatnich lat.

W polskich realiach surowcowych rudy darniowe stały się kopaliną niemal skazaną na zapomnienie. Ich eksploatacji zaniechano w latach 60. ubiegłego wieku. Wynikało to stąd, że używane były przez wiele lat jako ruda żelaza. Hutnictwo jednak, z uwagi na nienajlepszą jakość, przestało się nimi interesować. Nadal, marginalnie, stosowano je w charakterze sorbentów w sytuacji gazów przemysłowych, np. koksowniczych. Zapotrzebowanie to było pokrywane przez zasoby tych kopalin znajdujące się na zwałowiskach powstałych po dawnej eksploatacji, zlokalizowanych na terenach Wielkopolski, Mazur czy Lubelszczyzny. Jedyne dwa złoża dysponujące udokumentowanymi zasobami Dębe Małe I i Dębe Małe II zostały skreślone z krajowego bilansu kopalin, tracąc w ten sposób „prawa obywatelskie” w kontekście przeszłej eksploatacji.

• Czy jest zatem nadzieja, że niejasna sytuacja prawna rudy darniowej zostanie uporządkowana?

Zainteresowanie rudami darniowymi, z uwagi chociażby na wspomniane właściwości sorpcyjne nie maleje. Obserwowane jest nawet jego zwiększenie, zwłaszcza w kwestii możliwości ich nabycia i wykorzystania. Tego typu zapytania można np. znaleźć w Internecie. Problem wydaje się dojrzewać do rozwiązania. Można tego dokonać poprzez uruchomienie wydobycia we wspomnianych dwóch udokumentowanych złożach, ale nie tylko. Wyniki prac prospekcyjnych za rudami darniowymi, które były prowadzone na terenie kraju zarówno w latach 60. ubiegłego wieku jak i na przełomie XX i XXI wieku (zlecone przez Ministerstwo Ochrony Środowiska a finansowane przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej) wskazują na możliwość udokumentowania nowych złóż czy nagromadzeń. Według szacunkowych danych dokonanych w trakcie realizacji wspomnianych prac aktualne krajowe zapotrzebowanie w przypadku rud darniowych jako sorbentów wynosi około 500 tys. ton rocznie. Wielkość zasobów dwóch udokumentowanych złóż – Dębe Małe I i Dębe Małe II – wynosi zaledwie około 12 tys. ton. Podjęcie prac prospekcyjnych jest zatem uzasadnione. Proces ten w przypadku tych kopalin nie wydaje się zbyt skomplikowany. Został zresztą zaproponowany w trakcie realizacji wspomnianych opracowań. Kopaliny te odznaczają się płytkim zaleganiem, niewielką powierzchnią nagromadzeń. Sugeruje to, czy wręcz przesądza, o stosowaniu uproszczonej procedury poszukiwawczo-dokumentacyjnej. Dodatkową okolicznością uzasadniającą i promującą taką działalność jest fakt, że technologie proekologiczne, w których rudy darniowe miałyby znaleźć zastosowanie, są zazwyczaj mało materiałochłonne. Stąd przedmiot zainteresowania ewentualnych przyszłych użytkowników stanowić będą nagromadzenia o niedużych zasobach. Taka sytuacja również winna wpłynąć pomyślnie na podjęcie decyzji o ich dokumentowaniu i eksploatacji. Dzięki temu również wielkość nakładów finansowych przedsięwzięć nie będzie wysoka. Ułatwieniem całej procedury może być też fakt, że część nagromadzeń posiada tzw. karty informacyjne czyli podstawową wiedzę obejmującą ich wielkość czy miąższość nagromadzeń, skład chemiczny itp.

• Jak wygląda współpraca z przedsiębiorcami w tej dziedzinie? Czy przemysł interesuje się nowymi badaniami, czy można liczyć na wsparcie przy prowadzeniu badań?

Problem sorbentów mineralnych zdaje się mieć charakter przyszłościowy i rozwojowy. O stymulatorach tej sytuacji już wspomniałem. Ważną rolę w rozwiązywaniu tych zagadnień winny mieć badania podstawowe. Poprzez wykazanie właściwości fizyko-chemicznych kopalin (dalej nie zawsze do końca znanych) są one w stanie doprowadzić do zwiększenia krajowej bazy zasobowej tego typu kopalin. Przykładem takich działań może być kreda jeziorna – kopalina towarzysząca w przypadku złoża węgla brunatnego Bełchatów. Prowadzone od lat przez Katedrę Mineralogii, Petrografii i Geochemii Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica prace analityczne wykazały jej wybitne zdolności sorpcyjne. Właściwe spożytkowanie tej wiedzy przez PGE Górnictwo i Energetyka Oddział Kopalnia Węgla Brunatnego „Bełchatów” S.A. i Elektrownię Turów doprowadziły do wykorzystania tej kopaliny w charakterze sorbentu stosowanego w procesie odsiarczania spalin w kotłach fluidalnych z paleniskami cyrkulującymi.

W rozwiązaniu zagadnień dotyczących sorbentów mineralnych w większym stopniu niż dotychczas wskazany jest udział realnych i potencjalnych ich użytkowników. Tym bardziej, że niektóre z zagadnień pozostają nadal nierozwiązane. Należy do nich m.in. wspomniany problem zwiększenia krajowej bazy skał węglanowych służącej wytwarzaniu mączki wapiennej. Jego rozwiązanie wymaga prowadzenia dalszych badań zmierzających do wykazania możliwości wytwarzania tego typu sorbentów w oparciu o zasoby pozostałych krajowych złóż wapieni nie produkujących jak dotąd mączki. Prace te winny objąć także inne odmiany skał węglanowych – margle, dolomity, magnezyty jak również mineralne surowce odpadowe pochodzące z eksploatacji i przeróbki skał wapiennych.

Dziękuję za rozmowę

Joanna Kiełczewska
23-08-2013