Gospodarka Surowcami Mineralnymi - Mineral Resources Management

Zabezpieczenie podaży surowców mineralnych w Unii Europejskiej stało się w ostatnich latach jednym z priorytetowych celów działań Komisji UE, Służb Geologicznych i licznych ośrodków badawczych. Po latach zaniedbań w tym kierunku, dostrzeżono wagę rosnącego deficytu surowcowego krajów Europy oraz płynące stąd zagrożenia dla konkurencyjności jej gospodarki w stosunku do dynamicznie rozwijających się gospodarek Chin, Indii oraz innych krajów, głównie azjatyckich. Dało to asumpt dążeniom do stworzenia nowej, wspólnej polityki surowcowej Unii Europejskiej głównie w zakresie surowców nieenergetycznych. Jednym z punktów wyjścia do tych działań jest ocena potencjału surowcowego krajów Unii Europejskiej oraz identyfikacja tzw. surowców krytycznych, niezbędnych dla harmonijnego i zrównoważonego rozwoju gospodarczego oraz postępu technologicznego. Niniejsze opracowanie przedstawia syntetyczną prezentację i omówienie wyników prac prowadzonych w tym zakresie w ramach działalności Inicjatywy ds. Podaży Surowców Mineralnych, skupiając się na prezentacji na tym tle naszej, krajowej bazy surowcowej i oceny jej atrakcyjności jako źródła surowców krytycznych dla UE. Analizę krytyczności wykonano opierając się na trzech grupach kryteriów: gospodarczo-ekonomiczne skutki ograniczenia podaży, ryzyko ograniczenia (zachwiania lub przerwania) podaży oraz ryzyko środowiskowe, związane z ograniczeniami możliwości produkcji w poszczególnych krajach, wynikającymi z wymogów ochrony środowiska naturalnego. Dla ilościowej ich oceny skonstruowano trzy zagregowane wskaźniki, zaś do prognozowania przyjęto 10-letni horyzont czasowy. Do analiz stopnia krytyczności wytypowano 41 najważniejszych i najszerzej wykorzystywanych surowców mineralnych. Dotychczasowe badania pozwoliły na wstępny ich podział na trzy grupy. Za krytyczne dla gospodarki Unii Europejskiej uznano 14 surowców o ważnym znaczeniu ekonomicznym, tj.: antymon, beryl, kobalt, fluoryt, gal, german, grafit, ind, magnez, niob, platynowce, pierwiastki ziem rzadkich, tantal i wolfram. Charakteryzują się one bardzo wysokim ryzykiem niedoboru podaży, co wynika z ograniczonej ilości źródeł ich pochodzenia i podaży, zdominowanej przez kilka krajów, w szczególności Chiny. Ryzyko utraty płynności podaży tych surowców wzmaga niski stopień wykorzystania surowców wtórnych i niewielka skala substytucji. Większość spośród wskazanych surowców jest niezbędnych dla rozwoju nowych technologii. Pozostałe surowce są również, choć w mniejszym stopniu, zagrożone deficytem. Ich znaczenie ekonomiczne jest duże, ale są w mniejszym stopniu niezbędne dla rozwoju nowych technologii. W odniesieniu do przedstawionych surowców krytycznych dla gospodarki Unii Europejskiej, Polska nie może stanowić jej zaplecza surowcowego. Kraj nasz nie posiada odpowiedniej bazy surowcowej, nie prowadzi własnej ich produkcji, a zapotrzebowanie pokrywane jest - i jak wskazują prognozy na najbliższe lata - będzie pokrywane importem. Spodziewany jest natomiast wzrost roli naszego kraju jako producenta gotowych wyrobów na bazie dostarczonych z zewnątrz podzespołów i elementów. Omawiane surowce trudno też zaliczyć do krytycznych dla gospodarki naszego kraju, gdyż jak dotychczas nie rozwinięto bazujących na nich gałęzi przemysłu. Mają więc one obecnie ograniczone znaczenie gospodarcze. Harmonijny i zrównoważony rozwój kraju i wykorzystanie wysokiego potencjału ludzkiego domagają się rozwoju własnych innowacyjnych technologii opartych na imporcie oraz własnej produkcji surowców zaliczanych do krytycznych. Ewentualne szersze wykorzystanie skromnego potencjału surowcowego Polski w zakresie kopalin będących źródłem surowców krytycznych może nastąpić dopiero w dłuższym, około 20-letnim horyzoncie czasowym. Za najbardziej prawdopodobne działania w tym zakresie należy uznać udostępnienie złoża rud Mo-W-Cu Myszków oraz intensyfikację poszukiwań podobnych złóż.

Krajowa baza zasobowa dolomitów jest duża. Ich łączne zasoby bilansowe, udokumentowane w 62 złożach - wykazywanych w aktualnych statystykach zasobów kopalin - wynoszą 1 500 mln t. Mimo tego występuje deficyt wysokiej jakości tzw. dolomitów konwertorowych, które mają zastosowanie do produkcji materiałów ogniotrwałych. Dla tego celu wykorzystywane są od wielu lat dolomity triasowe ze złóż Brudzowice i Ząbkowice Śląskie I, z regionu śląsko-krakowskiego. Do innych potencjalnie interesujących złóż tego regionu, ze względu na charakter i właściwości dolomitów, należy złoże Libiąż. Wątpliwa, choć niewykluczona wydaje się możliwość wykorzystania dolomitów ze złóż Nowa Wioska i Stare Gliny. Wymaga to jednak przeprowadzenia bardziej dokładnych badań ich składu chemicznego i podatności do spiekania. Jak dotąd bowiem, dolomity z tych złóż są rozpoznane i aktualnie eksploatowane na znaczną skalę przede wszystkim dla potrzeb drogownictwa i budownictwa. Niestety, pogarszająca się jakość dolomitów zalegających w innym, dużym i udostępnionym złożu tego regionu - Żelatowa - była przyczyną zaniechania wykorzystania tej kopaliny do produkcji materiałów ogniotrwałych. Spośród złóż rezerwowych najkorzystniejszymi właściwościami wyróżniają się cztery: Chruszczobród, Chruszczobród I, Chruszczobród 2 i Libiąż Wielki. Przeprowadzona analiza wskazuje także na możliwość wykorzystania dla celów przemysłu materiałów ogniotrwałych kopalin ze złóż Winna i - w mniejszym stopniu - Radkowice-Podwole. Wymaga to jednak przeprowadzenia bardziej szczegółowych badań ich składu chemicznego i struktury, a zwłaszcza określenia wielkości ziaren. Odrębne zagadnienie stanowi kwestia wykorzystania marmurów dolomitowych ze złóż regionu dolnośląskiego. Tradycyjnie uważa się, że są one nieprzydatne do produkcji materiałów ogniotrwałych z uwagi na grube uziarnienie. Kopalina ta występuje jednak w kilku odmianach, reprezentując również struktury drobno i średniokrystaliczne. Najczystsze i najbardziej drobnoziarniste odmiany mogą być interesujące do produkcji materiałów ogniotrwałych. Wymaga to jednak prowadzenia selektywnej ich eksploatacji.

Chalcedonit jest to krzemionkowa skała osadowa, która ze względu na bardzo niewielki obszar występowania zalicza się do skał unikalnych. Występuje w złożach Dęborzynka, Gapinin, Lubocz i Teofilów na Wysoczyźnie Rawskiej w rejonie Tomaszowa Mazowieckiego i Nowego Miasta. Złoże Teofilów jako jedyne jest udokumentowane i obecnie eksploatowane. Powierzchnia złoża wynosi 577 437 m2, a jego zasoby geologiczne zostały określone na 21,587 ź 106 kg (21 587,0 tys. ton). Głównym składnikiem skały jest chalcedon (69,0-96,6% obj.), natomiast kwarc, opal, wodorotlenki żelaza, piryt, związki manganu oraz minerały ilaste występują w niewielkich ilościach. Powierzchnia właściwa chalcedonitu jest stosunkowo mała i została określona na 3-6 m2/g. Chalcedonit posiada strukturę mezoporowatą o stosunkowo dużej jednorodności porów, których całkowita objętość wynosi 0,03-0,04 cm3/g. Z racji niewielkiego rozprzestrzenienia chalcedonit jest skałą unikalną, która posiada właściwości wielosurowcowe. Wykazuje przydatność w wytwarzaniu tworzywa perlitopodobnego, krystobalitu, wollastonitu oraz mullitu. Uznany został za dobry surowiec do produkcji past, proszków do szorowania, nasypowych narzędzi ściernych oraz dobry wypełniacz do produkcji farb, lakierów, emalii, kitów i szpachlówek. Ze względu na mezoporowatą strukturę oraz rozbudowaną zewnętrzną powierzchnię ziaren chalcedonit może znaleźć zastosowanie w technologii uzdatniania wody głównie jako skuteczny materiał filtracyjny. Wysoka przydatność złoża chalcedonitowego do odżelaziania i odmanganiania wody przejawia się głównie występowaniem w filtrze strefy odżelaziania o małej wysokości, stosunkowo niedługim czasem wpracowania do efektywnego usuwania manganu(II), a także dobrymi właściwościami hydraulicznymi materiału, pozwalającymi na uzyskanie dużych pojemności masowych na filtrze oraz długich cykli filtracyjnych. Chalcedonit jest bardzo dobrym nośnikiem tlenków manganu, a modyfikacja jego powierzchni prowadzi do wytworzenia złoża aktywnego chemicznie, które umożliwia usuwanie manganu(II) z wody z wysoką efektywnością bez konieczności wpracowania filtru. Na złożu chalcedonitowym zachodzi skuteczne usuwanie azotu amonowego z wody w procesie nitryfikacji oraz oczyszczanie ścieków komunalnych. Chalcedonit również może być brany pod uwagę jako sorbent do usuwania rozlewów olejowych.

Przedstawiono wyniki badań, których celem była wstępna analiza wpływu odczynnika apolarnego na przebieg procesu flotacji siarczkowej rudy miedzi pochodzącej z rejonu Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM). Wykonano dwie serie eksperymentów flotacyjnych: jedną w warunkach standardowych z użyciem etylowego ksantogenianu potasu (KEtX) jako odczynnika zbierającego oraz drugą serię flotacji z zastosowaniem wodnej emulsji n-dodekanu (C12), jako modelowego odczynnika apolarnego oraz ksantogenianu (KEtX). We wszystkich eksperymentach odczynnikiem pianotwórczym był roztwór \alfa-terpincolu. Stwierdzono, że w obecności odczynnika apolarnego część minerałów miedzi ulega flotacji, a pozostała ich część może być 'doflotowana' przy użyciu standardowego kolektora - ksantogenianu. Dokonano również porównania wyników flotacji rudy miedzi z użyciem n-dodekanu z serią flotacji z wcześniejszych badań autorki z zastosowaniem krótszego homologu - n-heptanu. Stwierdzono, że przy zastosowanym reżimie odczynnikowym, n-heptan wykazuje się wyższą selektywnością w porównaniu z n-dodekanem. W obecności różnych dawek n-heptanu, badany materiał lepiej wzbogacał się w nośniki węgla organicznego niż w minerały miedzi.

Earth Pressure Balanced shields are currently the most utilized tunnelling machines throughout around the world. The possibility of using conditioning agents that change the mechanical and hydraulic behaviour of a soil, changing it into a plastic paste and thus permitting soil pressure applications at the tunnel face, is the key point to explain the increasing utilization of this technology. Despite its great importance, not much laboratory researches can be registered on soil conditioning, particularly for cohesionless soils. The conditioning criterion is usually defined on the basis of a trial-and-error procedure developed directly at the job sites. A test that is able to simulate the extraction of soil from the bulk chamber with the screw conveyor inclined upwards, as in real machines, can offer a quantitative indication of the conditioned soil behavior for EPB use. The characteristics of the device and the results obtained on many different types of soil are discussed in order to point out the great importance and quality of results that can be achieved using the proposed test device.

W ostatnich dekadach coraz większą popularność wśród metod oceny ekonomicznej i analizy ryzyka projektów inwestycyjnych zdobywa analiza opcji rzeczowych. Metoda ta umożliwia wycenę tzw. elastyczności decyzyjnej mieszczącej w sobie możliwości odkładania inwestycji w czasie oraz modyfikację przyjętych pierwotnie strategii operacyjnych, dzięki czemu w wyniku analizy otrzymuje się wartości przedsięwzięć wyższe niż uzyskiwane w klasycznych metodach dyskontowych - bardziej zbliżone do wartości rynkowych. W zależności od typów, układu opcji, kolejności ich występowania wartość elastyczności może mieć bardziej lub mniej istotne znaczenie. Popularne metody wyceny opcji rzeczowych wykorzystują stanowiące aproksymację ciągłego procesu stochastycznego schematy kratownicowe, w tym najbardziej znane - podejście dwumianowe. Na podejściu tym bazuje metodyka wyceny stosująca tzw. założenie MAD. Artykuł przedstawia sposób wyceny górniczego przedsięwzięcia inwestycyjnego obejmującego trzy, występujące równolegle, opcje rzeczowe: opcję rozszerzenia skali projektu, zmniejszenia zakresu prowadzonych operacji i likwidacji przedsięwzięcia.

Struktura wytwarzania energii elektrycznej w ostatnich latach nie uległa zasadniczym zmianom. 93% energii jest obecnie produkowane z węgla kamiennego i brunatnego. Istotny wpływ na koszty wytwarzania mają opłaty związane z gospodarczym korzystaniem ze środowiska. W artykule przedstawiono problem wpływu opłat środowiskowych wynikających z parametrów jakościowych węgla na koszty produkcji energii w energetyce zawodowej. Przedstawiono badania symulacyjne wpływu trzech parametrów jakościowych (Q, A, S) na koszty opłat środowiskowych. Większe możliwości symulacji obliczeń uzyskano dzięki opracowanym wzorom zależności między parametrami jakościowymi węgla. W obliczeniach uwzględniono także opłaty związane z NOx, CO, CO2. Odpowiednie wyliczenia pokazano zarówno w przeliczeniu na 1 tonę spalanego węgla, jak i na 1 MWh wyprodukowanej energii.

Geologiczne składowanie dwutlenku węgla powinno być prowadzone przy założeniu braku wycieków z miejsc składowania. Jednak niezależnie od tego, czy zatłaczany gaz będzie wyciekał ze składowiska, czy też nie składowany dwutlenek węgla będzie oddziaływał na środowisko. W szczelnym składowisku zatłaczany dwutlenek węgla będzie rozpuszczał się w płynach złożowych (wodzie podziemnej i ropie) oraz wchodził w reakcje ze skałami formacji do składowania. Rozpuszczanie CO2 w wodzie podziemnej będzie powodowało zmianę jej pH i chemizmu. Oddziaływania z matrycą skalną miejsca składowania spowodują nie tylko zmianę składu mineralogicznego, ale również parametrów petrofizycznych wywołane wytrącaniem i rozpuszczaniem minerałów. Wyciek CO2 z miejsca składowania może wywołać zmiany w składzie powietrza glebowego i wód podziemnych, wpłynąć na rozwój roślin, a przy nagłych i dużych wypływach będzie stanowił zagrożenie dla ludzi i zwierząt. Dwutlenek węgla może spowodować pogorszenie jakości wód pitnych związane ze wzrostem ich mineralizacji (twardości) oraz mobilizacją kationów metali ciężkich. Wzrost zawartości tego gazu w glebie prowadzi do jej zakwaszenia i ma negatywny wpływ na rośliny. Koncentracja dwutlenku węgla rzędu 20-30% jest wartością krytyczną dla roślin, powyżej której następuje ich obumieranie. Wpływ podwyższonych koncentracji dwutlenku węgla na organizm ludzki jest zależny od stężenia gazu, czasu ekspozycji oraz czynników fizjologicznych. Zawartości CO2 w powietrzu do 1,5% nie wywołują u ludzi efektów ubocznych. Koncentracja powyżej 3% powoduje szereg negatywnych skutków, takich jak: wzrost częstotliwości oddychania, trudności w oddychaniu, bóle głowy, utrata przytomności. Przy stężeniach powyżej 30% CO2 w powietrzu śmierć następuje po kilku minutach. Mikroorganizmy i grzyby żyjące pod powierzchnią ziemi mają dobrą tolerancję na podwyższone i wysokie stężenia dwutlenku węgla. Spośród zwierząt największą odporność wykazują bezkręgowce, niektóre gryzonie i ptaki.

Popioły lotne ze spalania węgla brunatnego są odpowiednim materiałem do sporządzania zawiesin dla wiązania CO2 na drodze mineralnej karbonatyzacji. Ze względu na ich ograniczone wykorzystanie gospodarcze, mineralna sekwestracja CO2, jako etap technologii CCS dla elektrowni spalających węgiel brunatny, może być dobrym sposobem ich zagospodarowania. Do badań mineralnej sekwestracji CO2 wykorzystano popioły lotne ze spalania węgla brunatnego w Elektrowni Pątnów charakteryzujące się wysoką zawartością tlenku wapnia i wolnego CaO. Badania składu fazowego zawiesin potwierdziły zachodzenie procesu karbonatyzacji, któremu uległ cały wodorotlenek wapnia zawarty w 'czystych' zawiesinach popiołowych. Stopień związania CO2 określono na podstawie badań termograwimetrycznych, stwierdzając wzrost zawartości CaCO3 w zawiesinach po wprowadzeniu do nich ditlenku węgla. Konsekwencją karbonatyzacji jest również obniżenie pH zawiesiny. W badanych zawiesinach stwierdzono zmniejszenie wymywalności wszystkich zanieczyszczeń. Uzyskane wyniki porównano z rezultatami wcześniej przeprowadzonych badań popiołów z tej samej elektrowni, ale różniących się składem chemicznym. Badania potwierdziły, że zawiesiny wodne popiołów ze spalania węgla brunatnego w Elektrowni Pątnów, niezależnie od ich składu, charakteryzują się wysokim stopniem karbonatyzacji.

Żużle hutnicze coraz częściej są obiektem zainteresowania pod kątem możliwości ich wykorzystania, zwłaszcza jako materiału do produkcji różnego rodzaju kruszyw. W związku z tym konieczne jest dokładne poznanie tego materiału nie tylko z uwagi na jego właściwości techniczne, ale także ze względu na skład mineralogiczno-chemiczny, który może dostarczyć wielu cennych informacji podczas gospodarczego wykorzystania żużli. Jednym z głównych składników żużli hutniczych - obok skupień metalicznych, faz krzemianowych i tlenkowych - jest szkliwo. Na podstawie badań przeprowadzonych na próbkach żużli po hutnictwie stali oraz rud Zn-Pb pobranych z wybranych zwałowisk na terenie Górnego Śląska, przedstawiono kolejne etapy procesu dewitryfikacji szkliwa; od jego izotropowych fragmentów o gładkiej powierzchni do szkliwa przeobrażonego, silnie spękanego o brązowo-czerwonym zabarwieniu. Spękania często wypełnione są drobnym nalotem tlenkowych faz metali wydzielających się ze szkliwa w trakcie jego dewitryfikacji. Na podstawie analizy w mikroobszarach ustalono skład chemiczny szkliwa, który jest zmienny i zależny od rodzaju żużli, z jakimi związane jest szkliwo. Dominują w nim: Si, Al, Fe oraz Ca i Mg. Szkliwo odpadów stalowniczych zawiera ponadto domieszki Mn, P, S, natomiast w szkliwie z żużli po hutnictwie rud Zn-Pb stwierdzono obecność metali ciężkich: As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Ti i Zn, a także alkaliów, fosforu i siarki.