1.2 Жанғыш сланецтердің қасиеттері мен құрамы

Жанғыш сланецтер минералды және органикалық бөліктерден тұрады. Және органикалық бөлігі минералды бөлігіне қарағанда кіші. Сланец құрамындағы күл мөлшері 50% да жоғары болады.Сланецтің минералды бөлігі органикалық массаға сыйатын тұнбалы түрлерімен байланысты. Минералды бөлік құрамына карбонаттар (кальций, доломит, сидерит және т.б.), силикаттар, алюмосиликаттар, кварц және сульфидтер кіреді. Әр түрлі кен орындарының жанғыш сланецтерінің минералды бөліктерінің сипаттамалары 1-кестеде көрсетілген.

Жанғыш сланецтердің минералды бөлігінің құрамында, өндірістік мақсатта қажет болатын, сирек және шашыраңқы элементтер болады. Сонымен, швед сланецтері құрамындағы уран шамасы 250-325 г/т тең болады және олардан 300 мың т. уран алуға болады деген болжам бар.

Сланец құрамындағы органикалық затты «креоген» деп те атайды. Оның жанғыш сланец құрамындағы мөлшері 10-50%, ал кейбір түрлерінде тіпті 60-80% шамасына дейін жетеді. Креоген негізінен балдыр тектес және күрделі құрылымды жоғары молекулалық байланыстар қоспасы болып табылады. Ол үшін жоғары атомды Н:С қатынасы сай келеді ( тас сланецлерге қарағанда 2-3 есе жоғары). Жанғыш сланец құрамындағы органикалық заттың элементтік құрамы 2-кестеде келтірілген. Жанғыш сланец құрамындағы күкірт сульфидті, органикалық және пиритті формаларда болады. Волга бассейіні кен орны сланецтерінің құрамында күкірт мөлшері ең жоғары дәрежеде болады.

Жалпы барлық сланецтер оттеке бай (9-20% масс.%), ал олардың құрамындағы күкірт мөлшері – 1-2 масс.%.

Жанғыш сланецтердің органикалық массасы – креоген - сутекке салыстырмалы түрде бай, құрамы бойынша олар сланецке қарағанда (8-10 масс.%) мұнайға жақын. Сонымен қатар, күл құрамында ауыр және сирек металдар кездеседі. (3-кесте).

Жалпы жанғыш сланец маңызды органикалық және минералды заттарға бай екенін білдік, сондықтан да жанғыш сланецтерден көптеген химиялық заттарды алуға болады. Соның ішіндегі маңызды химиялық заттардың бірі синтетикалық моторлы отындар болып табылады [1].

2 – кесте. Жанғыш сланецтердің минералды бөлігінің сипаттамасы

Кен орны	Аd, масс. %	(СО2)dm, масс. %	Күл құрамындағы компоненттер, масс. %
			SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	Na2O	K2O
Эстондық	50,5	19,0	30,5	9,5	7,0	45,7	4,0	5,5	0,5	2,5
Ленинградтық	54,2	19,6	27,9	8,6	5,2	50,4	2,5	4,2	0,5	3,4
Кашпирлік	68,5	9,7	44,0	11,0	9,5	28,5	1,8	17,5	2,2	2,5
Балтық(Украина)	67,0	5,0	61,5	20,0	7,4	4,6	1,2	2,9	1,3	3,0
Кендірлік (Қазақстан)	64,2	2,3	58,2	17,2	7,3	2,3	1,0	3,4	10,6
Фушуньдік (Қытай)	78,2	3,8	62,3	26,7	6,1	0,1	1,8	–	3,0
Грин-Риверлік (АҚШ)	65,6	20,6	43,8	12,2	4,6	22,1	9,3	2,2	5,8

Ескерту: Ad – құрғақ затқа күлділігі, (СО2)dm – минералды СО₂ мөлшері.

3 – кесте. Жанғыш сланецтердің органикалық массасының элементтік құрамы,(масс.%)

Кен орны	С	Н	N	S	О	Н:С атомдық қатынасы
Балтық жаны	76–77	9,4–9,9	0,2–0,5	1,2–2,0	9,5–12	1,5
Волгалық	62–65	7,5–7,7	0,7–1,0	8,7–9,8	17–21	1,4–1,5
Балтық	62–72	9–10	1,2–2,3	1–2	15–21	1,6–1,8
Кендірлік (Қазақстан)	74-77	7,3-9,9	1,9-2,1	0,6-1,3	10,4-16,8	1,18-1,53

Жанғыш сланецтер – термиялық әсер еткенде шайыр, газ және күлді қалдық түзетін тұнбалы пайдалы қазба. Жанғыш сланецтер жайлы алғаш түсініктер жалпы сипаттамға ғана ие болып, XX ғасырдың 1930 жылдарының басына дейін бұл жанғыш пайдалы қазбаларды қарастырғанда көбінесе Г.Потоньенің сланецтерді классификациялау теориясы қолданылып келді.

4 – кесте. Жанғыш сланецтердің минералды бөлігіндегі металдар (г/т)

Элемент	Кен орны
	Балтық жаны	Волгалық	Балтық
1	2	3	4
Ванадий	30	110	110
Германий	1,2	1,9	1,0
Иттрий	8	5,8	30
Лантан	50	46	–
Медь	6	10	8
Молибден	12,5	60	2
Никель	6	45	10
Титан	900	3400	500
Хром	23	40	10
Цирконий	30	55	50

Сланец өндірісін зерттей келе жанғыш сланецтерді зерттеудің дамыған әдістерін қолдану және көптеген материалдар жинақтау нәтижесінде олардың қасиеттері, құрамы және жинақтау шарттары, органикалық зат алу жайлы көзқарастар дамыды.Сонымен, жанғыш сланецтің бұрын анықталған анықтамаларын ескере отырып, жалпы бір тұжырымға келуге болады: «Жанғыш сланец – негізінде сапропельді құрамды зат, құрамында әртүрлі химиялық құрылысты гумусты зат пен минералды масса қоспасы болатын, табиғаты бойынша жоғары полимерлі гетероатомды органикалық заттың дисперсті қоспасы болып табылатын комплексті жанғыш органо-минералды пайдалы қазба [14].

Соңғы жылдары жаңғыш сланецтерді табиғи газ бен газ сияқты отынға ауыспалы шекізат ретінде қолдануына және өнеркәсіптік игеруіне көп көңіл бөлінуде. Жанғыш сланец пиролиз процесі кезінде смола бере алады,(сланецті мұнай), көмірсутекті шекізаттың потенциалды ең ірі қоры болып келеді. Сланецті мұнайдың қорлары табиғи мұнай қорларынан жүздеген есе көп. Одан басқа жанғыш сланецте бағалы сирек элементтердің концентрациясы жоғары болып келеді(мысалы: рени, молибден, алтын, уран және т.б). Жанғыш сланецтер – бұл энергетикалық отын ғана емес. Пиролиз өнімдерінен жанғыш газ, бензин, мазут және фенолдар алынады. Күлі микроэлементтерге бай, микротыңайтқыш ретінде, сонымен бірге құрылыс материалдарда қолдануға болады.

Осы уақытқа дейін Қазақстан аумағында сланецтің жоғарғы девона, төменгі карбон, жоғарғы палеозой, орта және жоғары юр дәуірлеріне жататын 25 шақты кен орны анықталды. Олардың технологиялық сапасы мен мінездемесіне қалыптасу шартты мен бастапқы заттары әсер етті. Кендірлік пен Чернозатондық кен орындардан басқалары дұрыс зерттелмеген. Кендірлік кен орнының жанғыш сланецтері синтетикалық сұйық отын алуда жоғары сапалы шикізат болып келеді. Олардың ең бас артықшылығы құрамындағы күкірт және зиянды қоспалардың аз мөлшерінде болуы. Тозаң тәрізді сланецтен алынған пиролиз газының талдауы мұнай өнімдерінен алынған пиролиз газдарынан аз айырмашылығы болатынын көрсетті. Одан жоғары молекулалық полимерлердің өндірісі үшін шекізат болып келетін полиэтилен көмірсутектерін алуға болады. Газификация кезінде синтетикалық амиакке, мочевинеге және тағы басқаларына қажетті әр түрлі смола, азотты сутекті қосылыстар, көмір қышқылдарын алуға болады. Барлық жанғыш сланецтердің қоры жылына 4075 млт есептелінеді

Термиялық өңдеу кезіндегі жану жылуы, газ және шайыр шығымы креогеннің гинетикалық типімен тура байланыста болады. Жанғыш сланецтің өндірістік мағынасы ең алдымен келесі сипаттамалармен анықталады: құрамындағы органикалық заттардың мөлшері, шайыр шығымы, жану жылуы, құрамындағы сирек кездесетін және шашыраңқы элементтер мөлшері, бірқатар қосылыстар алудың негізігі көзі болуы, сонымен қатар ауыл шаруашылығы мен медицинада химиялық өндіріс үшін қолданылуы».

Жанғыш сланецтердің өндірісте қолдану бағыттарын анықтау үшін олардың химиялық және минералдық құрамы, органикалық заттар құрылысы, құрамында органо-минералды қосылыстардың болу-болмауы және олардың өзгерісі, сонымен қатар термиялық және химиялық әсер ету сатыларында бастапқы заттың өзгерістері жайлы мәліметтерді білуқажет.

Жанғыш сланецтердің практикалық мәнін анықтайтын негізгі сапа көрсеткіштері және технологиялық қасиеттері олардың құрамында органикалық заттың болуымен байланысты және қайта түзілу дәрежесі мен оның пайда болуымен шартталынған.

Әр кен орнының жанғыш сланецтері бір-бірінен сыртқы түрі, құрамы және қасиеттерімен әжептеуір ерекшеленеді. Жанғыш сланецтердің ерекшелігі – оның құрамындағы органикалық заттардың қатпарларының көп немесе аз қатпарлануында. Органикалық заттардың химиялық құрамына көміртек, сутек, оттек, азот және күкірт кіреді. Көміртек жанғыш қазбалардың жану жылуын анықтайтын негізгі элемент. Жанғыш сланецтердің органикалық заттарының құрамындағы мөлшері 55-85% аралығында болады.

Сутегінің көміртегіге (34 МДж/кг) қарағанда жану жылуы шамамен 4 есе жоғары болғандықтан,ол креогеннің энергетикалық потенциалында үлкен рөл атқаратын маңыздылығы бойынша екінші жылулық элемент. Құрамындағы сутек мөлшері 7-12% аралығында болады. Жанғыш сланецтердің органикалық заттары басқа қатты жанғыш қазбалармен салыстырғанда құрамындағы сутек мөлшерінің жоғары болуымен ерекшеленеді, сол себепті термиялық ыдырау кезінде сұйық және газ тәрізді өнімге айналу қабілеті жоғары болады: ұшқыш заттар шығымы 50-95%,шайырлар 15-75 %. Креоген құрамында көміртегі мөлшерін жоғарылатқан сайын сутек мөлшері де жоғарылайды, ал С/Н қатынасы 7,5-9,5 құрайды. Жанғыш сланецтер көптеген көрсеткіштерімен мұнайға жақын: құрамындағы торф 9,0-11,0 (г/т); қоңыр сланец- 11,0-15,0 (г/т); тас сланец -13,0-20,0 мөлшері бойынша (г/т). Креогендегі оттек мөлшері 5-30 % аралығында, ал күкірт мөлшері 8.0-11,0 аралығында бола алады. Оның көп мөлшері жанғыш сланецтің минералды құрамының бөлігіне кіреді. Негізгі бөлігін әкті, топырақты және құрамында кремний бар минералдар құрайды. Әр петрографиялық тип пен оның түрлері оған тән негізгі және қосымша органикалық (10-25%) және минералды компонентті құраушылар мөлшерімен сипатталады. Жоғары шайыр шығымымен (15-20%) кукеристер, Рубежинск, Балтық, Кендірлік, Чернзатон және кейбір басқа кен орындарының сланецтері сипатталады.

Бүкіл әлемнің көптеген кен орындарының сланецтері салыстырмалы түрде төмен (10-12%) шайыр шығымымен ерекшеленеді, ал диктионемді және менилитті санцтарының шайыр шығымы 3-4% аспайды. Шайыр шығымы 2 негізгі факторға тәуелді: сланец құрамындағы органикалық зат пен шайырдың берілуіне. Әр түрлі кен орындарының сланецтері үшін бұл көрсеткіш 15-20 дан 70-75% аралығында болады. Термиялық деструкция кезінде сланецтердің ең көп органикалық зат бөлігі жартылай кокстеу шайырына айналады: кукеристерге (60-70%), припятскийлер (50-55%), кендірлікке (48%), Мэсот (64%), Грин-Риверге (65-75%). Көптеген кен орындары үшін бұл көрсеткіш 30-45% құрайды.

Жанғыш сланецтердің жану жылуы 4-5 тен 20-25 МДж/кг дейінгі аралықта болады. Жоғары жану жылуымен (15 МДж/кг астам) Эстония, Ленинград, Рубежинск,Балтық кен орындарының бөлік қатпарлары мен пластарының жанғыш сланецтері және кейбір Австралия, Жаңа Зеландия сланецтері сипатталады. Дүние жүзінің көптеген жанғыш сланецтері орташа 8-12 МДж/кг немесе төмен 5-8 Мдж/кг жану жылуына ие.

Жанғыш сланецтердегі күкірт мөлшері 8-12% аралығында. Күкірт сульфид (пирит, марказит), сульфат (гипс, темір сульфаттары) және органикалық қосылыстар түрінде кездеседі. Сланецтерді жағу салдарынан күл қалдығы 45-85% болуы мүмкін.

Жанғыш сланец құрамында минералды заттар мен металдар кездеседі. Мұндай заттарға молибден, рений, күміс, ванадий, рубидий, бериллий, тантал, уран және т.б. жатады. Бұл заттардың өндіріс пен практикада өте маңызды рөл атқаратынын білу маңызды. Мысалы, Швецияда уран алу үшін уран құрамды және топырақты сланецтер шикізат ретінде қолданылады. Қуаттылығы 3,6 М сланецтің бір пластында 300 г/т уран бар. Микроэлементтер сланецтердің органикалық затымен химиялық қосылыстары ретінде кішкене ғана битуминозды компонентті бөлігі берілетін бейорганикалық қосылыстар (қатер туғызушы металл минералдарының изоморфты қоспалары) немесе өзіндік минералдар. Әр кен орындарының сланецтерінің құрылыстары мен қасиеттері жайлы мәліметтер көп болғанымен, құрамындағы микроэлементтер жайлы көзқарас осы күнге дейін толық дамымады. Термиялық өңдеу барысында алынған Кашпир кен орнының жанғыш сланецтерінің элементтік құрамы мен күлділігі анықталды. Зерттеу нәтижелері 5-кестеде келтірілген.

5 – кесте. Кашпир кен орнының жанғыш сланецтерінің элементтік құрамы

Элемент	Құрамы, %					Элемент		Құрамы, %
	сланецте			Күлдегі мөлшері				сланецте			Күлдегі мөлшері
	Органи калық затты есепте мегенде	Органикалық затты есептегенде	Органикалық затты есептемегенде					Органикалық затты есептегенде
1	2	3	4		5		6		7	8
Ca	32,7	18,011	32,531		Mg		0,567		0,312	0,794
Fe	23,678	13,042	20,648		Ba		0,425		0,234	0,712
1	2	3	4		5		6		7	8
Si	18,353	10,109	27,102		Sr		0,358		0,197	0,513
S	12,506	6,888	4,006		Mo		0,235		0,129	0,131
Al	5,275	2,905	7,105		Mn		0,216		0,119	0,166
K	3,721	2,050	4,437		Zr		0,078		0,043	0,117
1	2	3	4		5		6		7	8
Ti	0,986	0,543	1,034		Rb		0,058		0,032	0,06
P	0,644	0,355	0,618
*- Органикалық затпен жүргізілген есптеу: S – 4,566% (C – 35.297, H – 4,392, N – 0,6617 %)

Алынған нәтижелерден көрініп тұрғандай, сланецтің бастапқы үлгісіндегі микроэлементтер толығымен күлге айналып кеткен. Дегенмен, сланец күліне қарағанда битум күлі құрамындағы кейбір микроэлементтер мөлшері жоғары, мысалы, Созақ сланеціндегі V, Ni, Zn мөлшері сәйкесінше 300724 900 рет, бірақ битумге барлық мөлшерінен 1% артық емес Ni, Cu, Zn, Pb сияқты микроэлементтер беріледі, ал V битумге мүлдем берілмейді [11].

Сонымен қатар, жанғыш және қара сланецтердегі микроэлементтер де зерттелген. Жалпы қара сланецтерге қарағанда жанғыш сланецтер құрамындағы Li, Be, B, Rl, Ta, Se концентрациялары жоғары және Mo, Re, Ay, Au, V, Th, Cu, Hg, W, Ag, U концентрацияларының төмен болуымен ерекшеленеді.

Жанғыш сланецтерді өңдеудің ең көп тараған процестері пиролиз және өртеу болып саналады. Сәйкесінше, микроэлементтердің басымды саны күлді-шлакты өнімдерде немесе жоғары минералданған қатты қалдықта концентрленеді. Бұған қарамастан өндірістік өнімдерді анықтайтын берілген элементтің минималды концентрациясы мөлшері шығару технологиясы мен бірде күлді-шлакты өнімдерден бірнеше тауарлы микроэлементті қосылыстар өндірумен тығыз байланысты.

Микроэлементтерді шығару және оларды кейінгі практикалық қолдану арқылы сланец құрамындағы микроэлементтер концентрациясының мәндері органикалық заттарды қолданумен комплексті қайта өңдеуді қамтамасыз етуді қарастыруға жеткілікті анализ жүргізуге және минималды концентрация мәнін анықтауға мүмкіндік береді (6-кесте).

6 – кесте. Жанғыш сланецтердегі микроэлементтердің максималды және минималды концентрациялары, г/т.

Элемент	Cmax*	Cmin**	Элемент	Cmax*	Cmin**
1	2	3	4	5	6
Li	50	100	Nb	50	(10)
1	2	3	4	5	6
Be	5	5(50)	Мо	100(6)	100
1	2	3	4	5	6
В	-	300	Ag	5	2(1)
V	500	100	Cd	50	10
Мn	5000	1000	La	50	∑РЗЭ + Sc ≥ 500
Со	50	100	Се	500	∑P3Э + Sc ≥500
Ni	100	100	Hf	5	-
Си	100	100	W	10	50(30)
Zn	1000	100	Re	-	1(0.1)
Ga	50	50(20)	Au	-	0.1 (0.02)
Ge	5	5(30)	Hg	2	1.0

6 – кестенің жалғасы

1	2	3	4	5	6
As	-	300	Pb	100	100
Se	10	50	Bi	<1	20
Sr	500	1000	∑V, Ni, Cr	4300	500
Zr	100	500(120)	∑P3Э + Sc	1500	500
Sb	-	300(30)	Au + PGE	-	0.005
*- әр кен орнының жанғыш сланецтері үшін микроэлементтердің максимальдіконцентрациялар **- құрамындағы микорэлементтердің минимальді мөлшері

Қорытындылай келе, жанғыш сланецтердің құрамында әртүрлі химиялық құрылысты гумусты зат пен минералды масса қоспасы болып, және де ол табиғаты бойынша жоғары полимерлі гетероатомды органикалық заттың дисперсті қоспасы болып табылатын комплексті жанғыш органо-минералды пайдалы қазба екенін және де жанғыш сланецтерден, бүкіл әлем үшін маңызды, уран өндіру әбден мүмкін екенін білдік [7].