Dla wielu osób pojęcia „górnictwo” oraz „ochrona środowiska” wzajemnie się wykluczają i zapewne znalezienie wspólnego mianownika między nimi przysparza niemałych trudności. Górnictwo – w Polsce kojarzone głównie z górnictwem węglowym – nigdy nie cieszyło się dobrą sławą. Nie inaczej jest obecnie kiedy w całej UE poziom akceptacji dla przemysłu wydobywczego jest znacznie niższy w porównaniu z innymi sektorami przemysłu.
Branża górnicza ma jednak bardzo wiele do zaoferowania. Wydobywane surowce w formie pierwotnej lub przetworzonej są podstawą rozwoju każdej gospodarki i zaspokajania potrzeb życiowych każdego człowieka. Nazewnictwo wielu historycznych etapów rozwoju cywilizacji (np. epoki kamienia, miedzi, brązu i żelaza) pokazuje, że różnego rodzaju surowce naturalne miały absolutnie fundamentalne znaczenie dla rozwoju człowieka. Również obecnie sektory takie jak budownictwo, chemia, motoryzacja, lotnictwo, elektronika, wytwarzanie energii i produkcja maszyn są całkowicie uzależnione od dostępu do wielu surowców mineralnych. Są one również niezbędnym i podstawowym ogniwem sektorów uznanych za strategiczne dla UE – odnawialne źródła energii, elektromobilność oraz obrona i lotnictwo.
Wraz z rozwojem gospodarczym pojawiają się jednak nowe potrzeby, nowe technologiczne problemy do rozwiązania. Jednym z nich, coraz bardziej się nasilającym, jest z pewnością kwestia ochrony środowiska przed różnego typu zanieczyszczeniami lub też konieczność ich usunięcia z poszczególnych komponentów środowiska. W tym kontekście w ostatnich latach narasta zainteresowanie tzw. sorbentami.
Sorbenty mineralne
Sorbenty to nic innego jak substancje zdolne do wiązania i neutralizacji innych związków, w tym wielu substancji toksycznych. Jako sorbenty wykorzystuje się materiały porowate sypkie, włókniste lub spienione. Sorbenty zostały zróżnicowane i podzielone, ze względu na ich budowę, charakter chemiczny, materiał z którego są zbudowane oraz ich pochodzenie. Z uwagi na pochodzenie sorbenty dzieli się na trzy grupy: sorbenty pochodzenia organicznego, nieorganicznego i pochodzenia chemicznego.
Sorbenty pochodzenia organicznego to szeroka grupa skał i minerałów pozyskiwanych ze złóż kopalin w drodze działalności górniczej. Dlatego też wymiennie stosowana jest dla nich nazwa „sorbenty mineralne”. O możliwościach wykorzystania kopalin w charakterze sorbentów mineralnych decydują: skład chemiczny i mineralny, uziarnienie oraz własności fizykochemiczne, m.in. powierzchnia właściwa czy porowatość. W większości przypadków są to skały o dominującym udziale krzemianów i glinokrzemianów (w tym minerałów ilastych), co decyduje o ich skutecznych i pożądanych właściwościach sorpcyjnych. Po procesie eksploatacji górniczej poddawane są one stosownej obróbce w celu uzyskania formy granulatu o wymaganej frakcji, a czasami również poprawy ich właściwości fizykochemicznych.
Jako sorbenty mineralne najczęściej stosowane są skały wapienne, diatomity, talk, glina, bentonity, perlit oraz zeolity. Są to w większości surowce skalne, a tylko diatomit (w Polsce skała diatomitowa) reprezentuje grupę surowców chemicznych. W Polsce na dużą skalę eksploatowane są wapienie, marginalne znaczenie ma eksploatacja skały diatomitowej. W kraju nie zostały natomiast udokumentowane złoża talku i perlitu, w związku z tym nasz kraj wspomaga się od lat ich importem.
Skały wapienne jako sorbenty
W wyniku podpisanego przez Polskę II Protokołu Siarkowego kraj 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 tego związku na poziomie gwarantującym 90% skuteczności odsiarczania. Najczęściej stosowaną (również w Polsce) metodą odsiarczania spalin jest metoda płukania spalin sorbentem w postaci roztworu węglanu wapnia z uzyskiwaniem gipsu, jako produktu końcowego. Wyróżnia się ona wysokim stopniem usuwania SO2 w połączeniu z wysoką dyspozycyjnością instalacji. Obecnie w Polsce do produkcji sorbentów wapiennych wykorzystuje się wysokiej jakości wapienie, eksploatowane ze złóż różnego wieku. Powstają z nich mączki lub piaski wapienne, w zależności od frakcji materiału. Przykładowo – leżąca w pobliżu Krakowa – Kopalnia Wapienia Czatkowice produkuje około 40% sorbentów do odsiarczania spalin dostępnych na polskim rynku. Dostarcza ona surowiec do największych elektrowni w południowej i centralnej Polsce, należących w większości do Grupy TAURON, a także do innych, np. Elektrowni Bełchatów, która zaspokaja ok. 22% krajowego zapotrzebowania na energię i jest największą elektrownią konwencjonalną opalaną węglem brunatnym w Europie.
Sorbenty wapniowe stanowią najliczniejszą grupę reagentów stosowanych w instalacjach odsiarczania spalin w Polsce, przede wszystkim w metodzie mokrej wapiennej oraz w kotłach fluidalnych. W polskiej energetyce stosowane są w 99% istniejących instalacji odsiarczania spalin. Obecnie funkcjonuje kilkanaście kopalń dostarczających niezbędny do tego procesu surowiec. Kopalnie wapienia – o odpowiednich właściwościach – zlokalizowane są m.in. w regionie świętokrzyskim, łódzkim, opolskim i kujawskim. Łącznie pozyskiwane jest z nich kilka mln ton wapieni, przeznaczanych do produkcji sorbentów.
Fot. Elektrownia Łaziska (TAURON Wytwarzanie) (Fot. A. Kot-Niewiadomska)
Zeolity jako narzędzie wspomagające w remediacji
Zeolity naturalne są znacznie mniej popularne niż opisane powyżej wapienie, ale też mają zupełnie inne zastosowania. Powstają w wyniku procesów hydrotermalnych przemian skał wulkanicznych oraz zdecydowanie rzadziej w środowiskach osadowych. W Polsce występuje tylko jedno złoże naturalnych zeolitów, ale bez znaczenia ekonomicznego. Zeolity występują natomiast dosyć powszechnie u naszych sąsiadów – w Słowacji czy na Ukrainie – mamy istotne zasoby zeolitowe. Stąd też głównie z tych państw Polska importuje ten surowiec. Największym światowym producentem naturalnych zeolitów są Chiny, w dalszej kolejności Korea Południowa i Indonezja. Ograniczona dostępność surowca w złożach jak i niesatysfakcjonujące właściwości w stosunku do komercyjnie dostępnych odpowiedników, powoduje, że w ostatnich latach prężnie rozwija się produkcja zeolitów syntetycznych. Wciąż jednak 60% światowego zużycia przypada na zeolity naturalne, które są beneficjentami rosnącej wrażliwości społecznej na kwestie środowiskowe i w wielu przypadkach mają istotną przewagę nad zeolitami syntetycznymi.
Dzięki unikalnej budowie strukturalnej zeolity naturalne mają ponadprzeciętną zdolność wymiany jonów, która powoduje, że mogą selektywnie adsorbować pewne szkodliwe elementy z gleby, wody i w niektórych przypadkach z powietrza. Zeolity wykazują silne powinowactwo w stosunku do niektórych metali ciężkich, takich jak ołów, chrom, nikiel i cynk. Istotną kwestią jest również fakt, że zeolity naturalne lepiej usuwają jony amonowe ze ścieków w stosunku do zeolitów syntetycznych. Jak informuje REMEA Group, pierwsza w Polsce remediacja in situ z wykorzystaniem zeolitów odbyła się w 2020 roku. Jej celem było usunięciem arsenu, baru oraz rtęci z powierzchni ponad 2 ha. Ten kierunek zastosowania na świecie jest bardzo rozwinięty. W Polsce – z uwagi na brak złóż tego surowca – ma nadal niewielkie znaczenie. Literatura światowa podkreśla również, że zeolity naturalne posłużyły do usunięcia radioaktywnych izotopów Cs i Sr ze ścieków przemysłu jądrowego oraz do odkażenia wód po awarii w Czarnobylu. Zeolity też wykorzystuje się do usuwania pierwiastków promieniotwórczych z wód kopalnianych. Właściwości tego surowca powodują, że obszary (regiony) bogate w ich nagromadzenia, są rozpatrywane jako potencjalne składowiska odpadów radioaktywnych”.
Diatomit – tanie i skuteczne narzędzie
Diatomit (zwany także ziemią okrzemkową) to miękka, krucha i bardzo drobnoziarnista krzemionkowa skała osadowa złożona ze szczątków skamieniałych okrzemek. Ze względu na niską gęstość i dużą porowatość jest niezwykle lekki i zasadniczo obojętny chemicznie. Jego właściwości sprawiają, że ziemia okrzemkowa jest bardzo przydatna jako medium filtracyjne. Filtracja opiera się na warstwie ziemi okrzemkowej umieszczonej na elemencie filtracyjnym lub przegrodzie. Filtry są proste w obsłudze i skutecznie usuwają z wody cysty, glony, azbest i inne ciała stałe, z bardzo wysoką skutecznością. Filtracja z użyciem ziemi okrzemkowej jest stosowana powszechnie od lat 70. minionego wieku w procesach technologicznych związanych z żywnością. Rozwiązanie to po raz pierwszy na szeroką skalę było wykorzystane przez amerykańską armię do filtrowania wody pitnej podczas II wojny światowej. Od tego czasu na stałe przyjęło się w produkcji taniej wody pitnej. Filtracja ziemią okrzemkową jest obecnie jedną z technologii zatwierdzonych przez Agencję Ochrony Środowiska USA (ang. U.S. Environmental Protection Agency’s – EPA) w celu spełnienia wymagań Przepisów Oczyszczania Wody Powierzchniowej (ang. Surface Water Treatment Rule – SWTR). Ze względu na swoją niską cenę i wysoką skuteczność, jest to szczególnie cenna metoda oczyszczania dla krajów o ograniczonych funduszach i zasobach wody.
Wiele badań wskazuje, że ziemia okrzemkowa to również prawdopodobnie najskuteczniejszy naturalny pył używany jako środek owadobójczy.
Diatomit znajduje także zastosowanie jako sorbent substancji ropopochodnych. W tym kontekście należy podkreślić iż jest on surowcem całkowicie niepalnym i nieszkodliwym dla zdrowia i środowiska, ale także bezzapachowym. Można go zatem stosować na drogach, ulicach, chodnikach, na torowiskach, stacjach benzynowych i innych nawierzchniach stałych, na których wystąpiły rozlewiska substancji ropopochodnych. Po wchłonięciu rozlanej substancji jest ona trwale wiązana w granulkach. Takie zastosowanie ma m.in. diatomit eksploatowany w Polsce. Jego wydobycie jest minimalne i zajmuje się tym tylko jedno przedsiębiorstwo w kraju (w województwie podkarpackim). Na jego bazie produkowany jest sorbent diatomitowy posiadający chłonność substancji ropopochodnych na poziomie 60%. Obecnie trwają jednak prace projektowe nad poprawą efektywności sorpcyjnej produktu.
Światowym wiodącym producentem i eksporterem ziemi okrzemkowej są Stany Zjednoczone.
Możliwości jest znacznie więcej
Spektrum wykorzystania sorbentów mineralnych jako narzędzi wspomagających w procesach oczyszczania środowiska naturalnego jest niezwykle szerokie. Nie wspomniano szerzej o rudach darniowych (zapomnianych kopalinach Warmii i Mazur), talku, perlicie czy – wydawałoby się powszechnych – glinach i innych odmianach skał ilastych. 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. Tym bardziej, że problem sorbentów mineralnych zdaje się mieć charakter przyszłościowy i rozwojowy. Jako neutralne chemiczne mogą stawić czoła coraz bardziej restrykcyjnym wymaganiom w obszarach dotyczących ochrony środowiska, wynikających również z naszego członkostwa w Unii Europejskiej.
