Исследовательский проект: «От горы до еды»

КОНКУРС ПРОЕКТОВ УЧАЩИХСЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ «БОГАТСТВО НЕДР МОЕЙ СТРАНЫ 2025»

Тема исследовательского проекта: «От горы до еды»

Автор проекта: Решетов Андрей Денисович, 6 класс

МБОУ «Кольская СОШ» Мурманская область, город Кола

Руководитель проекта: Свирко Татьяна Владимировна

Цели и задачи работы

• Цель работы – изучение пути от «горы до еды» одного из важнейших элементов в жизни человечества – фосфора.
• Задачи:

• Изучить источники фосфора
• Изучить историю освоения месторождений апатито-нефелиновой руды Хибин
• Изучить залегание апатито-нефелиновых руд Хибин
• Описать свойства апатита
• Описать технологический процесс получения удобрения из апатито-нефелиновых руд
• Описать применение апатита

Введение

Население нашей планеты с каждым годом растет. Пахотных земель не прибавляется и каждый гектар земли должен кормить все больше и больше людей. Очевидно, что для этого необходимо повысить количество выращиваемых сельскохозяйственных культур - урожайность. Для повышения роста растений необходимо много элементов, основными из которых являются фосфор, азот и калий. Самый главный из них – фосфор. Ему принадлежит особая роль, так как он контролирует поступление питательных веществ. Таким образом, своевременное обеспечение растений фосфором имеет первостепенное значение в формировании высоких урожаев сельскохозяйственных культур и дальнейшем производстве продуктов питания. Решение проблемы урожайности стало возможным благодаря применению минеральных фосфорных удобрений. Минералы – это однородная по составу и строению часть горных пород. В данном проекте моей целью станет изучение пути от «горы до еды» одного из важнейших элементов в жизни человечества - фосфора.

Источники фосфора

Фосфор - «элемент жизни и мысли» - будет нужен человечеству всегда, и это необходимо иметь в виду как сегодня, так и в будущем.

А.Е. Ферсман

Среди химических элементов земной коры фосфор занимает 13-е место. Среднее содержание фосфора в земной коре составляет 0,12 %. Руды содержащие фосфор - фосфатные руды, подразделяются на два основных вида - апатитовые и фосфоритовые.

Фосфоритовые руды имеют осадочное происхождение. Они содержат фосфаты кальция и нефосфатные минералы: доломит, кальцит, кварц, халцедон, глауконит. В меньшей мере они содержат глинистые минералы, алюмосиликаты, железистые минералы (пирит, лимонит), органические вещества. А патитовые руды имеют магматическое происхождение. Главными отличиями апатитовых руд являются высокое содержание фосфора и отсутствие кадмия, ртути, свинца и др. вредных примесей.

Кроме того, фосфор содержится в торфяниках и болотистых местах в виде минерала вивианита, а также в почвообразующих породах в виде минералов торбернита и трифилита. Количество фосфора в перечисленных минералах незначительно. Таким образом, самыми «богатыми» фосфором руды и самыми «чистыми» рудами являются апатитовые.

Основные месторождения наиболее ценных природных апатитов находятся в России, на Кольском полуострове в Хибинах.

История освоения месторождений апатито-нефелиновых руд Хибин

Среди всех переживаний прошлого, среди разнообразных картин природы и хозяйственной деятельности человека самыми яркими в моей жизни были впечатления от Хибин- целого научного эпоса, который почти 20 лет заполнял все мои думы, силы, владел моим существом, закалял волю, будил новую научную мысль, желания, надежды.

А.Е. Ферсман

В 1915 году при Императорской Санкт-Петербургской академии наук была организована Комиссия по изучению естественных производительных сил страны (КЕПС), целью которой являлось изучение природных ресурсов. В Комиссию вошел молодой минералог Александр Евгеньевич Ферсман. В 1920 году Ферсман отправился в первую научно-промысловую экспедицию на север в район Хибин. По приезду минералог решил пройтись по ближайшей возвышенности- горе Малый Манепахк (на фото). Здесь он обнаружил несколько жил редких минералов. Вернувшись Ферсман начал подготовку к новой экспедиции. Но руководство не разделяло такого стремления. Не получив оборудования, ни продовольствия минералог сам собрал группу из 10 женщин Петроградского университета и отправился с ними на Север. 28 августа отряд приехал в Хибины. В тот же день группа под руководством Ферсмана пошла на “экскурсию” по Хибинам. 15 сентября отряд вернулся в Петроград с большим количеством минералов общим весом около 400 кг. Ферсман очень заинтересовался количеством редких минералов и он не мог остановиться на достигнутом. С 1921 по 1922 год минералог уже подготовленный отправился в экспедиции по Хибинскому и Ловозерскому массивам. Здесь были найдены жилы апатита, манганонептунит, мурманит. Ферсман заметил закономерность: “площадь, занятая апатитом, поросла зелёными травами. Там, где они кончались, кончалась трава, начинались серые камни и бурый мох”. В 1922 году к экспедициям присоединился Александр Николаевич Лабунцов. Он начал интересоваться апатитом. Александр Николаевич стал обращать внимание на крупный выходы апатито- нефелиновой руды. Он верил в то, что его находки имеют большое значение в развитии государства.

Вскоре Лабунцов нашёл глыбы апатита, а после и сплошные россыпи апатитовых руд. В 1926 году Александр Николаевич обратился в Институт по изучения Севера с предложением о промышленном исследовании месторождений. Здесь минералог и озвучивает идею о получении фосфора из хибинского апатита. После получения небольшого финансирования Лабунцов посещает Расвумчорр. Александр Николаевич смог уточнить площадь распространения апатитовой породы расширив её до 34 000 кв. м. и определил глубину залегания. Для этого минералог пошёл на риск и попросил своих спутников спустить его на веревке по отвесному обрыву на глубину в 20 м. Он увидел сплошное распространение апатито- нефелиновой породы. Полученные данные позволили оценить запасы апатитовой руды в 2 млн. т.

С 1923 года на территории Мурманской железной дороги работал Хибинский опытный сельскохозяйственный пункт, которым заведовал биолог Иоганн Гансович Эйхфельд. Здесь проводились эксперименты по выведению сельскохозяйственных культур в условиях Заполярья. Шли работы по поиску местных удобрений. С 1923 года Эйхфельд вводил в почву дроблёный апатит. С 1926 года изучалась возможность получения калия из нефелина. Но исследования показали незначительный рост урожайности. Для лучших результатов требовалась переработка минералов в продукты, готовые к усвоению растениями. Поэтому именно сотрудники Хибинского опытного пункта пошли на трудный маршрут за пробами апатита для последующего его изучения. Отряд смог собрать 1,5 т материала откапывая его из под снега. Через пару дней первая тонна апатита была вывезена к железнодорожной станции. Ферсман организовал лабораторные работы по результатам которых был определён состав породы: нефелина 40- 45%, апатита 50% и 5- 10% второстепенных минералов, при среднем содержании Р 2 О 5 - 21% (необходимое вещество для производства удобрений). После нескольких докладов академику удалось добиться признания апатита. Хибинами заинтересовался Первый секретарь Ленинградского обкома ВКП (б) Сергей Миронович Киров. В 1929 году начались обширные разведочные работы. Общая оценка всех запасов достигла 500 млн. т. Дополнительные исследования апатита снова потвердели его пригодность для производства удобрений (суперфосфата). Осенью 1929 года при помощи С.М. Кирова был создан трест “Апатит” и начал работу первый рудник на горе Кукисвумчорр.

Залегание апатито-нефелиновых руд

Хибинские тундры как бы посторонним телом врываются в древний кристаллический массив нашего Севера, в тот огромный щит, который был назван Фенноскандией. Их история тесно связанна с прошлым всего щита, и мы должны уйти далеко в глубины веков, чтобы понять это прошлое и его судьбы.

А.Е. Ферсман

Около 370 млн лет назад, в результате внедрения магмы в толщи более древних горных пород Кольского полуострова, образовалась крупнейшая в мире интрузия пород. Массив имеет форму овала размером около 45 на 35 км. Большая часть Хибин сложена породами двух групп – нефелиновые сиениты и фоидолиты. Основными породообразующими минералами этих пород является светлоокрашенный нефелин и полевые шпаты, а также темноцветные минералы- пироксены, амфиболы, слюды. Разница между этими группами пород заключается в том, что в нефелиновых сиенитах полевых шпатов больше, чем нефелина, а в фоидолитах, наоборот, преобладает нефелин. Апатито-нефелиновые породы и титано-апатито-нефелиновые породы формируют залежи в верхних частях фоидолитовой толщи в виде конически-кольцевых структур.

Свойства апатита

Апатит - группа минералов класса фосфатов, с химической формулой Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH, F, CI). Название минерал получил от древнегреческого корня ”обманываю”, так как его легко спутать с некоторыми драгоценными минералами-изумрудом, аквамарином, от которых апатит отличается меньшей твёрдостью. Минерал образует вросшие и наросшие бесцветные , белые, жёлтые, синие, зелёные и красные призматические, длинно- и короткостолбчатые , пластинчатые кристаллы, а также кристаллы, имеющие за счёт своей многогранности почти шарообразную форму. Агрегаты- игольчатые, лучистые, шарообразные, почковидные, встречаются сплошные массы. Твёрдость апатита по шкале Мооса составляет 5. Плотность: 3,16-3,22 г/см 3 . Блеск: стеклянный. Спайность: средняя. Излом: раковистый. Сингония: гексагональная. Апатит - основной минерал апатито-нефелиновых руд, который часто встречается в Хибинах в виде сахаровидных масс. Его ещё называют “камнем плодородия”, так как из апатитового концентрата производят фосфорные удобрения.

Апатит. Фото из личного архива

Технологический процесс получения удобрения из апатито-нефелиновых руд

Технологический процесс получения удобрения из апатито-нефелиновых руд рассмотрим на примере компании ПАО «ФосАгро». Он состоит из следующих этапов:

• Добыча полезных ископаемых
• Обогащение (механическое отделение апатита и нефелина от «пустой» породы путем дробления, измельчения, флотации и сушки).
• Производство удобрений.

Добыча апатито-нефелиновых руд

Добыча апатито-нефелиновых руд — это изъятие из недр апатитовых пород, которые могут быть непосредственно использованы для производства апатитового концентрата. Существует два способа добычи апатито - нефелиновых руд: открытый (в карьерах и разрезах), когда апатитовая порода находится в верхних слоях земли и шахтный (подземный), когда апатито- нефелиновая руда расположена в труднодоступных местах (до 1 км и более). 

Процесс добычи апатитовых пород открытым способом включает разведку и подготовительные работы. Геологическая разведка месторождения позволяет определить объёмы апатита, их качество и глубину залегания. Далее идёт процесс по подготовке площадки для добычи. Он заключается в расчистке территории и подготовке рабочей зоны для организации добычи. Первым этапом проводится вырубка растительности, снятие плодородного слоя почвы, а затем — формирование транспортных путей и выемка верхних слоёв породы, которая может быть удалена без значительных затрат. После подготовки площадки для добычи начинается выемка апатито- нефелиновых руд, которая осуществляется с помощью взрывных работ. Далее разрыхлённую апатитовую породу экскаваторы погружают в самосвалы. Затем из самосвалов апатито- нефелиновую руду перегружают в железнодорожные вагоны и отправляют на обогащение. 

Процесс шахтной добычи апатита включает буровзрывные работы. Они осуществляются благодаря специальным механизмам – проходческим комбайнам, которые сверлят отверстия в апатитовых породах. Затем в полученные отверстия закладывается взрывчатое вещество. После взрыва разрыхленную породу вывозят погрузочно-доставочными машинами в вагоны и отправляют на обогащение.

Обогащение апатито - нефелиновой руды

Обогащение представляет собой процесс механического отделения апатита и нефелина от «пустой» породы путём дробления, измельчения, прогонки через процесс флотации и сушки. Таким образом происходит первичное удаление глины, кварца и других посторонних примесей. Первоначальная химическая структура фосфатного сырья при этом не меняется. Во время флотации 80% используемой воды циркулирует в замкнутой системе, остальные 20% фильтруется, очищается и возвращается в природные водоёмы. В результате обогащения среднее содержание P 2 O 5 в апатитовом концентрате достегает 39%, что является уникальным результатом в фосфатной промышленности. Затем это высококачественное фосфатное сырьё погружается в вагоны и перевозится на предприятия в Балакове, Волхове и Череповце и на экспорт в Мурманский порт.

Производство удобрений

Чтобы перевести фосфор, содержащейся апатитовом концентрате, в биологическую доступную форму необходимо воздействие серной кислоты. При растворении апатитового концентрата в серной кислоте получается фосфорная кислота H 3 PO 4, в которую в последствии добавляется аммиак NH 3 . Смесь вымешивается, сушится, дробится и превращается в гранулы удобрений MAP (фосфор 46%, азот 18%) и DAP (фосфор 52%, азот 12%). Для получения удобрений NPKS и NPK в состав которых помимо фосфора и азота входит калий и сера надо добавить к смеси фосфорной кислоты и аммиака соответствующие элементы: цинк, магний и бор.

Применение апатита в растениеводстве. Виды удобрений из апатита

NP 12:52. Аммофос. Одно из самых эффективных гранулированных удобрений для обеспечения растений легкодоступным фосфором и азотом — важнейшими жизненно необходимыми элементами питания, которые способствуют росту и развитию любой культуры. Изза временного умеренного подкисления почвенного раствора вокруг гранулы удобрения наибольший эффект наблюдается в системах питания на почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией среды. Аммонийная форма азота способствует лучшему поступлению фосфора в растения. Обеспечивает хорошее развитие корневой системы. N- 12%, P 2 O 5 - 52%, S- 2%.

NPK(S) 10:26:26(2). Диаммофоса. Классическое комплексное удобрение, используемое в традиционных системах земледелия в качестве основного удобрения как под пропашные культуры с осенней вспашкой, так и под озимые. Его применение особенно выгодно в почвенных зонах с низким содержанием подвижного фосфора и калия, где отзывчивость культурных растений на диаммофосу выше, чем на плодородных почвах. Вносится под технические культуры (картофель, сахарную свеклу, подсолнечник) и под зерновые (озимые пшеницу и ячмень). N- 10%, P 2 O 5 - 26%, K 2 O- 26%, S- 2%.

NP(S) 16:20(12). Сульфоаммофос. Комплексное трехкомпонентное удобрение, содержащее азот, фосфор и серу. Хорошо подходит для почв с высокой обеспеченностью подвижным калием и с низким содержанием подвижной серы. Высокое содержание серы делает данную марку незаменимой для масличных культур — рапса, подсолнечника, льна, так как сера способствует накоплению масла в семенах. Оптимизация серного питания важна также и для пшеницы, сои, так как сера способствует накоплению белка в зерне. Стартовое весеннее удобрение для нута, сои, рапса, подсолнечника и льна. N- 16%, P 2 O 5 - 20%, S- 12%.

NPK 12:32:16 Комплексное удобрение, содержащее азот, фосфор, калий и в небольшом количестве серу. Может использоваться на почвах разного типа, особенно на почвах с недостаточной обеспеченностью подвижным фосфором и с хорошей обеспеченностью подвижным калием. Рекомендуется вносить под все культуры, особенно отчуждающие с урожаем больше фосфора, чем калия (зерновые колосовые, кукуруза, зернобобовые). N- 12%, P 2 O 5 - 32%, K 2 O- 16%, S- 1%.

6. Применение апатита

Ранее, во второй главе упоминалось про опыты Эйхфельда по введению в почву дроблённого апатита и я решил повторить их. Летом 2024 году мною на отвалах горы Юкспорр (Хибины) был найдет апатит. Я его раздробил и добавил в почву. После тщательного перемешивания, посадил в почву фасоль. Аналогичный плод был посажен в обычную почву без добавления апатита. Результаты представлены на фото. Как можно увидеть изменения урожайности незначительные и подтверждают необходимость процесса обогащения и последующего производства комплексных удобрений.

С апатитом

Без апатита

Выводы

Фосфорные удобрения – это минеральные вещества, основу которых составляет фосфор в доступной для растений форме. Высококачественные фосфорные удобрения производятся из апатитовой руды. Перед нашей страной стояла непростая задача по поиску таких месторождений. Благодаря геологам, горным инженерам и химикам были найдены залежи апатито-нефелиновых руд, способы извлечения их из горных массивов, пути обогащения и получения высококачественных удобрений. Фосфорные удобрения являются важнейшим источником питания для растений. Они повышают урожайность плодов и зерна, улучшают вкусовые и питательные качества, повышают иммунитет к вирусным и грибным заболеваниям, улучшают морозоустойчивость и зимостойкость, замедляют старение растений.

Таким образом, фосфор, проходя трудный путь от горы до еды, стоит на страже продовольственной безопасности нашей Родины и мира в целом!

Список используемых информационных источников

1. Хибины: природа и человек. Под ред. Е.А. Боровичёва и Н.Е Королёвой –СПб, 2002