Фосфатные руды

Фосфор — это один из важнейших элементов для жизни человека и любых других организмов. Но в далеком геологическом прошлом нашей планеты, прежде чем попасть в пищевые цепочки, каждый его атом был частью горных пород — фосфатных руд. Научившись добывать и перерабатывать их в середине XIX века, человечество открыло для себя новые возможности в ведении сельского хозяйства. Впоследствии фосфатные руды начали играть все более важную роль в самых разных сферах промышленности. Из этой статьи вы узнаете, как были открыты фосфатные руды, какие бывают их разновидности, какие страны лидируют по запасам ценного сырья и какую пользу оно приносит обществу.

История открытия и изучения фосфатных руд

Еще в глубокой древности, около 12 000 лет назад, когда люди переходили от собирательства к земледелию, они осознали очень важную вещь — чтобы почва плодоносила, питательные вещества в нее нужно возвращать. Первыми фосфорсодержащими удобрениями, найденными практическим путем, стали навоз и помет. Уже в III тысячелетии до н. э. шумеры и аккадцы собирали для этих целей помет голубей. Древние греки в IV веке до н. э. закапывали кости жертвенных животных под корни плодовых деревьев, а древние римляне в I веке до н. э. дробили их и смешивали с землей, чтобы оживлять виноградные лозы.

• В 1669 году немецкий алхимик Хенниг Бранд открыл элементарный фосфор, который долгие годы оставался дорогой диковинкой, не имевшей полезного практического применения.
• В конце 1760-х годов шведские ученые Юхан Ган и Карл Вильгельм Шееле обнаружили, что фосфор содержится в костях, и разработали метод его производства в промышленных масштабах: в то время фосфор начали применять при производстве спичек.
• В 1840 году немецкий химик Юстус фон Либих доказал, что фосфор, наряду с калием и азотом, является одним из критически важных элементов для растений, при дефиците которого они не могут расти и развиваться.
• В 1842 году британский агроном Джон Беннет Лоос запатентовал метод производства суперфосфата — первого массового минерального удобрения с фосфором. Для его получения он обрабатывал серной кислотой копролиты — окаменевшие экскременты ископаемых животных. Параллельно с открытием Лооса мир захватила «гуаномания» (прим. ред.: гуано — богатые фосфором разложившиеся остатки помета морских птиц и летучих мышей), которая напоминала «золотую лихорадку», только вот вместо золота люди выкапывали помет. Наиболее активно богатые скопления гуано разрабатывали в Перу — холодное тихоокеанское течение приносило к берегам страны огромное количество рыбы, которой питались миллионы морских птиц. Из Южной Америки сырье поставляли в США, Великобританию, Францию и Германию.
• Ну и, наконец, в 1850-х годах были обнаружены месторождения фосфатных руд, а именно фосфоритов — осадочных пород, включающих фосфорсодержащие минералы группы апатитов с примесями глины, песка, карбоната кальция и органических остатков. В течение одного десятилетия рудные залежи были разведаны в России, Великобритании и Франции, а позднее минералы начали добывать в США, Тунисе и Марокко. К концу XIX – началу XX веков вокруг фосфатных руд был создан мощный индустриальный комплекс с горнодобывающими городками, обогатительными фабриками и химическими заводами.

В 1920-х годах российский и советский минералог и геохимик академик Александр Ферсман организовал серию экспедиций в Хибинские горы, расположенные на Кольском полуострове. Целью ученого и его коллег было изучение свойств кристаллических образований в условиях вечной мерзлоты. Однако в горах, которые считались бесполезными с точки зрения добычи полезных ископаемых, они обнаружили богатейшие залежи апатитов. В 1929 году было организовано предприятие «Апатит», вокруг которого построили города Кировск и Апатиты. На протяжении уже почти 100 лет рудники Хибинского массива вносят значительный вклад в мировую добычу фосфатных руд.

Химический состав и разновидности фосфатных руд

Прежде чем погрузиться в тему горных пород, давайте разберемся, почему руды называют фосфатными, а не фосфорными. Дело в том, что фосфор — это очень активный элемент, который в естественной среде быстро соединяется с кислородом, образуя пентаоксид (P₂O₅). Поглощая воду, пентаоксид фосфора трансформируется в ортофосфорную кислоту (H₃PO₄). Однако кислота — вещество агрессивное. Она не может долго существовать сама по себе в масштабах геологической хронологии, а потому вступает в реакции с окружающими металлами. В результате образуются соли — фосфаты. Например, фосфат кальция состоит из атомов самого кальция с присоединенными фосфатными группами — Ca₃(PO₄)₂.

В основе химического состава фосфатных руд лежит именно фосфат кальция — ключевой компонент минералов группы апатита. Мы с вами рассмотрим наиболее примечательные особенности двух основных разновидностей фосфатных руд, которые имеют промышленное значение.

• Апатитовые руды. Главный минерал — фторапатит (Ca₅(PO₄)₃F) — считается «элитным» сырьем из-за высокой доли содержания пентаоксида фосфора, до 45% (прим. ред.: здесь и далее имеется в виду P₂O₅, который можно извлечь из минерала при переработке руды). Он может выглядеть как призматические или зернистые кристаллы, часто прозрачные или имеющие желтый, зеленый и синий цвета. Среди компонентов примесей можно отметить барий, стронций и редкоземельные металлы. Апатитовые руды имеют магматическое происхождение — они образовались в результате подъема магмы из мантии в кору Земли.
• Фосфоритовые руды. Основой является не фторапатит, а его «дополненная» карбонатами версия — карбонат+фторапатит (Ca₅(PO₄,CO₃)₃F). Минерал содержит не так много пентаоксида фосфора, в пределах 25%. По внешнему виду карбонатфторапатит похож на глину или известняк, из него часто формируются округлые отложения, которые называют фосфатными желваками. Фосфоритовые руды имеют биогенное происхождение — фосфор из организмов древней морской флоры и фауны накапливался в донных породах, а затем выпадал в осадок в виде фосфата кальция с примесями органики, кальцита, доломита, кварца и глинистых минералов.

Крупнейшие месторождения фосфатных руд в мире и России

По данным за 2024 год, в месторождениях всего мира содержится около 73 млрд тонн фосфатных руд. Безоговорочным лидером по запасам сырья является Марокко — из залежей этой африканской страны можно с потенциальной экономической выгодой извлечь 50 млрд тонн руды. Примерно половина из них сосредоточена в единственном месторождении в бассейне Улад-Абдун в центральной части страны. При столь колоссальных запасах марокканских фосфоритов объемы их добычи весьма скромны и составляют порядка 30 млн тонн в год. В первую очередь это объясняется экономическими и стратегическими факторами. Марокко выступает в роли регулятора мировых цен, а также рассчитывает занять абсолютное доминирующее положение на рынке, когда запасы других стран будут истощены. Перечислим и других лидеров по запасам фосфатных руд (в млрд тонн).

• Китай (3,8). Страна, обладающая всего 5% запасов фосфатных руд, добывает более 100 млн тонн сырья в год, то есть обеспечивает примерно 40% глобальной добычи. По качеству китайские фосфориты в большинстве своем уступают марокканским и, чтобы снизить риск их истощения, страна вводит строгие квоты на добычу и экспорт. Относительно богатые рудные залежи сосредоточены в месторождениях в провинциях Гуйчжоу, Юньнань, Хубэй и Сычуань.
• Египет (2,8). Обладая значительными рудными запасами, страна добывает примерно 5 млн тонн руды в год. Столь невысокий показатель объясняется прежде всего тем, что создание горнодобывающей инфраструктуры в пустыне требует колоссальных инвестиций, которые начали поступать только в последние годы. Крупнейшее месторождение страны «Абу-Тартур» расположено в Западной пустыне и содержит фосфоритовые руды с железистыми включениями, затрудняющими переработку сырья в удобрения.
• Тунис (2,5). Еще одна североафриканская страна исторически входила в список лидеров-производителей, но в наши дни добывает меньше фосфатных руд, чем Египет — порядка 3 млн тонн в год. Причиной тому стали социальные потрясения 2010-х годов, последствия которых ощущаются до сих пор. Сердцем тунисской рудной добычи является фосфоритный бассейн Гафса, в котором разрабатывается сразу несколько крупных месторождений.
• Россия (2,4). Наша страна лидирует по запасам высококачественных апатитовых руд, а также добывает около 14 млн сырья в год. Отличительной особенностью российских апатитов является крайне низкое содержание тяжелых металлов, что облегчает их переработку и повышает экологическую чистоту рудного концентрата. Основная часть добычи приходится на месторождения в Хибинских горах, где работают рудники «Кировский», «Восточный», «Олений» и «Расвумчоррский». Также наша страна обладает запасами осадочных фосфоритов, основные месторождения которых находятся в Кировской, Курской, Московской и Ленинградской областях.

Методы добычи и переработки фосфатных руд

По приблизительным оценкам, от 85 до 90% всех фосфатных руд являются фосфоритовыми. В большинстве случаев они залегают на глубине в несколько десятков метров под поверхностью Земли, но в отдельных случаях глубина может достигать и 200 – 300 метров. Для их добычи используют открытый, или карьерный, метод, включающий удаление верхнего слоя почвы и пустых пород, выемку и транспортировку рудного тела. Апатитовые руды заключены в скальных породах, и для их добычи предпочтителен комбинированный метод. Когда карьер достигает критической глубины около 500 метров, от него прокладывают тоннели и продолжают добывать руду с помощью шахт.

Качество руды определяется по процентному содержанию извлекаемого пентаоксида фосфора. Помимо минералов апатитовой группы, необработанные руды содержат много примесей, тогда как доля P₂O₅ составляет от 4 до 20%. Чтобы увеличить этот показатель, руду отправляют на обогащение, которое включает следующие основные этапы.

• Измельчение. Первоначально руду загружают в конусные дробилки, чтобы получить относительно небольшие фрагменты со средним диаметром порядка 1 – 5 см. Затем их подвергают тонкому измельчению — специальные мельницы с вращающимися барабанами истирают породы до состояния порошка.
• Магнитная сепарация / обжиг. Если в состав руды входят минералы, содержащие железо, их отделяют с помощью сильных магнитов. Карбонатные руды также могут подвергаться обжигу — при температуре около 1 000 °C карбонаты разлагаются, и из сырья удаляются органические примеси.
• Флотация. Предварительно очищенную руду смешивают с водой и реагентами, соединяющимися с фосфорсодержащими частицами. Через полученную смесь пропускают пузырьки воздуха, которые выносят на поверхность в виде пены концентрат с содержанием P₂O₅ до 40%. Также распространен метод обратной флотации, при котором реагенты забирают с собой примеси, а фосфаты оседают на дне.

Получение фосфатного концентрата является важным этапом переработки, но не ее конечной целью. В конце фосфор переводят в жидкую водорастворимую форму, в которой его могут усваивать растения, а также получают или чистый фосфат кальция, или элементарный фосфор. Природные фосфаты являются одними из самых химически стабильных и прочных соединений, и «вытащить» фосфор из их плотной кристаллической решетки является трудновыполнимой задачей. Решают ее разными способами, которые можно разделить на две основные категории.

• Кислотные. Концентрат обрабатывают серной кислотой, и в результате химических реакций фосфат кальция переходит в раствор, а его сульфат выпадает в осадок. В результате получается экстракционная фосфорная кислота (ЭФК) — ключевой компонент для производства удобрений. Иногда концентрат обрабатывают уже готовой фосфорной кислотой. Это более дорогой способ, но он позволяет сразу получить чистый продукт, избавляя от необходимости отфильтровывать сульфат.
• Термические. При электротермическом способе переработки рудный концентрат смешивают с угольным топливом — коксом — и кварцевым песком, после чего нагревают в электропечи до температуры 1 500 °C. Фосфор переходит в газообразное состояние, в котором его улавливают и конденсируют. Полученный элементарный фосфор отправляют в химические лаборатории или преобразуют в чистую фосфорную кислоту, пригодную для пищевой промышленности. Другой — гидротермический — способ предполагает разложение минерала перегретым водяным паром, также при температурах около 1 500 °C. В таких условиях из концентрата удаляется фтор, а оставшийся фосфат кальция отправляют на производство кормовых добавок для сельскохозяйственных животных.

Применение фосфатных руд в сельском хозяйстве

Примерно 90% всех добываемых фосфатных руд обеспечивают потребности сельского хозяйства. Удобрения, созданные на их основе, называют фосфорными, подчеркивая значимость главного действующего вещества. Они являются одним из ключевых факторов современной продовольственной безопасности. Сейчас мы перечислим наиболее распространенные виды фосфорных удобрений.

• Фосфоритная мука — самый простой продукт, для которого даже не нужно получать концентрат, а достаточно лишь перемолоть осадочные породы. Фосфоритная мука нерастворима, поэтому ее вносят исключительно в кислые почвы. Кислоты постепенно расщепляют удобрение, высвобождая фосфор уже в растворимой форме. Главным преимуществом фосфоритной муки является длительная функциональность — одного внесения хватает на несколько лет.
• Суперфосфаты — базовый и традиционный вид удобрений, получаемых посредством кислотной обработки концентрата. Они универсальны, так как подходят для любых типов почв и культур. Простые суперфосфаты содержат до 20% фосфора и позволяют дополнительно обогатить почву серой и кальцием. Двойные суперфосфаты представляют собой концентрированные удобрения с 40%-м содержанием фосфора. Их вносят осенью под перекопку или весной при посадке.
• Комплексные удобрения — самая популярная и многофункциональная категория удобрений, в которых, помимо самого фосфора, содержатся и другие критически важные для растений вещества. Например, аммофос и диаммофос включают соответственно 12 и 18% азота, выполняющего собственные биохимические функции и помогающего корням лучше усваивать фосфор. А нитроаммофоска является для растений чем-то наподобие «комплексного обеда», так как одновременно содержит фосфор, калий и азот.

Фосфор приносит пользу не только при выращивании культур. Он представляет огромную ценность для сельскохозяйственных животных как один из главных компонентов скелета и непосредственный участник выработки энергии из молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Одной из самых популярных и безопасных добавок является дефторированный фосфат, который легко усваивается организмом и не содержит примесей, опасных для здоровья животных и птиц.

Использование фосфатных руд в промышленности

Хотя сельское хозяйство забирает львиную долю добываемых фосфатных руд, оставшиеся 10% также находят полезное применение. Наиболее часто их используют в следующих сферах промышленности.

• Пищевая промышленность. Добавки на основе солей фосфорной кислоты придают яркий вкус газированным напиткам, стабилизируют консистенцию плавленых сыров, удерживают влагу в мясных продуктах и входят в состав разрыхлителей теста. Хотя производители продуктов питания высоко ценят свойства фосфатов, эти вещества зачастую становятся причиной опасного для здоровья состояния избытка фосфора в организме — гиперфосфатемии.
• Производство электромобилей. Одной из самых перспективных технологий современного автопрома, которая уже активно распространяется на рынке, являются литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы. Фосфатные группы входят в состав катода, формируя прочную кристаллическую решетку. Благодаря стабильной ковалентной связи фосфора с кислородом аккумуляторы не самовозгораются при перезарядке или сильном механическом повреждении.
• Металлургия. Многие металлы и сплавы, такие как медь, алюминий, чугун и сталь, подвергаются фосфатированию — на их поверхность наносят малорастворимые фосфаты железа, цинка и марганца. Этот защитный слой повышает устойчивость изделий к коррозии, износу и деформации. Технология находит применение при производстве кузовов автомобилей, трущихся деталей двигателей, крепежных элементов, корпусов холодильников, микроволновых печей и другой бытовой техники.

Экономическое значение фосфатных руд и мировая торговля

В последние годы мировой рынок фосфатных руд оценивается примерно в $30 млрд, однако их реальное влияние на экономику гораздо выше, ведь это одна из фундаментальных основ глобального агросектора. По большому счету, судьба всего урожая зависит от решений стран, лидирующих по добыче фосфатных руд. Помимо Китая, Марокко и России, к ним относятся США, Иордания и Саудовская Аравия. Наращивание или сокращение объемов добычи руд спустя всего несколько месяцев сказывается на изменении стоимости еды у крупных поставщиков.

Несмотря на то что Марокко берет на себя функцию регулятора цен, рынок фосфатных руд характеризуется очень высокой волатильностью. Во время мирового финансового кризиса 2008 года цены за тонну фосфатной породы взлетели с $52 до $242. Дисбаланс спроса и предложения возник из-за совокупности факторов: повышения себестоимости производства, массового истощения запасов на складах и экспортных барьеров Китая. Свою роль сыграли и субсидии правительства Индии — крупнейшего импортера фосфатов, — стимулировавшие спрос среди местных земледельцев на фоне глобальных растущих цен и окончательно «сломавших» рыночные механизмы.

Перспективы развития рынка фосфатных руд

Ученые и экономисты делают самые разные прогнозы относительно того, когда запасы фосфатных руд на планете будут окончательно истощены. По пессимистичному сценарию, разработка значительной части месторождений потеряет экономическую целесообразность уже к 2040-м годам. Оптимисты полагают, что мировых запасов хватит еще как минимум на 200 лет. В 2023 году в Норвегии было разведано месторождение, из которого потенциально можно извлечь около 70 млрд тонн фосфатов. Если эта информация будет подтверждена, ситуация на рынке изменится кардинальным образом. В любом случае, важно помнить, что запасы фосфора в рудах конечны. Возможно, в будущем мир будет вынужден перестроиться на экономику замкнутого цикла — переработку канализационных сточных вод и отходов сельскохозяйственных животных.

Фосфатные руды в вопросах и ответах

1. Когда впервые начали использовать фосфатные руды?

Фосфатные руды начали использовать после их открытия в 1850-х годах.

2. Каков химический состав фосфатных руд?

Основу всех фосфатных руд составляет фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂, а среди примесей чаще всего встречаются карбонаты кальция и магния, фтор и редкоземельные металлы.

3. Какие разновидности фосфатных руд выделяют?

Выделяют апатитовые руды магматического происхождения и фосфоритовые руды биогенного происхождения.

4. Где находятся крупнейшие месторождения фосфатных руд?

Крупнейшие месторождения фосфатных руд находятся в Марокко, Китае, Египте, Тунисе и России.

5. Какие страны лидируют по добыче фосфатных руд?

Больше всего фосфатных руд добывают в Китае, Марокко, США, России и Иордании.

6. Как добывают фосфатные руды — открытым или подземным способом?

Неглубоко залегающие фосфоритовые руды добывают открытым способом. А для содержащихся в скальных породах апатитовых руд используют комбинированный способ — сначала стоят карьеры, а затем шахты.

7. Как перерабатываются фосфатные руды в удобрения?

После получения фосфатного концентрата его перерабатывают в удобрения с помощью кислотного разложения или термической обработки.

8. Какую роль играют фосфорные удобрения в сельском хозяйстве?

Фосфорные удобрения играют важнейшую роль в сельском хозяйстве, так как от достаточного количества фосфора в почве зависит возможность роста и развития культур.

9. Используются ли фосфатные руды в металлургии?

Да, фосфаты используются для покрытия металлов и сплавов слоем, защищающим от коррозии, износа и повреждений.

10. В каких химических процессах применяют фосфаты?

Фосфаты часто применяют в пищевой химии. Они выполняют функции регуляторов кислотности, эмульгаторов и разрыхлителей.

11. Каковы запасы фосфатных руд в России?

Запасы фосфатных руд в России оцениваются в 2,4 млрд тонн.

12. Какие экологические последствия связаны с добычей фосфатных руд?

При добыче фосфатных руд разрушается плодородный слой почвы, загрязняются подземные воды и накапливаются примеси, ухудшающие качество воздуха.

13. Какова динамика цен на фосфорные удобрения в последние годы?

В целом цены на фосфорные удобрения достаточно стабильны, однако во время кризиса 2008 года их рост составил порядка 500%.

14. Какие компании являются лидерами по добыче и переработке фосфатных руд?

Крупнейшими игроками на мировом рынке фосфатов являются несколько компаний: марокканская «OCP Group», американская «Mosaic» и российская «ФосАгро».

15. Каковы перспективы мирового рынка фосфатных руд в будущем?

Рост населения и сокращение пахотных земель станут главными факторами повышения спроса на фосфатные руды, однако геологическая разведка новых месторождений и создание экономики замкнутого цикла могут предотвратить глобальный дефицит.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Freepik

• #Полезные ископаемые