Iły mioplioceńskie serii poznańskiej

Iły poznańskie to odmiana kopalin o dużych perspektywach surowcowych. Wynika to z:

y różnorodnej zawartości minerałów ilastych (z przewagą montmorillonitu) a zarazem zróżnicowanym ich składzie, nie tylko mineralogicznym, ale również granulome-trycznym;

y obecności konkrecji wapiennych, dolomitowo-wapiennych, syderytowych, a ponadto pirytowo-markasytowych i siarczanowych (jarosyty i gipsy);

y zmienności właściwości fizykochemicznych umożliwiających ich wykorzystanie w różnych technologiach.

Iły te należą do odmian kopalin, które od początków eksploatacji węgla brunatnego w tym rejonie budziły zainteresowanie zarówno poznawczo-naukowe, jak i praktyczne.

Stanowiły one przedmiot badań stratygrafów, paleontologów, sedymentologów, mineralo-gów a także technolomineralo-gów reprezentujących różne branże przemysłowe. Charakter mineral-ny, chemiczmineral-ny, granulometryczmineral-ny, a także właściwości fizykochemiczne tych iłów wpierw sugerowały, a potem sprawiły, że możliwości praktycznego ich wykorzystania okazały się dość różnorodne.

Pierwsze prace dotyczące możliwości ich wykorzystania przeprowadzono już w latach pięćdziesiątych XX wieku (Kuhl 1958; Mazur 1959; Iwanicka i Mazur 1960). Były one badane pod kątem wykazania możliwości zastosowania do produkcji:

y ceramiki budowlanej;

y kruszyw lekkich;

y cementu (surowiec korekcyjny);

y płuczek wiertniczych;

y sorbentów mineralnych.

Charakterystykę właściwości technologicznych iłów poznańskich, decydujących o moż-liwościach ich wykorzystania do produkcji ceramiki budowlanej, można znaleźć u Kozy-dry i Wyrwickiego (1970) oraz Niecia i Ratajczaka (2004). Jest ona przedstawiona w tabeli 2.33. Cechuje je na ogół wysoka plastyczność. Skruczliwość wysychania najczęściej prze-kracza 8%. Ilość wody zarobowej wynosi zwykle ponad 25% wag. Są one niskotopliwe, bardzo wrażliwe na suszenie. Odznaczają się niską ogniotrwałością, przeciętnie 123–132 sP.

Wypalane w temperaturze 1000°C dają czerep o nasiąkliwości 9–12% i wytrzymałości 19–

–22 MPa. Ich temperatura spiekania wynosi 1080–1250°C, a mięknięcia 1150–1300°C. Po-wyżej 1250°C następuje pękanie uzyskanych z nich wyrobów.

Iły te kwalifikują się do produkcji wszystkich odmian wyrobów ceramiki budowlanej łącznie z dachowymi, a także kamionkowych i keramzytów.

Możliwości zagospodarowania iłów poznańskich z odkrywki Adamów były przedmio-tem badań najpierw Markowiaka (1967) a później Widery (2001b). Objęły one ustalenie zarówno ich składu chemicznego i granulometrycznego, jak i niektórych właściwości ce-ramicznych (tab. 2.34 i 2.35). W iłach tych zwraca uwagę mała zawartość siarczanów roz-puszczalnych w wodzie. W ich składzie granulometrycznym frakcja ilasta i pylasta stanowią blisko 90% wag.

Wykazano przydatność tych iłów do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej – gru-bościennych (m.in. cegły pełnej klasy 150), cienkościennych drążonych. Właściwości ceramiczne można było polepszyć po dodaniu materiału schudzającego – piasku lub popiołów.

Od 1990 roku iły z niektórych odkrywek kopalni Adamów były wykorzystywane przez zakłady ceramiczne w Wieleninie. Zapotrzebowanie to kształtowało się na poziomie 12–20 tys. m³ rocznie (Czapla i Urbaniak 1994). Wynikało to m.in. stąd, że odznaczały się TaBeLa 2.33. właściwości technologiczne iłów poznańskich według Kozydry i wyrwickiego

(1970) oraz Niecia i Ratajczaka (2004)

Parametr Wartość

Skurczliwość wysychania [%] 2,0–16,2

najczęściej ponad 8,1

Woda zarobowa [% wag.] 14,5–48,9 (31,9)

Skurczliwość całkowita [%] w temperaturze 850°C 2,0–15,4

Skurczliwość całkowita [%] w temperaturze 1000°C 0,7–18,0

Właściwości wyrobów

nasiąkliwość [%] w temperaturze 850°C 4,2–21,2

nasiąkliwość [%] w temperaturze 1000°C 0,4–32,9

wytrzymałość na ściskanie [MPa]

Tabela 2.34. Niepełny skład chemiczny i granulometryczny trzeciorzędowych iłów nadkładowych z odkrywki adamów (Markowiak 1967)

Skład chemiczny Średnia zawartość

one wyższą zawartością Al₂O₃ niż surowiec używany w Wieleninie. Do produkcji stosowa-no domieszkę popiołów lotnych pochodzących z łódzkich elektrowni. Zakłady te produko-wały następujące wyroby: pustaki ścienne modularne, MAX-220, modularne U-220, a także cegłę modularną Wielenin I i DZ-220.

W latach osiemdziesiątych minionego wieku, jak już wspomniano, podjęto decyzję o bu-dowie dwóch zakładów ceramiki budowlanej opartych na surowcach ilastych (iłach poznań-skich) wydobywanych z odkrywek Kazimierz (złoże Pątnów III) i Pątnów (złoże Pątnów II).

W tym celu utworzono dwa złoża antropogeniczne iłów w sąsiedztwie tych odkrywek. Reali-zacji doczekała się inwestycja bazująca na surowcu pochodzącym z odkrywki Pątnów. W 1991 roku rozpoczęto produkcję w powstałym Zakładzie Ceramiki Budowlanej Honoratka. W 1998 roku cegielnię tę przejął austriacki koncern branży ceramiki budowlanej – firma Wienerber-ger. Początkowe zapotrzebowanie cegielni wynosiło około 90 tys. m³ iłów i 20 tys. m³ pia-sków podwęglowych. Do produkcji ceramiki budowlanej zakłady wykorzystywały mieszanki, w których trociny stanowią 20–24%, piaski 12% i popioły 5%. Oferują one bardzo szeroki asortyment wyrobów ceramicznych zarówno pełnych, jak i drążonych: pustaki ścienne, prefa-brykowane nadproża, belki i pustaki stropowe, cegły elewacyjne i klinkierowe. Produkowana ceramika poryzowana cechuje się bardzo dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi o współ-czynniku przenikania ciepła nawet o 30% niższym w porównaniu z wyrobami tradycyjnymi.

Zasoby iłów z odkrywki Kazimierz miały stanowić podstawę funkcjonowania drugiego zakładu ceramicznego. W tym celu na złożu wtórnym zgromadzono 1250 mln m³ iłów. Do uruchomienia zakładu jednak nie doszło. Zgromadzone iły zostały częściowo wykorzystane przez pobliskie zakłady ceramiczne.

Iły poznańskie ze złóż węgla brunatnego z rejonu Konina i Turka zaczęły budzić też zainteresowanie z uwagi na możliwości ich wykorzystania w ochronie środowiska. Ten kierunek ich zastosowania obejmował następujące kierunki:

y do budowy przesłon hydroizolacyjnych w składowiskach odpadów;

y do polepszenia właściwości bonitacyjnych gleb oraz rekultywacji;

y do wytwarzania sorbentów.

TaBeLa 2.35. właściwości ceramiczne trzeciorzędowych iłów nadkładowych z odkrywki adamów (Markowiak 1967)

Parametr Temperatura wypału i wartość parametru

850°C 950°C 1050°C

Woda zarobowa [% wag.] 28,0 28,0 28,0

Skurczliwość wysychania [%] 12,7 12,7 12,7

Skurczliwość wypału [%] 1,12 2,3 4,2

Skurczliwość całkowita [%] 13,8 15,0 16,9

Gęstość tworzywa [g/cm³] 1,61 1,92 2,00

Porowatość względna [%] 24,0 14,4 10,4

Nasiąkliwość [%] 13,12 7,5 5,2

Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 15,8 24,2 26,4

Mając na uwadze ten kolejny kierunek wykorzystania, Brański (1994) zaproponował klasyfikację iłów poznańskich ze względu na możliwości ich wykorzystania w ochronie środowiska. Przydatność tę charakteryzuje tabela 2.36.

Wykazanie tych właściwości wymagało dokonania pogłębionej charakterystyki obejmu-jącej badania cech fizykochemicznych.

Pojemność wymiany kationów kolejnych odmian litologicznych iłów poznańskich po-chodzących z całego zbiornika sedymentacyjnego badał Wichrowski (1981). Z jego ozna-czeń wynika, że w przypadku próbek surowych w centralnej części basenu (miejscu lo-kalizacji złóż węgla brunatnego Konina i Turka) wynosi ona od 16,5 do 50,3 mval/100 g.

Pojemność jonowymienną iłów pochodzących ze złoża Adamów oznaczał Kłapyta (1975).

Okazało się, że jest ona zawarta w przedziale 33,3–40,7 mval/100 g. Charakterystyczne okazało się, że frakcja ziarnowa poniżej 2 µm wydzielona z tych iłów, wykazała zbliżoną pojemność kationów wymiennych jak próbki naturalne. Wyniosła ona około 45 mval/100 g.

Według Kłapyty (1975) iły poznańskie z Adamowa mają powierzchnię właściwą miesz-czącą się w przedziale 32–58 m²/g. We frakcji poniżej 2 µm była ona zbliżona i wynosiła około 49 m²/g. Iły te absorbują 200–220 cm³/g błękitu metylenowego. Ich porowatość cał-kowita wynosi 25–56%. Badania wykazały również, że największą porowatością odznaczają się próbki iłów o stosunkowo dużej zawartości kaolinitu.

TaBeLa 2.36. uproszczona klasyfikacja iłów poznańskich jako surowców stosowanych w ochronie środowiska według Brańskiego (1994)

Grupa Jakość

ilaste: S>I, K, Ch > 50 sorbenty wyższej klasy

Objaśnienia: S – smektyt; I – illit; K – kaolinit; Ch – chloryt.

Kłapyta i Żabiński (2008) właściwości sorpcyjne iłów poznańskich ze złóż węgla bru-natnego w rejonie Konina i Turka oceniają jako umiarkowanie dobre. Odmiany bogatsze w składnik smektytowy są zbliżone w tym względzie do karbońskich bentonitów z Milowic, uznawanych za najlepsze krajowe sorbenty mineralne. Zauważono jednak zróżnicowanie tych właściwości wynikających z miejsca ich występowania. Np. sorpcja błękitu metyle-nowego wykazana przez próbki pochodzące z odkrywki Jóźwin jest znacznie mniejsza niż stwierdzona w przypadku iłów z odkrywki Adamów.

Iły poznańskie w stanie naturalnym mogą znaleźć zastosowanie przy rekultywacji gruntów. Takie kierunki wykorzystania stawiają przed sorbentami mniejsze wymagania do-tyczące zdolności sorpcyjnych. Stwarzają natomiast możliwość stosowania ich na większą skalę. Duża zawartość beidellitu, a także brak składników szkodliwych (siarczków żelaza, metali ciężkich), pozwala przypuszczać, że możliwe jest wykorzystanie tych iłów do pro-dukcji sorbentonawozów.

Charakter mineralogiczny iłów, a także ich właściwości fizykochemicznych (powierzch-nia właściwa, pojemność jonowymienna, porowatość) wskazują na ich przydatność do usu-wania (sorbousu-wania) metali ciężkich, a także połączeń organicznych z roztworów wod-nych czy ścieków. Po modyfikacji ich właściwości fizykochemiczwod-nych np. przez aktywację kwasową, iły te mogą znaleźć także inne zastosowanie m.in. do usuwania:

y zasadowych związków organicznych z odpadów ściekowych powstałych przy pro-dukcji barwników;

y amoniaku ze ścieków komunalnych, tuczarni trzody chlewnej.

Aktywacja innymi metodami chemicznymi, np. przez wprowadzenie na pozycje wy-mienne smektytów polikationów metali lub kationów organicznych, wykazała, że niektóre partie tych iłów spełniają wymagania dotyczące uzyskiwania sit molekularnych, składników płuczek olejowych oraz wypełniaczy do tworzyw sztucznych.

Ustalono też przydatność iłów poznańskich do budowy przesłon hydroizolacyjnych w składowiskach odpadów. Wykonano to poprzez określenie wartości parametrów wyni-kających z „Aprobaty technicznej…” (2002). W przypadku badanych iłów parametry te posiadały następujące wartości:

y zawartość frakcji powyżej 0,05 mm: 1,6–24,6% wag.;

y zawartość frakcji poniżej 0,005 mm: 65% wag.;

y SiO₂: średnio około 62 % wag.;

y Al₂O₃: średnio około 17% wag.;

y skład mineralny: minerały ilaste 51–91% wag., kwarc 4–44% wag.;

y pojemność wymiany kationów: od 16 do 50 mval/100 g;

y kationy wymienne: Ca²⁺> Mg²⁺> N⁺> K⁺.

Wynika stąd, że iły te stanowią bardzo dobrą odmianę kopalin nadającą się do budowy przesłon hydroizolacyjnych w przypadku składowisk odpadów.

Przytaczana wyżej przydatność iłów w szeroko rozumianej ochronie środowiska, posłu-żyła do zaklasyfikowania tych kopalin według podziału zaproponowanego przez Brańskiego a dotyczącego surowców stosowanych w ochronie środowiska (1994) (tab. 2.36). Iły te reprezentują sorbenty dwóch pierwszych klas o stosunkowo najlepszych właściwościach sorpcyjnych.

W latach 1969–1970 Przedsiębiorstwo Geologiczne we Wrocławiu udokumentowało w kategorii C₁ trzeciorzędowe iły poznańskie z obszaru złóż Pątnów. Ich celem było wy-kazanie przydatności do produkcji keramzytu. Okazało się, że kopaliny te odznaczają się wysoką plastycznością. Zawierały 57–79% wag. frakcji ilastej a ich skurczliwość wynosi-ła 8,65%. Eksploatacji iłów jednak nie podjęto. Udokumentowaną kopalinę zgromadzono w sposób nieselektywny na składowisku. W ten sposób dalsze wykorzystanie w takim cha-rakterze zostało uniemożliwione.

Podobne badania wykonano w przypadku iłów poznańskich z odkrywki Adamów. W sta-nie naturalnym sta-nie nadają się one do produkcji kruszyw lekkich. Okazało się jednak, że staje się to możliwe w sytuacji dodania do nich odpowiednich domieszek uzdatniających np. oleju.

Wykorzystanie iłów poznańskich w stanie naturalnym do produkcji płuczek wiertni-czych wydaje się być ograniczone (Rippel i Stojak 1979). Dlatego w przypadku odmian ze złoża Adamów w celu polepszenia tej przydatności poddano je procesowi szlamowania. Po wykonaniu tych zabiegów, okazało się możliwe wytwarzanie płuczek wiertniczych średniej klasy z frakcji drobnoziarnistej. Parametry tak zmodyfikowanych iłów pozwoliły uzyskać odmianę płuczki porównywalną z uzyskaną w przypadku iłów z Chmielnika lub Krańca, a więc najlepszych krajowych kopalin ilastych wykorzystywanych w takich technologiach.

Iły poznańskie pochodzące z zagłębia konińsko-turkowskiego były też przedmiotem ba-dań w celu wykazania możliwości ich wykorzystania w charakterze składnika korygującego przy produkcji cementu. Badania te wykonał Instytut Mineralnych Materiałów Budowla-nych w Krakowie. Zmienność składu chemicznego tych kopalin spowodowała, że moduły krzemowy i glinowy, przesądzające o takim kierunku wykorzystania, miały wartości nie-spełniające kryteriów stawianym tego typu surowcom (Gradecki 1997).