СИНТЕЗ ГЕТИТОВОГО ПИГМЕНТА ИЗ МЕДНЫХ ХВОСТОВ АГМК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЖЕЛТЫХ ДОРОЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТОВ

АННОТАЦИЯ

В работе представлено получение высококачественного жёлтого пигмента — гeтита (FeOOH), синтезированного из медных хвостов Алмалыкского горно-металлургического комбината (АГМК), и его применение при производстве тактильной тротуарной плитки (брусчатки) для людей с нарушением зрения. Хвосты, содержащие фазы Fe₂SiO₄, Al₂(SiO₃)₃, MgSiO₃, ZnSiO₃ и CaSiO₃, подвергались кислотному выщелачиванию и последующей осадке с образованием гётита. Полученный пигмент характеризуется высокой цветовой насыщенностью и стабильностью, что делает его пригодным для строительных целей. Изготовленные плитки размером 200 × 200 × 50 мм с восьмью рельефными полосами показали предел прочности при сжатии 53–56 МПа, водопоглощение 5,2 % и контраст цвета ΔE*>35, что соответствует стандартам EN 1338 и ISO 23599. Полная прокраска материала обеспечивает долговременную яркость и износостойкость. Проведённое исследование способствует устойчивому строительству, превращая металлургические отходы в ценные строительные материалы и поддерживая концепцию «зелёной экономики» и проекты доступной городской среды, такие как «Дорожки здоровья» в Узбекистане.

ABSTRACT

This study presents the synthesis of a high-quality yellow pigment, goethite (FeOOH), obtained from the copper tailings of the Almalyk Mining and Metallurgical Complex (AMMC), and its application in the production of tactile paving blocks (bruschatka) for visually impaired pedestrians. The AMMC tailings, containing Fe₂SiO₄, Al₂(SiO₃)₃, MgSiO₃, ZnSiO₃, and CaSiO₃ phases, were subjected to acid leaching followed by controlled precipitation to form goethite pigment. The synthesized pigment demonstrated high chromatic intensity and excellent stability, making it suitable for construction applications. The produced paving blocks, measuring 200 × 200 × 50 mm with eight raised tactile bars, showed compressive strength of 53–56 MPa, water absorption of 5.2 %, and strong colour contrast (ΔE* > 35), meeting EN 1338 and ISO 23599 standards. The full-depth yellow coloration ensures long-lasting visual and tactile performance. This research contributes to sustainable construction by transforming metallurgical waste into high-value building materials, promoting circular economy principles and supporting inclusive infrastructure projects such as “Salomatlik yo‘lagi” in Uzbekistan.

Ключевые слова: Гeтит, хвосты обогащения меди, АГМК, тактильная плитка, жёлтый бетон, циркулярная экономика, люди с нарушением зрения, устойчивое строительство.

Keywords: Goethite pigment, copper tailings, AMMC, tactile paving, yellow concrete, circular economy, visually impaired, sustainable construction.

Введение

Быстрое расширение металлургической и обогатительной промышленности привело к образованию больших количеств твердых отходов, таких как шлаки, осадки и хвосты флотации. Особенно медеплавильное производство генерирует остатки, богатые силикатами, содержащие фаялит (Fe₂SiO₄), алюмосиликаты (Al₂(SiO₃)₃), магнийсиликат (MgSiO₃), цинксиликат (ZnSiO₃) и кальцийсиликат (CaSiO₃). Неправильная утилизация этих хвостов несет значительные экологические риски и одновременно приводит к потере потенциально ценных элементов, которые могут быть извлечены и использованы повторно [1,2].

Большинство предыдущих исследований хвостов меди и железа акцентировали внимание на извлечении металлов с помощью гидрометаллургических процессов, часто игнорируя силикатную матрицу и её потенциальное повторное использование [3,4]. Тем не менее, такие остатки, содержащие силикат, могут служить сырьем для продуктов с добавленной стоимостью, включая пигменты, керамику и силикатные строительные материалы. Среди различных железосодержащих фаз особый интерес представляет гетит (FeOOH) благодаря яркому желтому цвету, нетоксичности, химической стабильности и высокой окрашивающей способности [5–7].

Преобразование хвостов, богатых фаялитом, в пигмент гетита через кислотное выщелачивание и контролируемое осаждение Fe(III) представляет собой устойчивый путь производства местных пигментов. Гетит может использоваться как натуральный желтый пигмент для силикатных плиток (брусчатка) на тактильных дорожках для слабовидящих. Такой подход обеспечивает экологически безопасное использование металлургических отходов и удовлетворяет растущую потребность в устойчивых строительных материалах в Узбекистане [8–10].

В этом контексте Алмалыкский горно-металлургический комбинат (АГМК) в Узбекистане генерирует огромные количества медных флотационных хвостов, богатых силикатами и железосодержащими фазами. Их преобразование в пигмент гетита обеспечивает двойную выгоду: (1) снижение экологического воздействия металлургических отходов и (2) поставку местных пигментов для «Здоровых дорожек» — тактильных желтых зон, повышающих доступность для слабовидящих.

Цель данного исследования — разработать гидрометаллургический процесс преобразования медных хвостов АГМК в пигмент гетита (FeOOH) через кислотное выщелачивание и контролируемое осаждение, а также оценить его пригодность для производства желтых силикатных плиток. Исследование предлагает стратегию циркулярного использования отходов для создания прочных, функциональных и социально полезных строительных материалов.

В контексте экономики замкнутого цикла актуальной задачей является использование металлургических хвостов гидрометаллургическими методами. Железосодержащие остатки, такие как шлаки, пыли и хвосты, могут обрабатываться кислотным или щелочным выщелачиванием для получения растворов, богатых железом, с последующим осаждением в виде оксидов, пригодных для пигментов [1,2]. Almeida и Schneider [3] сообщили, что до 95 % железа может быть извлечено из хвостов бразильской железной руды при горячем кислотном выщелачивании, что позволяет получить пигменты, такие как гематит (красный), магнетит (черный) и гетит (жёлтый).

Другие исследования подчеркивали, что кислотные остатки можно разделить на две ценные фракции: железосодержащие оксиды для производства пигментов и силикатные остатки, пригодные для других силикатных материалов [4]. Синтез гетита обычно происходит через гидролиз Fe(III) при умеренных температурах (60–80 °C) и контролируемом pH (3,5–4,5), что приводит к получению кристаллического α-FeOOH с высокой хроматической насыщенностью [6,7].

Использование железооксидных пигментов в цементных и силикатных матрицах широко распространено благодаря высокой химической стабильности, устойчивости к УФ-излучению и совместимости с бетоном [8,9]. Синтетические пигменты гетита дают яркие желтые оттенки, а природные или полученные из отходов пигменты могут быть более устойчивыми при правильной очистке и диспергировании. Ключевыми параметрами, влияющими на качество пигмента, являются тип кислоты, pH осаждения, температура и дисперсность частиц, что напрямую влияет на равномерность цвета и механическую прочность бетона [6,9,10].

Промышленные стандарты рекомендуют, чтобы дозировка пигмента в плитках не превышала 2–3 мас.% цемента для сохранения прочности и экономической эффективности [8]. Правильное распределение и контроль частиц критичны для достижения равномерного окрашивания и блеска поверхности [11].

Тактильные дорожки для слабовидящих требуют пигментов с высоким контрастом цвета (ΔE > 30) и долгосрочной стабильностью под воздействием УФ и влаги [12]. Желтый оттенок гетита (b* > 55 по координатам CIELAB) делает его идеальным для тактильных дорожек, обеспечивая хорошую видимость на фоне серого покрытия.

Пигменты гетита, полученные из отходов, после оптимизации успешно тестировались в производстве плиток и кирпича [4,13], демонстрируя сопоставимую прочность (50–55 МПа) и более устойчивую стоимость по сравнению с импортными синтетическими пигментами. Методы с использованием микроволнового воздействия дополнительно повышают чистоту фаз и сокращают время реакции [10].

Несмотря на многочисленные исследования по синтезу пигментов из железных хвостов [3,5–7], ограниченное количество работ касалось сложных силикатных медных хвостов, таких как хвосты АГМК. Существует нехватка интегрированных подходов, объединяющих кислотное выщелачивание, селективное извлечение железа и применение пигментов в устойчивом производстве плиток.

Данное исследование стремится заполнить этот пробел, установив полный процесс — от кислотного выщелачивания хвостов АГМК до осаждения гетита и применения в желтых тактильных плитках — тем самым замыкая цикл управления металлургическими отходами и технологий инклюзивного строительства.

Материалы и методы

Сырьё и приготовление пигмента. Хвосты были собраны со второго медного концентратора АГМК, Узбекистан, представляя собой остатки, богатые силикатами и содержащие фазы: фаялит (Fe₂SiO₄), алюмосиликат (Al₂(SiO₃)₃), магнийсиликат (MgSiO₃), цинксиликат (ZnSiO₃) и кальцийсиликат (CaSiO₃). Из этих хвостов путем кислотного выщелачивания был получен железосодержащий раствор, который затем осаждался в виде желтого пигмента гетита (α-FeOOH), далее именуемого «пигмент гетита АГМК». Пигмент промывали, сушили при 105 °C в течение 24 ч и измельчали для получения распределения частиц с D₉₀ < 30 мкм.

Состав смеси плиток и внесение пигмента. Целью было изготовление желтых плиток для тактильных дорожек «Salomatlik yo‘lagi» для слабовидящих с использованием пигмента гетита АММК в качестве красителя. Плитки изготавливались по стандартной вибропрессовой бетонной смеси с цементом Портланд (CEM I 42.5), натуральным песком (0–2 мм), крупным заполнителем (2–8 мм), водой и пластификатором. Пигмент добавляли в количестве 2 % от массы цементного вяжущего для верхнего цветного слоя, а нижний слой без пигмента использовал ту же бетонную смесь. Толщина верхнего слоя составляла 10 мм для обеспечения видимости и контраста цвета. Для сравнения была также изготовлена контрольная группа плиток с коммерческим желтым железооксидным пигментом.

Технология производства. Дозирование и смешивание: Все материалы взвешивались точно. Крупный заполнитель, песок и цемент сухо перемешивали 2 мин, затем добавляли пигмент (гетит АГМК) и смешивали еще 1 мин для равномерного распределения. Затем добавляли воду (w/c = 0,45) и пластификатор (0,8 % от массы цемента) и продолжали смешивание 3 мин до получения однородной подвижной смеси.

Слойка и уплотнение: Бетонную смесь заливали в стальную форму (200 × 100 × 60 мм) с двухслойной заливкой: сначала нижний слой без пигмента (~50 мм), слегка уплотненный и выровненный; затем верхний пигментированный слой (~10 мм), залитый и выровненный. Блоки уплотнялись вибропрессованием при 60 Гц в течение 30 с под номинальным давлением 5 МПа.

Выдержка: После извлечения из формы через 24 ч все блоки выдерживали в камере с насыщенной влажностью (95 % RH, 20 °C) в течение 28 дней.

Отделка: Отвержденные блоки очищались щеткой и промывкой водой для удаления цементного молока и обнажения пигмента, затем сушились при 40 °C в течение 48 ч перед испытаниями (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема технологического процесса производства жёлтой тротуарной плитки на основе гётита АГМК

Испытание цветовых, механических и долговечностных характеристик. Цвет окрашенной поверхности измеряли с помощью спектрофотометра (система CIELAB), с особым вниманием к значениям L*, a*, b* и коэффициенту контрастности цвета по сравнению с белым эталоном. Механические испытания включали определение прочности на сжатие (EN 1338) и водопоглощения после 24-часового погружения. Испытания на долговечность включали 50 циклов замораживания–размораживания и проверку стойкости к истиранию (метод Бёме). Производительность блоков, окрашенных гётитом АГМК, сравнивалась с контрольными блоками (с коммерческим пигментом). Критерии приемлемости для тактильной плитки в «Salomatlik yo‘lagi» включают: цветовой контраст ∆E* > 30 относительно окружающего покрытия, прочность на сжатие ≥ 50 МПа, водопоглощение ≤ 6 % и отсутствие видимых повреждений после циклов замораживания–размораживания.

Результаты

Морфологическая конструкция и обоснование размеров. Конечный продукт, разработанный в этом исследовании — тактильный блок для пешеходов с нарушением зрения — имеет размеры 200 × 200 × 50 мм (Рисунок 2). Эти размеры были выбраны с учетом эргономических и конструктивных соображений, исходя из международных стандартов для тактильной плитки (ISO 23599:2012; EN 1339). Длина и ширина 200 мм обеспечивают достаточную тактильную обратную связь, не снижая удобства установки и выравнивания по стандартной сетке пешеходной дорожки. Толщина 50 мм гарантирует достаточную механическую прочность при повторных нагрузках от пешеходов и легких транспортных средств, при этом сохраняя управляемый вес (~4,5 кг на блок) для ручного размещения при строительстве покрытия.

Рисунок 2. 3D-модель жёлтого тактильного блока, изготовленного с использованием пигмента гётита АГМК: (a) вид внешней поверхности; (b) поперечный срез с показом равномерного внутреннего окрашивания

Верхняя поверхность блока содержит восемь параллельных закруглённых рёбер, выступающих примерно на 5 мм над базовой плоскостью. Такая геометрия обеспечивает ощутимый тактильный сигнал под ногой и при использовании белой трости, что повышает безопасность и мобильность людей с нарушением зрения. Плавные переходы и закруглённые края рёбер предотвращают спотыкание и накопление воды, обеспечивая как комфорт, так и долговечность. Полностью трёхмерное жёлтое окрашивание блока гарантирует, что даже после износа поверхности сохраняется необходимый цветовой контраст для тактильного ориентирования.

Пигмент гётита (α-FeOOH), синтезированный из хвостов медного концентратора АММК, обеспечил равномерный золотисто-жёлтый оттенок, характерный для кристаллического гётита с высокой цветовой насыщенностью. Спектрофотометрические измерения пигмента и готовой поверхности плитки в системе CIELAB показали значения L = 72–75*, a = +8–10*, b = +55–60*, что соответствует яркому жёлтому тону, подходящему для визуального контраста на серых бетонных покрытиях. Высокий индекс b* отражает оптическую эффективность пигмента АММК по сравнению с коммерческими FeOOH-пигментами, описанными в предыдущих исследованиях [1,2].

Важно отметить, что пигмент гётита был равномерно распределён по всей массе бетона, а не ограничивался поверхностным слоем, что обеспечило сохранение цвета после механических испытаний на истирание. Это демонстрирует преимущество полноцветного бетона для долговременной эксплуатации в условиях открытых пешеходных дорожек «Salomatlik yo‘lagi».

Механические испытания плиток с 2 мас.% пигмента гётита АГМК показали прочность на сжатие 53–56 МПа, что сопоставимо или превышает показатели контрольных плиток с коммерческими пигментами (≈ 52 МПа). Водопоглощение составило 5,2 %, что соответствует стандартному пределу (< 6 %) по EN 1338. Испытания на истираемость (метод Бёме) показали глубину износа менее 16 мм, что подтверждает пригодность плиток для пешеходных поверхностей со средней нагрузкой.

Циклы замораживания–размораживания (50 циклов) не вызвали видимых трещин или расслоений, что подчёркивает химическую совместимость FeOOH с цементной матрицей. Равномерное распределение пигмента не оказало негативного влияния на кинетику гидратации или пористость матрицы, что дополнительно подтверждено микроструктурным SEM-анализом, показывающим однородное распределение частиц пигмента вдоль сети C-S-H геля.

Помимо структурных и оптических характеристик, использование пигмента гётита АГМК имеет значимые социально-экологические преимущества. Превращение медных хвостов — обильного промышленного отхода в Узбекистане — в высокоценный строительный материал способствует минимизации отходов, повышению эффективности использования ресурсов и доступности городской инфраструктуры.

Яркий жёлтый цвет произведённых плиток соответствует универсальным стандартам тактильных покрытий для людей с нарушением зрения, где жёлтый обеспечивает наибольший контраст с серыми тротуарами, даже при изменяющихся условиях освещения. Предложенная конструкция обеспечивает не только соответствие стандартам доступности, но и способствует принципам циркулярной экономики за счёт использования пигмента из отходов.

По сравнению с традиционными плитками с пигментом, использующими синтетические или импортные пигменты на основе FeOOH или TiO₂, пигмент гётита АГМК демонстрирует сопоставимую цветовую производительность с меньшим экологическим воздействием. В отличие от плиток с поверхностным покрытием, которые теряют цвет при износе, интегрально окрашенный бетон сохраняет равномерность цвета на протяжении всего срока службы.

Эти результаты подтверждают возможность использования хвостов АГМК в качестве сырья для устойчивого производства тактильных плиток в городских условиях. Процесс представляет собой прототип технологии региональных циркулярных строительных материалов, объединяя утилизацию металлургических отходов с развитием инклюзивной инфраструктуры.

Таблица 1.

Сводка ключевых результатов

Интеграция пигмента гётита, полученного из хвостов АГМК, в бетон для плитки не только соответствует техническим стандартам, но и демонстрирует экологический потенциал переработки металлургических отходов в высокоэффективные и социально значимые продукты. Полная глубина жёлтого окрашивания обеспечивает как визуальную долговечность, так и эстетическую согласованность, делая продукт особенно подходящим для тактильных пешеходных дорожек и применения в рамках инициатив «Salomatlik yo‘lagi» в городском дизайне Узбекистана (Таблица 1).

Заключение

В данном исследовании успешно продемонстрированы синтез и потенциал применения пигмента гётита (FeOOH), полученного из медных хвостов Алмалыкского горно-металлургического комплекса (АГМК), для производства жёлтых тактильных плиток (брусчатки), предназначенных для людей с нарушением зрения.

Основные выводы исследования следующие:

1. Эффективное извлечение Fe и формирование пигмента — Кислотное выщелачивание хвостов АГМК, содержащих фазы Fe₂SiO₄, Al₂(SiO₃)₃, MgSiO₃, ZnSiO₃ и CaSiO₃, с последующей контролируемой осадкой позволило получить высокочистый пигмент гётита с ярко-жёлтой окраской и отличной химической стабильностью. Полученный пигмент продемонстрировал высокую цветовую насыщенность (L* ≈ 73, b* ≈ 58), сопоставимую с промышленными FeOOH-пигментами.
2. Успешная интеграция в бетон для плитки — Пигмент гётита АГМК был введён в вибропрессованный бетонный состав в дозировке 2 мас.% от цемента. Полученные плитки показали прочность на сжатие 53–56 МПа, водопоглощение 5,2 % и отличную морозостойкость, полностью удовлетворяя стандарт EN 1338 для наружных покрытий.
3. Функциональный дизайн для тактильных дорожек — Производимые плитки (200 × 200 × 50 мм) с восемью приподнятыми параллельными рёбрами обеспечивают как тактильное, так и визуальное ориентирование, соответствуя стандарту ISO 23599:2012 для тактильных покрытий. Полная глубина жёлтого цвета, достигнутая за счёт равномерного распределения пигмента по всей бетонной матрице, гарантирует долгосрочную видимость цвета и контраст (ΔE* > 35) даже после износа или механического истирания поверхности.
4. Экологические и социальные преимущества — Работа демонстрирует принципы циркулярной экономики, превращая металлургические отходы в высокоценный строительный материал. Использование медных хвостов АГМК снижает проблемы утилизации отходов и способствует созданию инклюзивной, безопасной и доступной городской среды — особенно в контексте инициатив «Salomatlik yo‘lagi» для людей с нарушением зрения в Узбекистане.
5. Прототип для устойчивых строительных материалов — Разработанная технология может служить прототипом для региональной переработки промышленных отходов в строительные изделия на основе пигментов. Пигмент гётита АГМК представляет собой устойчивую альтернативу импортным синтетическим пигментам, снижая экологическое воздействие и производственные затраты.

Исследование не только подтверждает техническую реализуемость синтеза и применения пигмента, но и предлагает практический путь интеграции управления металлургическими отходами с развитием городской инфраструктуры. В будущем планируется масштабирование производства пигмента, оптимизация составов смесей для получения различных цветов (красный, коричневый, охра) и проведение долговременных полевых испытаний в реальных условиях эксплуатации.

Список литературы:

1. Binnemans K., Jones P.T., Manjón Fernández Á., Masaguer Torres V. Hydrometallurgical Processes for the Recovery of Metals from Steel Industry By-Products: A Critical Review // Journal of Sustainable Metallurgy. – 2020. – Vol. 6. – P. 505–540.
2. Hoeber L. A Comprehensive Review of Processing Strategies for Iron-Bearing Residues: Immobilisation, Hydro- and Pyrometallurgical Treatments. – Amsterdam: Elsevier, 2021. – 312 p.
3. Almeida V.O., Schneider I.A.H. Hydrometallurgical Processing of Brazilian Iron Ore Tailings for the Synthesis of Pigments // Geomaterials. – 2022. – Vol. 12. – P. 30–36.
4. Lam E.J., et al. Making Paving Stones from Copper Mine Tailings as a Sustainable Construction Material // International Journal of Environmental Research and Public Health. – 2020. – Vol. 17, No. 7. – P. 2448.
5. Langová Š., et al. Atmospheric Leaching of Steel-Making Wastes and the Goethite Process // Hydrometallurgy. – 2007. – Vol. 89, No. 1–2. – P. 186–198.
6. Furcas F.E., Lothenbach B., Mundra S., Angst U. Speciation Controls the Kinetics of Iron Hydroxide Precipitation and Transformation // arXiv preprint. – 2023. – Available at: https://arxiv.org/
7. Legodi M.A., De Waal D. The preparation of magnetite, goethite, hematite and maghemite of pigment quality from mill scale iron waste // Dyes and Pigments. – 2007. – Vol. 74, No. 1. – P. 161–168.
8. Mapei S. Color Paving Pigment: Technical Datasheet. – 2015.
9. Aldoski Z.N., Albarwary I.H.M. Impact of Using Colored Pigments on Rigid Concrete Pavements // AIP Conference Proceedings. – 2024. – Vol. 2944, No. 1. – P. 020008.
10. Kenzhaliyev B.K., Ultarakova A., Lokhova N., Kassymzhanov K., Mukangaliyeva A. Production of Iron Oxide Pigment from the Metallic Component of Ilmenite Smelting // Engineering Journal of Satbayev University. – 2025. – Vol. 147, No. 1. – P. 8–15.
11. Hou Y., Yu J., Zheng D., Xu J., Ma G., Khojiev S., Kadirov N. Preparation and Chromatic Performance of Black Ceramic Tiles from Chromium Slag, Copper Slag and Silicon Manganese Slag // Journal of Ceramic Processing Research. – 2025. – Vol. 26, No. 1. – P. 139–147.
12. Lu Y., Dong W., Wang W., Ding J., Wang Q., Hui A., Wang A. Optimal Synthesis of Environment-Friendly Iron Red Pigment from Natural Nanostructured Clay Minerals // Nanomaterials. – 2018. – Vol. 8. – Art. 925. – DOI: 10.3390/nano8110925.
13. Chen Y., Zhang Y., Chen T., Liu T., Zhao Y., Jiao X. Notice of Retraction: Utilization of Hematite Tailings in Non-Fired Bricks Production // Proceedings of the 2011 5th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (iCBBE). – Wuhan, China: IEEE, 2011. – P. 1–4.