Металлургия без фейерверков, или фейерверк гидрометаллургии

Гудящее, как бы спрессованное пламя, готовое, кажется, вот-вот разнести на кусочки сдавивший его могучий кулак печи. Сильные люди в темных очках и касках. Фейерверк искр... Не правда ли, это, пожалуй, самые привычные ассоциации на металлургическую тему. Но металлургия - это не монополия огня. Рядом с пирометаллургией (от греческого слова "пир" - огонь) крепнет и все решительнее заявляет о себе другая ветвь главнейшего из производств - гидрометаллургия (от греческого "гидро" - вода). Она, не в пример первой, тиха, начисто лишена обычных внешних эффектов. Но как раз в этом ее сила! Ведь "эффекты" пирометаллургии - это не только могучая красота огня и сила его мужественных повелителей. Это еще дым и копоть, горы золы и шлака.

У гидрометаллургии свой "фейерверк" - фейерверк доселе невиданных возможностей. Ее будущие заводы скорее похожи на большие лаборатории, металлурги - на инженеров-исследователей... В атмосфере над заводом - ни дымка. Горняки перевезут сюда гору руды. А потребители во всех концах страны получат с завода контейнеры с надписями: "медь", "цинк", "теллур", "золото"... Еще отсюда отправят эшелоны со строительными материалами. Останется на заводе... Ничего на нем не останется. И скоро в этих местах даже забудут, где именно стоял завод. Медный карьер отработан и превратился в озеро. Завод погрузил свои аппараты и уехал по адресу нового открытия геологов...

Ошибиться, описывая будущий гидрометаллургический завод, можно в деталях, но не в самом главном - все, что будет поднято горняками из недр, все до последней крошки пойдет в дело. Ничего не унесет с завода ветерок или река. Так должно быть и, как считают наиболее дальновидные и оптимистически настроенные ученые, так оно и будет.

Металлургия без фейерверков, или фейерверк гидрометаллургии

Гидрометаллургия невероятно сложна в своих тонкостях, но и удивительно проста в своих главных принципах. Потому попробуем понять ее суть без громоздких химических и математических формул.

Из школьной химии мы усвоили и наглядно представляет себе, что в химической колбе может исчезнуть с глаз абсолютно все. Даже от лидера "металлохимического" благородства - золота раствор "царской водки" не оставляет и следа.

Понятно, что с куском медной руды можно проделать то же самое с меньшими усилиями. В растворители годятся аммиачный или сернокислый растворы. Специалисты называют такой процесс выщелачиванием. Даже когда в нашей колбе окажется лишь раствор, мы знаем - в нем "плавают" миллионы невидимых ионов меди и ее многочисленных рудных спутников. Задачу упростим: нужно извлечь только медь; для простоты будем считать раствор чисто медным.

Внимательному читателю это покажется, наверное, сущим пустяком. Он тотчас предложит сразу два способа. Первый аналогичен меднению железного гвоздя в купоросе. Верно. Почти так сегодня и поступают, называя процесс цементацией. Второй способ извлечения также очевиден - электролиз. Итак, со способами все ясно. Теперь обратимся к практическим делам.

Из куска руды много меди не получишь. Нужно взять колбу более вместительную и руды загрузить побольше. Столь же логично перед растворением руду измельчить и обогатить, тогда растворение пойдет скорее, меди в растворе станет больше. Искушенный в химии посоветует еще предварительно обжечь руду, дабы заменить часть серы кислородом, который потом легче разлучается с медью. Совершенно справедливо. Однако практик на это заметит, что, во-первых, об извлечении сколько-нибудь чистой меди из такого раствора не может быть и речи - многие спутники, хотя бы малость химически сродственные меди, выделятся из раствора вместе с ней и, во-вторых, меди в растворе все равно будет слишком мало.

Что ж, это подсказывает автору единственный путь: пора несколько выйти за рамки школьной программы.

То, что в прошлом было для гидрометаллургии совершенно невозможным, сегодня делают почти обыденным новейшие исследования и открытия. Имена главных помощников "крепкой воды", то есть раствора, - сорбция и экстракция. Познакомимся с ними поближе.

Сорбционный метод извлечения металлов основан на выделении их из растворов твердыми нерастворимыми в самых крепких рассолах, то есть растворах солей, высокомолекулярными веществами - сорбентами. Обычно ими являются ионообменные смолы. Каждая такая смола поглощает только определенные металлы. После полного насыщения сорбента его частицы отделяют фильтрованием от раствора и с помощью растворителя освобождают сорбент от Накопленного металла. Теперь уже концентрация металла в растворе во много раз превышает первоначальную - он пригоден для электролиза.

Недавно советским ученым удалось... сшить уникальную ловушку для ионов меди. Не удивляйтесь терминологии и отсутствию кавычек - именно таким обыденным языком ученые описывают это, прямо скажем, экзотической действо.

Началось все с вопроса: ученые задумались - почему сорбенты слишком медленно наполняются ионами меди? Не в том ли дело, что размеры так называемых карманов макромолекулы сорбента не совсем соответствуют размеру ионов, и последние либо не входят в карманы сорбентов, либо легко выскакивают из них?... В длинную макромолекулу полимера еще до того, как она свернется и образует жесткий ионный карман непредсказуемой конфигурации, ввели ион меди. Полимер, естественно, принял форму и размер иона меди. Потом к первой макромолекуле пришли другие, повторяя ту же операцию. Вымыли растворителем "калибровочные" ионы меди. Все! Наисовершенная ловушка готова! Результаты эксперимента показали, что процесс сорбции меди в сравнении с прежним ускорился почти в двадцать раз!

Есть и другой способ извлечения металла - экстракция. Суть этого процесса в том, что одна жидкость (экстрагент), избирательно поглощающая определенный металл, помогает извлекать металл из другой жидкости. В результате соприкосновения раствора и экстрагента образуются два продукта - экстракт с извлеченным металлом и раствор с малым содержанием металла. Экстракт промывают небольшим количеством водного раствора, в который переходит металл. В полученном растворе концентрация металла в сотни раз больше, чем в первоначальном!

Непрерывность, возможность разделить близкие по свойствам металлы и достичь высокой их чистоты, возможность автоматизации, высокая производительность при малых трудовых затратах - вот основные достоинства сорбционной и экстракционной технологии в гидрометаллургии. Под руководством академика Бориса Николаевича Ласкори- на недавно разработан так называемый сорбционно-бесфильтрационный метод извлечения металлов, который позволит получать металл прямо из рудных пульп!

Еще один штрих гидрометаллургии будущего- использование автоклавной технологии. Автоклавы - это герметичные аппараты, где при высокой температуре и большом давлении протекают процессы окисления, выщелачивания и восстановления металла. Результат их применения - почти полное и комплексное извлечение металлов их руды.

Кольский полуостров. Суровый Север. Исследователи приехали сюда, зная заведомо, что здешняя медная руда - очень бедная, как говорят, забалансовая, непригодная сегодня для переработки. Но прихватили они с собой особое "оружие", которое вселяло веру в возможность переработки даже этой руды. Находилось оно в особых герметичных капсулах. На первом этапе их вскрывать не стали. Двадцать четыре дня выщелачивали медь из минералов халькопирита только с помощью растворов кислот. Померили концентрацию меди в растворе, оказалось - всего пять процентов. Приготовили раствор послабее, осторожно вскрыли капсулы, и на подмогу "крепкой воде" из них выпустили живых помощников - колонию особых бактерий. И произошло "обыкновенное чудо": в присутствии бактерий, используя ослабленный раствор кислоты (чтобы бактерии не погибли), всего за четыре дня извлекли восемьдесят процентов меди!

Особенно удивляться способностям бактерий оснований нет. Ведь это была та их разновидность, для которой сернистые соединения меди - любимое блюдо. Такова химия их пищеварения. Они жадно поглощают серу из соединений меди, а взамен оставляют кислород. Окисленная медь растворяется в растворе кислоты гораздо легче. Вот и весь секрет невиданной производительности так называемого биохимического выщелачивания меди.

Мы рассказали в общих чертах о помощниках и союзниках гидрометаллургии меди, которые уже сегодня начинают определять ее широкое практическое внедрение.