27.11.2014

Российские ученые достанут из красного шлама редкий металл

Из токсичных для экологии отходов алюминиевого производства учёные из МИСИС извлекают ценный и редкий металл – скандий.

Если удастся сделать технологию дешёвой и надёжной, к чему исследователи очень близки, сразу несколько ключевых отраслей промышленности смогут вооружиться новыми материалами, позволяющими улучшить свойства конечных продуктов.

По ценам на нефть и газ эксперты выдают разные, порой взаимоисключающие прогнозы, а вот в оценках перспектив редкоземельных металлов чаще сходятся во мнении: спрос на эти ресурсы, а значит, и их стоимость будут возрастать. Мировые запасы этого сырья малы, а технология получения сложная (недаром же металлы называют «редкими»). И свободный доступ к ним рассматривается как залог конкурентоспособности при переходе к очередному технологическому укладу. Один из таких «металлов будущего» – скандий.

Добавление ничтожной доли скандия, например, к алюминию, который используют повсеместно, позволяет получить материал с уникальными свойствами – легкий, пластичный и одновременно прочный как сталь. Это идеальная основа для авиа-, судо- и машиностроения, изготовления спортинвентаря и новейших материалов для электроники. В будущем, конечно. В настоящее время такие сплавы используются, в основном, в авиастроении. Все остальное – это по большей части объект для исследования учёных. Поиск способов не очень сложной и экономически эффективной технологии добычи скандия ведётся как за рубежом, так и в России.

Один из них разрабатывает Московский институт стали и сплавов (НИТУ МИСиС).

Технология предусматривает извлечение скандия из многотоннажных отходов производства алюминия, именуемых красным шламом, которые, по принятой классификации, относятся к 5-му классу опасности. Из-за высокой щёлочности этого химиката площади рядом с местом его хранения не пригодны ни для строительства, ни для сельского хозяйства.

Напомним, утечка красного шлама вызвала настоящее экологическое бедствие в Венгрии в 2010 году, когда в результате взрыва на алюминиевом заводе была разрушена плотина, сдерживающая резервуар с этими токсичными отходами. Режим ЧП тогда на несколько месяцев был введён в трёх областях страны, пострадали также районы Хорватии. Вместе с тем красный шлам несёт в себе не только угрозу, но и весьма ценные и редкие компоненты.

В частности, в одной тонне этого недружественного для окружающей среды мусора содержится примерно 100 граммов скандия, что считается очень хорошим показателем. Там же, по утверждению учёных, есть и другие редкоземельные элементы, и если их все каким-то образом извлекать, то попутно, наряду с их добычей, будет решена ещё одна важная задача – переработка красного шлама. В отличие от скандия и других редких металлов, красного шлама в России, как и всякого другого «ненужного вещества», в избытке. Ежегодно только уральские заводы выбрасывают в хранилища два миллиона тонн свежих красных шламов, это вдобавок к уже имеющимся, «законсервированным» ранее сотням миллионов тонн. Отходы содержатся под слоем раствора гидроксида натрия.

Учёные из МИСиС предлагают доставать их из-под жидкости и высушивать, а затем из полученного мелкодисперсного порошка, используя разные научные хитрости, добывать необходимые элементы.

«Технология предполагает несколько операций: выщелачивание, первичное концентрирование и отделение примесей, то есть рафинирование, – поясняет руководитель проекта, ведущий научный сотрудник кафедры общей и неорганической химии МИСиС Юлия Соколова. – Все эти стадии нужно проводить, используя самые дешёвые реагенты и самые современные технологии. Только сочетание этих двух направлений, на наш взгляд, позволит создать наиболее дешёвую и в то же время эффективную технологическую разработку».

В лаборатории, где проходят эксперименты, можно наблюдать такой процесс. Твёрдые шламы обрабатывают раствором серной кислоты – довольно дешёвым реагентом - и получают раствор, содержащий скандий в количестве примерно 10 мг/л. Этого, конечно, очень мало, поэтому далее начинаются работы по концентрированию скандия.

Отрабатывается несколько методов, наиболее предпочтительным из них учёные считают экстракцию.

Процесс похож на заваривание чая, при котором некие вещества из чайных листьев попадают в кипяток. В нашем случае в роли «чая» будет выступать шлам, обработанный кислотой, а в качестве воды – органическая фаза.

Эти манипуляции позволяют получить концентрат, содержащий редкоземельные элементы, в том числе от 2 до 5 процентов скандия, а также твёрдый остаток – кек, который тоже планируют пускать в переработку, например, для производства красок или строительных материалов.

Разделение концентрата на конкретные редкоземельные металлы в научной лаборатории не проводят, эти работы, кстати, недешёвые, в настоящее время ведут на заводе в Эстонии. В результате переработки красных шламов предполагается получение оксида скандия и концентратов (редкоземельных элементов, титана и, возможно, ряда других элементов).

Максимальная себестоимость скандия при таком технологическом подходе к его извлечению составит примерно 2000 долларов за килограмм. Сейчас цена получения 99%-го оксида этого металла из-за сложности используемых технологий превышает 3000 долларов.

Из-за того, что скандий настолько дорогой, его используют ограниченно, хотя, как уже доказано учеными, с его участием возможно создание целого ряда новых материалов – для электроники, лазерной техники, катализаторов.

«К нашим работам по скандию проявляют интерес многие компании, – отмечает Юлия Соколова. – Это обусловлено тем, что производства этого редкоземельного металла в нашей стране нет, и цены на него очень высокие. Мы же предлагаем относительно недорогой и очень надёжный способ добычи. Не потребуется проводить сложные горнопроходческие работы, сырья для извлечения очень много. Кроме того, мы ожидаем в концентрате получить и соединения других металлов. Каких, пока не знаем. Для нас это пока загадка, и мы сами с нетерпением ждём результатов своих экспериментов».

Проект «Разработка технологии получения соединений скандия из красного шлама производства глинозема» поддержан Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

Источники:

1. KM.RU