Леонтьев Л.И., Резниченко В.А., Морозов А.А.
Отделение химии и наук о материалах РАН, Москва

The scientific and technological developments in the field of the complex utilization of the natural resources which are fulfilled by fundamental researches of program of Russian Academy of science are considered.

Рациональное использование природных ресурсов представляет важнейшую социально-экономическую задачу. Успешное ее решение возможно на основе всестороннего анализа накопленного опыта и проведения научных и технологических разработок в области комплексного освоения минерального сырья.

Существовавшая прежде система хозяйствования с преобладанием ведомственного монополизма, ориентировавшая действующее производство на достижение в первую очередь количественных показателей на текущий момент в ущерб долгосрочным интересам, не могла обеспечить эффективного использования природных богатств и в условиях экстенсивного развития экономики неизбежно приводила к ухудшению экологической обстановки.

В настоящее время масштабы вовлечения природных ресурсов в производство таковы, что становятся очевидны пределы возможностей природы как системы жизнеобеспечения человека, и явственнее проявляются признаки экологической и сырьевой проблем, приобретающих глобальный характер. Поэтому необходимость комплексного использования сырья перерабатывающими отраслями с подбором соответствующих технологических циклов и комбинированных процессов выдвигается в число первоочередных задач. Расточительность по отношению к сырьевым ресурсам выражается в том, что при переработке, например, металлических руд в готовую продукцию переходит менее 40% рудного вещества, поступающего на вход производственного цикла (рис.1).

Получение монотоварной продукции из многокомпонентного сырья с потерей многих попутных ценных составляющих бесперспективно, особенно когда резервы традиционных для технологии богатых видов сырья неотвратимо истощаются. Основным критерием эффективности переработки сырья должна стать полнота использования рудного вещества, то есть выполнение условий, при которых коэффициент его полезного использования приближается к единице. В этом случае достигается наибольшее сближение между вещественным составом исходной руды (горной массы) и номенклатурой получаемой продукции. Эти критерии и результаты теоретических разработок для практической реализации применительно к комплексным рудам сложного состава, отходам и полупродуктам производства, возобновляемым видам сырья стали главной целью фундаментальных исследований в проектах программы Отделения химии и наук о материалах РАН «Научные основы рационального использования природных и техногенных ресурсов» (Программа ОХНМ-06), выполняемой с 2003 г. по настоящее время.

Рис.1. Схема использования рудного сырья в производственном цикле (цифрами показано относительное количество, %, материальных потоков (оценка)

Исследования по программе проводятся по следующим четырем научным направлениям: 1. Научные основы комплексного использования минеральных ресурсов. 2. Научные основы рационального использования техногенных ресурсов. 3 Научные основы возобновляемых ресурсов. 4 Теоретические основы создания новых продуктов при комплексной переработке ресурсов.

Актуальность исследований, связанных с обеспечением сырьем действующих и вновь создаваемых производственных мощностей, определяется характером привлекаемых к использованию сырьевых ресурсов (сложный вещественный состав руд, пониженное содержание основных компонентов) и отсутствием отработанных технологий для их переработки. В настоящее время производство не может обеспечить эффективную переработку подобного сырья, допуская низкое извлечение основных и потерю сопутствующих элементов, большое количество отходов и вредных выбросов с нанесением значительного ущерба окружающей среде.

Данную проблему можно решить только путем системного подхода - на основе новейших достижений фундаментальной науки с привлечением программно-целевого метода для совершенствования и подбора новых технологий к переработке нетрадиционных видов минерального, техногенного и возобновляемого сырья, перевода ресурсов в резервы производства с экономным использованием вещества и энергии с учетом сложившихся приоритетов экологии, энергетики и экономики.

В проведенных за последний период исследованиях определены научные основы замкнутого производства - системы переработки минерального сырья, не допускающей выброса вредных веществ в окружающую среду и обеспечивающей максимальную глубину использования рудного вещества, показаны этапы перехода от современного производства, к созданию высокоэффективных горно-металлургических комплексов на базе местного рудного сырья регионов, основанных на применении малоотходных технологий. Схема одного из комплексов приведена на рис. 2.

Рис.2. Комплексное использование месторождений зоны БАМ (Чарский горно-металлургический комплекс)

Переработка комплексных руд по предлагаемым схемам с минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду обеспечивает снижение энергоемкости процессов получения вольфрама, титана и др. металлов в 1.5-1.7 раз с повышением извлечения из сырья до 95% .

Некоторые другие полученные важные результаты:

- предложена технология низкотемпературного (<100оС) вскрытия лопаритового концентрата,

- разработана технологическая схема получения искусственного рутила из лейкоксенового концентрата крупнейшего Ярегского месторождения титана,

- разработаны научные основы самоорганизующейся технологии переработки техногенных отходов и минерального сырья в высокоценную продукцию, позволяющие получать наноразмерные порошки металлов,

- получены новые данные в области химии соединений титана, которые использованы для разработки комплексной универсальной технологии отходов обогащения апатито-нефелиновых руд с получением целого ряда синтетической и минеральной продукции из вовлекаемого в переработку складируемого в хвостохранилищах техногенного сырья,

- выполнено теоретическое и экспериментальное моделирование процессов растворения оксидов и гидроксидов металлов с позиций гетерогенной кинетики, синергетики (фрактальной геометрии) и электрохимии,

- предложен новый способ извлечения рения и платины из отработанных катализаторов,

- разработан способ селективного выделения стронция и цезия экстракцией краун-эфирами из тепловыделяющих элементов,

- разработана технологическая схема переработки тонких пылей печей кипящего слоя, образующихся при обжиге сульфидного никелевого концентрата,

- предложена высокоэффективная технологическая схема комплексной утилизации цинксодержащего шлама в дуговых печах с использованием инжекционных технологий,

- исследованы процессы гетерогенного осаждения циркония из органических растворов, полученных методом низкотемпературного хлорирования отходов производства металлического циркония и оболочек ТВЭЛ,

- из хвостов обогащения вермикулитовых и апатит-нефелиновых руд методом спекания получена керамика с пониженной плотностью и теплопроводностью и с низким содержанием нежелательных минералов-примесей,

- выполнено физико-химическое исследование отходов полупроводниковой промышленности и цветной металлургии с целью извлечения мышьяка и других ценных компонентов,

- разработана методология организационно-функционального проектирования оптимальной структуры предприятий химической продукции, обеспечивающая синергетический эффект комплексной глубокой переработки минерального и техногенного сырья в требуемые конечные продукты высокого качества с оптимальной ресурсоемкостью.

Применительно к сырью Атасуйского месторождения проведены исследования по разработке новой технологии получения кондиционного чугуна и обогащенного германием продукта, пригодного для последующей переработки на стандартный германиевый концентрат по известным и действующим технологиям. Экспериментально обоснована целесообразность применения вакуумирования для извлечения германия в высококонцентрированный продукт и глубокого рафинирования расплава. Предложена технологическая схема комплексной переработки железогерманиевого сырья на стандартный германиевый концентрат.

Проведены исследования по разработке технологии и оборудования для комплексной переработки марганцевых горных пород Южно-Хинганского месторождения для условий подземного выщелачивания с получением металлического марганца и активного MnO2 для производства химических источников тока (ХИТ).

Методом электронной микроскопии изучен состав минералов ильменито-хромито-гематитового концентрата Лукояновского месторождения и показана возможность его разделения на Fe-Ti- и хромсодержащие продукты путём окислительно-восстановительного обжига с последующей магнитной сепарацией при оптимальных условиях обжига и интенсивности магнитного поля.

Разработана и освоена в опытно-промышленном масштабе технология химической очистки бадделеитового концентрата с выделением редкометалльного концентрата состава, %: 1,5-4,5 Та2О5, 7,5-14,5 Nb2O5, 8,2-18,5 ТiO2, 6,1-19,3 ZrO2, 4,5-10,5 SiO2, 7-13 Fe2O3 и сохранением радионуклидов в шламах.

Разработана принципиальная схема универсальной технологии переработки широкого класса отходов с использованием агрегата, сочетающего экологическую безопасность всех получаемых при переработке продуктов и возможность их дальнейшего использования, энергетическую эффективность, простоту и надежность применяемых конструктивных элементов. Подобным требованиям в наибольшей степени отвечает процесс в шахтных агрегатах типа доменных печей, вагранок с жидким удалением конденсированных продуктов. Нагрев отходов до температур, обеспечивающих разложение сложных соединений, образование металлической и шлаковой фаз, возможен за счет сжигания твердого топлива недефицитных сортов при минимальном его удельном расходе за счет совершенного тепломассообмена.

С целью расширения сырьевой базы огнеупорной промышленности проведено исследование по вовлечению отходов первичной переработки руд цветных металлов в производство термостойких материалов на основе силиката магния. Магнезиальносиликатные (форстеритовые) огнеупоры могут быть использованы взамен дорогостоящих периклазовых изделий. Изучена теплопроводность огнеупорных материалов с позиций закономерностей неравновесной термодинамики и выявлен критерий термостойкости при деформации огнеупорных футеровок под воздействием градиента температур.

Разработана и создана установка для виброаэродинамической сепарации металлорезинотканевых и резинотканевых отходов (амортизированные шины). Построена универсальная математическая модель вибропневмосепарации, необходимая для создания систем автоматизированного проектирования и расчёта нового технологического оборудования. Показано, что полученная тонкодисперсная резина является эффективным сорбентом нефтепродуктов с высокой сорбционной емкостью. Результаты работы использованы при формировании технического задания на проектирование опытно-промышленных образцов оборудования для линии утилизации автомобильных шин.

По возобновляемым ресурсам:

Исследованы структурные и физико-химические характеристики продуктов кавитационной дезинтеграции-экстракции отходов заготовки льна и лесопереработки, а также аналогичных материалов, образующихся при механическом измельчении в отсутствии жидкой фазы. Определены пути создания эффективных технологий получения целлюлозного сырья для производства нитроцеллюлозных материалов (коллоксилинов и пироксилинов) и других продуктов химической обработки для замещения малодоступного в настоящее время сырья - хлопка.

С использованием новых усовершенствованных катализаторов (H2SO4 + Ti(On-C4H9)4; NaOH или КОН + Ti(On-C4H9)4) разработаны научные основы первой стадии двухстадийной технологии получения биодизельного топлива, глицерина, децена-1 и других олефинов из растительных масел низкой пищевой ценности. Полученные результаты открывают перспективу создания оригинальным альтернативным процессом дизельных топлив путем этерификации соответствующих синтетических жирных кислот метанолом или этанолом с целью переориентации нефтехимической промышленности из нефтяного на не нефтяное (в том числе на возобновляемое растительное) сырье.

Исследованы особенности кавитационной переработки отходов заготовки лиственницы, сосны и пихты. Установлено, что наиболее важный продукт - флавоноид дигидрокверцетин (ценная пищевая добавка), в промышленных количествах содержится только в лиственнице.

Исследованы технологические особенности кавитирования лиственницы при добавлении в пульпу органических растворителей и определена оптимальная схема комплексной переработки отходов заготовки лиственницы.

Методами жидкостной хроматографии, одно- и двумерной спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии исследованы смеси и выделения индивидуальных компонентов из древесины сучковых зон сосны и ели. Из ели с высоким выходом, позволяющим организацию практического производства, выделен (-)-7-гидроксиматаирезинол, являющийся перспективным лечебным препаратом. Полученные стильбены являются также весьма ценными биологически активными соединениями.

Проведен комплекс исследований по использованию отходов льнопроизводства в качестве альтернативной замены хлопкового линтера в химической промышленности, а также по использованию нетрадиционных источников хитина и хитин - глюканового комплекса.

Синтезированные эфиры целлюлозы могут быть использованы в качестве эффективных биодеградируемых загустителей в различных областях жизнедеятельности человека. Выделен хитин-глюкановый комплекс, отличающийся наличием дополнительных карбонильных групп, и изучены его сорбционные характеристики по отношению к ионам Сu2+ и ионам Fe3+ из смазочно-охлаждающей жидкости металлообрабатывающего производства.

Комплексным растворителем - диметиацетамид/хлоридом лития, модифицированным кислотно-щелочным и электрохимическим методами, выделен хитин из панцирей крабов и креветки. Использование синтетического моющего средства на стадии депротеинизации хитинсодержащего сырья позволяет осуществлять процесс в более мягких условиях (температура 40оС, а не 100), снизить концентрацию щелочи и, наряду с эффективным удалением белка, экстрагировать красящие вещества и липиды, т.е. исключить дополнительные ступени очистки при выделении хитина.

Исследованы технологические параметры на качество выделяемой льняной целлюлозы. Использование рециркуляции химических растворов позволяет снизить температуру обработки до 85-90оС, значительно сократить время основных стадий обработки (30-45 мин) и увеличить выход целлюлозы. Производственные испытания показали возможность получения основного продукта с содержанием a-целлюлозы 94-95% без использования дорогостоящих операций обогащения. Выявлена перспективность механохимических подходов для получения микрокристаллической целлюлозы для фармацевтики и медицинской промышленности.

Методами ИК-, ЯМР- спектроскопии и масс-спектрометрии определены модификации микрокристаллической хлопковой и древесной целлюлозы при обработке в смеси сверхкритического диоксида углерода с водой и рядом сорастворителей. Исследование структуры природной целлюлозы показало, что конформационное строение высокоупорядоченных участков целлюлозы совпадает вне зависимости от ее происхождения.

Выполнено комплексное сравнительное исследование методов выделения хитин- и хитозанглюканов из культурального мицелия грибов различного типа. Обнаружено, что наибольший выход хитинглюканов достигается из грибов Penicillium chrysogenium, наибольший выход хитозанглюканов из Blakeclia trispora. Наибольшей емкостью обладают карбоксиэтилированный хитинглюкан, полученный из Penicillium chrysogenium. Наибольшей селективностью относительно меди обладает хитинглюкан из Aspergilius niger. Разработаны основы выделения хитинглюканов из грибного мицелия, сравнена сорбционная емкость полученных хитин- и хитозанглюканов и заложена база для исследования полученных субстратов в качестве сорбентов для очистки сточных вод от переходных металлов.

Проект Института химии растворов "Растворимость производных целлюлозы в смесях сверхкритических флюидов как основа "зеленых" технологий производства материалов из возобновляемого сырья" получил золотую медаль на Всемирном салоне инноваций и инвестиций в Брюсселе (21-25 ноября 2007 г.). Авторы Колкер А.М., Киселев М.Г., Опарин Р.Д., Дышин А.А.

По результатам проведенных исследований по Программе подготовлено к печати и опубликовано более 60 статей, получено патентов и подано заявок на патенты 17. Материалы исследований доложены на 12 международных конференциях, в т.ч. на XVIII Менделеевском съезде по прикладной и общей химии (Москва, 23-28 сентября 2007 г.).

Существенный вклад в решение поставленных в Программе задач вносят региональные отделения РАН, научными организациями которых выполняются исследования по созданию научных основ переработки отходов горно-металлургического комплекса (ИВТЭ УрО РАН), методов суспензионного формования изделий из металлических порошков (ИТХ УрО РАН); по комплексной переработке стратегического сырья цветных и благородных металлов, растительной биомассы, разработке научных основ получения тепловой энергии при использовании отходов сельскохозяйственного производства и деревопереработки (институты СО РАН: ИХХТ, ИрИХ, БИП, ИПХЭТ); по мониторингу и вовлечению в переработку техногенных золотоносных россыпей, комплексной переработке Дальневосточного минерального сырья с получением новых высокоценных продуктов, извлечению редких и благородных металлов из растворов обогащения бурых углей Приморья (ИХ ДВО РАН).

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья