Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева: шаги в будущее

ИНСТИТУТ ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ им. И.В.ТАНАНАЕВА: ШАГИ В БУДУЩЕЕ

В.Т. Калинников, академик РАН; А.И. Николаев, чл.-корр. РАН Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН

Аннотация

Приоритетными направлениями деятельности ИХТРЭМС являются сырьевое и материаловедческое. Рассмотрены основные этапы деятельности института, позволившей разработать научные основы переработки нетрадиционных видов комплексного титанового, редкометалльного и алюмосиликатного сырья Кольского п-ова и отходов обогащения руд. Применительно к такому сырью в Институте сформирован пакет крупномасштабных технологических разработок и малых проектов. Базовый пакет наукоемких высоких технологий позволяет в конкретной ситуации осуществить выбор оптимального варианта, отвечающего любым заданным критериям отбора: экономической эффективности, экологической безопасности,

доступности реагентов, возможности получения продуктов требуемого ассортимента и качества, включая стратегические материалы. Институт успешно сотрудничает со всеми научными подразделениями КНЦ РАН, основными горнодобывающими предприятиями региона, высшей школой и коллегами из других регионов страны и зарубежья. Это способствует повышению уровня фундаментальных и прикладных исследований и потенциала региона.

Ключевые слова:

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья; фундаментальные исследования; переработка комплексного сырья; базовый пакет технологий; наноматериалы; стратегические материалы.

Abstract

The Institute is primarily engaged in developing two trends: raw materials processing and materials science. The paper outlines the main stages of the Institute's activities, resulting in the development of a scientific basis for the processing of unconventional kinds of complex titanium, rare-metal and aluminosilicate raw materials of the Kola Peninsula, and ore dressing wastes. Nowadays, a package of both large-scale technological developments and minor projects is available. The basic project of scienceintensive high technologies affords selecting the optimal variant for a concrete situation, meeting any of the following selection criteria: cost-effectiveness, environmental safety, availability of reagents, possibility of obtaining products of required range and quality, including strategic materials. The Institute is actively cooperating with all scientific subdivisions of the KSC RAS, major mining enterprises of the region, higher educational establishments, and researchers from other Russian regions and abroad. This promotes the advancement of both fundamental and applied research and increasing of the region's potential.

Keywords:

Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw; fundamental research; processing of complex minerals; basic package of technologies; nano-materials; strategic materials.

Кольский п-ов по праву считается сокровищницей природных богатств России. Минералоги мира отмечают удивительное разнообразие минеральных видов, часть из которых встречается только здесь. На площади менее 1% территории России сосредоточены крупные источники десятков видов минеральных ресурсов федерального и регионального значения. Важнейшими сырьевыми источниками федерального значения можно считать апатитонефелиновые руды Хибинских месторождений, лопаритовые руды Ловозерских месторождений, перовскито-титаномагнетитовые руды Африкандского месторождения, ильменитовые руды месторождений Гремяха-Вырмес и др., магнетитовые руды в Ковдорском и Оленегорском районах, кианитовые руды в Кейвах, месторождения платиновых и цветных металлов и многие-многие другие месторождения. Значительная часть общероссийских запасов фосфатного, нефелинового, кианитового, титанового, редкометалльного, вермикулитового, флогопитового и других видов сырья приходится на Кольский п-ов.

Экономика Мурманской обл., как и России в целом, ориентирована преимущественно на эксплуатацию природных ресурсов, и минеральные концентраты являются преобладающим видом выпускаемой в области конечной продукции. Примером тому являются наши горно-обогатительные предприятия - ОАО «Апатит», «Оленегорский ГОК», «Ковдорский ГОК», «Ковдорслюда», «Ловозерская горная обогатительная компания».

Нерациональное использование полезных ископаемых является источником значительного количества промышленных отходов, отрицательно воздействующих на окружающую природу, что особенно актуально для северных регионов. Рациональное природопользование определяет условия жизнедеятельности человека, является одной из важнейших задач, от решения которой зависят уровень экономического развития страны и состояние ее флоры и фауны. На этих позициях базируется международная концепция устойчивого развития, которая рассматривает в качестве одного из основополагающих принцип рационального использования невозобновляемых сырьевых ресурсов и поиск альтернативных источников сырья.

Повышение эффективности использования минерального сырья - важнейшая общегосударственная задача. Развитые страны получают доходы от подобной деятельности в десятки раз выше, чем мы, так как продают не сырье, а продукты глубокой переработки, стоимость которых несоизмеримо выше. Следует отметить, что в большинстве случаев наше сырье является комплексным и относится к нетрадиционным видам, т.е. промышленность использует другие, более простые по составу сырьевые материалы. Вовлечение нового сырья ограничивает пригодность накопленного мировой практикой опыта переработки и требует создания принципиально новых технических решений. При этом более сложным является вопрос масштабов переработки нового сырья, так как пропорции готовых продуктов определяются составом концентратов и часто не соответствуют потребностям рынка по отдельным продуктам.

Наличие в регионе больших запасов редкометалльного сырья послужило главной причиной создания в составе Кольского научного центра единственного в Академии наук института редких элементов. Основной целью Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им.И.В.Тананаева, организованного в декабре 1957 г., является выполнение фундаментальных научных исследований и прикладных разработок в области создания научных основ комплексной экологически безопасной переработки природного, техногенного сырья и горнопромышленных отходов, содержащих редкие, благородные и цветные металлы, и новых высокотехнологических материалов.

Первая внедренная разработка Института - технология лопаритового концентрата с получением соединений редких элементов, титановых пигментов, дубителя для кож и др. - была реализована на Сланцехимическом заводе в Эстонии в 1969 г. Лопарит и сегодня остается основным отечественным редкометалльным сырьем. Ключевые операции многих вариантов технологии других видов доступного комплексного титано-редкометалльного сырья региона успешно прошли испытания в масштабах от укрупненных до опытно-промышленных. Это позволяет надеяться на расширение национальной сырьевой базы для производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих продуктов и материалов.

Опытно-промышленное производство металлических натрия, калия, цезия, рубидия, метафосфатов щелочных металлов, рубидийсодержащих твердых электролитов, протиевых и дейтерированных гидроксидов рубидия и цезия и целого спектра особо чистых соединений редких щелочных элементов, используемых при выращивании монокристаллов для нужд электронной и лазерной техники, было создано в СССР на Ловозерском ГОКе по разработкам института. Сегодня оно, к сожалению, не действует.

Обозначим отдельные внедренные и находящиеся на стадии внедрения в настоящее время работы, выполненные с участием ИХТРЭМС:

• технология алюмокремниевого коагулянта-флокулянта из нефелина для очистки природных, сточных и сбросных вод (ОАО «Апатит», г.Кировск; ОПЗ «Минудобрения», ОАО «Карельский окатыш», г.Костомукша);

• технология взрывчатых веществ (Акватол Т-20ГК, Гранулит-АК и Нитранит) (ОАО «Апатит», г.Кировск);

• технология циркониевого порошка (ПО «Маяк», г.Саров);

• схемы и технологические режимы переработки отходов бадделеитового производства (рис.1) (ОАО «Ковдорский ГОК», г.Ковдор);

Рис. 1. Промышленная установка по химической очистке некондиционного бадделеитового концентрата

• кислотная технология сфенового концентрата с получением сорбентов, пигментов и дубителя для кож (ОАО «Апатит» (рис.2) (г.Кировск);

• организация производства особо чистого кобальта (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

• технология очистки никелевых рафинатов цеха электролиза никеля от свинца с использованием метода электролиза (ОАО «Кольская ГМК»);

• экстракционная переработка некондиционных растворов производства меди с очисткой от цинка (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

• выделение осмия из отработанной анионообменной смолы путем гидротермальной обработки (ОАО «Кольская ГМК», г.Мончегорск);

• технология высокоемких натриетермических танталовых и ниобиевых конденсаторных порошков (г.Апатиты);

• технологии сварочных материалов на основе минеральных концентратов и продуктов их переработки (ОАО «ПО «Севмаш», г.Северодвинск; ОАО «Апатит», г.Кировск; ОАО «СМЗ», г.Соликамск);

• технология титанофосфатного сорбента из сфена (ОАО «Апатит»).

Ряд технологически передовых работ института рекомендуется для реализации в промышленности:

• получение минеральных пигментов из сфенового, эгиринового концентратов и золоуносов тепловых станций (ОАО «Апатит» и «Апатитская ТЭЦ»);

• технология комплексной переработки нефелина и нефелинсодержащих хвостов (ОАО «ЛГОК» и ОАО «Апатит»);

• технология сплавов, содержащих фосфор (медь-фосфор, железо-фосфор и др. на основе фосфатного сырья региона);

• технология высокоэффективных огнеупорных и строительных материалов (бетоны, комплексные вяжущие, керамические материалы, глазури, стекла, стеклокристаллические и другие материалы) на основе горнопромышленных отходов обогащения и нерудного сырья оливинитов Ковдорского флогопитового, Сопчеозерского хромитового и Хабозерского месторождений, металлургических шлаков и др.

В последние годы опережающее развитие в Институте получили работы по материаловедению, в первую очередь разработка научных основ получения материалов для электронной техники и других наукоемких производств. Успех на рынке высоких технологий в XXI в. в значительной степени будет обусловлен прогрессом в получении новых функциональных материалов. Так, сегнетоэлектрические кристаллы формируют многие новейшие направления электроники, акусто- и оптоэлектроники, лазерной техники, систем связи и автоматики, оптических запоминающих сред, технологии обработки материалов и медицинской техники. Наши работы в области материаловедения включают: совершенствование методов получения известных материалов и синтез новых на основе чистых металлов и их соединений, в том числе специальные керамики и монокристаллы с сегнетоэлектрическими, сегнетомагнитными и суперионными свойствами; высокотемпературные и традиционные сверхпроводники; конденсаторные материалы; композиционные материалы с металлической или керамической матрицей и покрытием из редких металлов или соединений на их основе; высокочистые щелочные, редкие, в т.ч. редкоземельные, металлы и их соединения; селективные сорбенты; катализаторы для органических производств. В частности, проведено систематическое изучение большого количества систем с фторидами и оксидами ниобия и тантала. В совокупности с процессами получения, экстракционного разделения и очистки ниобия и тантала эти исследования позволили создать технологию синтеза высокочистых танталата и ниобата лития для нужд электронной техники. Технология отработана в опытно-промышленном масштабе на созданной в Институте установке и реализована на заводе материалов электронной техники (ОАО «Северные кристаллы», г.Апатиты) (рис.3).

Предложен алгоритм и разработаны методы синтеза нано- и микроразмерных порошков стехиометрических метатитанатов стронция, бария, свинца, метаниобатов и метатанталатов щелочных

Рис.3. ОАО «Северные кристаллы»

п 1

Рис. 2. Опытно-промышленная установка «Пигмент» на ОАО «Апатит» для проверки химических технологий

элементов, твердых растворов на основе этих соединений, а также способы получения эпитаксиальных пленок метаниобата и метатанталата лития на изоструктурных подложках. Найден метод управления крупностью получаемых наноразмерных порошков.

Ведется широкий поиск новых типов ниобиевых и танталовых соединений с целью обнаружения материалов с интересными электрофизическими свойствами. Исследованы закономерности формирования свойств монокристаллов ниобата и танталата лития, как практически чистых, так и целенаправленно легированных примесями других элементов. В зависимости от характера влияния на электронную систему примесей, некоторые из них приводят к диэлектрическим, пьезоэлектрическим и спектральным аномалиям. Большой интерес представляют выполненные работы по повышению стойкости сегнетоэлектрических материалов к лазерному излучению. Установлено, что кристаллы ниобата лития конгруэнтного состава при легировании катионами малого радиуса в определенном диапазоне концентраций примесей обладают повышенной стойкостью к повреждению лазерным излучением и по своим оптическим характеристикам близки к кристаллам стехиометрического состава, выращивание больших размеров которых в производстве затруднено. Практические результаты основаны на глубоких теоретических исследованиях.

Работы металлургов ИХТРЭМС по танталовым и ниобиевым объемно-пористым конденсаторам, являющимся неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, создают предпосылки для поддержания передовых позиций России в этой сфере наукоемкой индустрии. Для улучшения массогабаритных и электрических характеристик отечественных конденсаторов и существенного снижения расхода металла необходимы танталовые или ниобиевые порошки с удельным зарядом на уровне от 20000 мкКл/г (некоторые

В Институте разработана и освоена в опытном производстве технология высокочистых соединений ниобия, тантала и на их основе высокоемких натриетермических конденсаторных порошков с удельным зарядом до 80000 мкКл/г, не имеющих аналогов в отечественной практике. Опытно-промышленные партии порошков, наработанные в КНЦ РАН, используются отечественными предприятиями для выпуска серийной продукции и создания новых конденсаторов с улучшенными параметрами.

Разработанный в Институте на этой основе композиционный материал (рис.5) использован (ВНИПИЭТ) при проектировании нового поколения транспортных упаковочных комплектов. При этом коэффициент полезной загрузки увеличился в 1.5 раза за счет большей эффективности нейтронной защиты и меньшего удельного веса нового материала.

Исследования, проводимые в области металлургии, позволили получить новые материалы, в том числе с повышенными радиационно-защитными, триботехническими и механическими свойствами. Так, композиция алюминий-бор эффективна для защиты от излучения при транспортировке отработанного ядерного топлива.

Новизна разработанных технологий переработки сырья и получения новых материалов подтверждена примерно 500 авторскими свидетельствами и патентами, выданными ИХТРЭМС за последние 25 лет. Фундаментальные исследования позволили разработать целый ряд технологий, на основе которых уже в настоящее время выпускается наукоемкая продукция высокой стоимости.

Об уровне полученных результатов свидетельствует награждение сотрудников Института орденами и медалями РФ, присуждение в последние годы почетных званий «Заслуженный деятель науки», «Заслуженный химик», «Заслуженный металлург», «Заслуженный изобретатель», двух Государственных премий, Премии Правительства РФ и премий РАН им.Л.А.Чугаева и В.А.Коптюга. Институт активно участвует в выполнении фундаментальных исследований по приоритетным направлениям развития науки, финансируемых Российским фондом фундаментальных исследований, Президиумом и Отделениями РАН, в рамках федеральных целевых научно-технических программ (ФЦНТП) и важнейших инновационных программ федерального значения. Ежегодно количество выполняемых проектов, в том числе около 10 международных, превышает 40. За последние 5 лет опубликовано 16 монографий, отражающих фундаментальные и прикладные результаты исследований института. Многие разработки отмечены медалями и грамотами всероссийских и международных выставок.

конденсаторы приведены на рис.4).

Конденсаторы К52-7А-1 с анодами из агломерированного порошка ИХТРЭМС

Конденсаторы типа К53, изготовленные из опытных партий высокоемкого натриетермического порошка

Рис. 4. Конденсаторы, изготовленные с использованием полученных в ИХТРЭМС танталовых порошков, и образец самого порошка

Рис.5. Образцы изделий из композиционного материала Al-B

В целом можно констатировать, что в Институте сформирован пакет как крупномасштабных технологических разработок, требующих значительных капитальных вложений для их реализации, так и малых высокоэффективных проектов. Базовый пакет позволяет в конкретной ситуации осуществить выбор оптимального варианта, отвечающего любым заданным критериям отбора: экономической эффективности, экологической безопасности, доступности реагентов, возможности получения продуктов требуемого ассортимента и качества.

Многие предлагаемые к реализации проекты могут и должны внедряться с участием базовых промышленных предприятий Мурманской обл., что может стать основой для диверсификации производства и создания сети малых предприятий. Реализация хотя бы части разработанных в КНЦ РАН технологий может обеспечить в достаточно короткие сроки значительное повышение эффективности использования уникальных природных богатств Кольского п-ова. Принципиально новый подход к проблеме рационального использования природных ресурсов ориентирован на создание в регионе всей цепочки производств от горно-обогатительных до производящих конечную наукоемкую продукцию. Последняя определяет уровень технического прогресса в промышленности. Это должно позволить не только сохранить высокий сырьевой потенциал региона, но и поднять его на новый уровень, обеспечивающий выход как на российский, так и на мировой рынок, прежде всего на рынок редкометалльной продукции, сварочных, строительных, пигментных и других материалов. Нами рассмотрены перспективы вовлечения нетрадиционного титанового, редкометалльного и алюмосиликатного сырья в промышленную переработку путем создания регионального обогатительнометаллургического комплекса, что позволит улучшить экономическую безопасность страны и обеспечить производство конкурентоспособной продукции, включая стратегические материалы. При этом будут реализованы высокие малоотходные технологии производства современных материалов. Важно отметить, что при этом дальнейшее развитие горнопромышленного комплекса и решение социально-экономических проблем региона может осуществляться без увеличения нагрузки на окружающую среду и ухудшения экологической обстановки.

Институт является одним из инициаторов создания в России на базе редкометалльного сырья Кольского п-ова «Ассоциации национальных производителей и потребителей стратегических материалов», в рамках которой предполагается организация регионального Центра стратегических материалов, призванного решать проблемы, обозначенные выше.

Основные приоритетные направления деятельности ИХТРЭМС: 1) сырьевое и 2) материаловедческое.

1. Разработка и обоснование технологии комплексной переработки минерального сырья

• Алюмосиликатное: технологии нефелинов, сынныритов, рисчорритов, эвдиалита и др. с получением металлургического и специальных форм глинозема, кремнеземных продуктов, соды поташа, бесхлорных видов минеральных удобрений, реагентов для очистки воды, сорбентов, фосфатных связующих, компонентов взрывчатых веществ, составов для закрепления пылящих поверхностей, соединений редких металлов.

• Титановое и редкометалльное: гидро- и пирометаллургические технологии лопарита, перовскита, сфена, ильменита, титаномагнетита и др. сырья с получением диоксида титана, композиционных пигментов, сорбентов, сварочных материалов, соединений ниобия, тантала, редкоземельных элементов, металлических продуктов и др. попутной продукции.

• Медно-никелевое: технологии никельсодержащего сырья и отходов медно-никелевого производства. Физико-химическое обоснование новых вариантов технологии. Внедрение экстракционных процессов

извлечения и очистки цветных металлов. Получение новых технических материалов, включая рений, редкие металлы и др. продукты, из отходов производства и жаропрочных сплавов на никелевой основе.

• Технологии строительных и огнеупорных материалов на основе нерудного и техногенного сырья, вскрышных пород, отходов обогащения руд и переработки минеральных концентратов с получением огнеупоров и керамических материалов, бетонов различного функционального назначения и др. продуктов.

• Разработка базового пакета технологий комплексной переработки минерально-сырьевых ресурсов Кольского п-ова для обоснования выбора рациональных схем и создания эффективных малоотходных производств.

2. Стратегические материалы на основе продуктов переработки комплексного минерального сырья

• Функциональные материалы, в том числе наноматериалы, для опто- и акустоэлектроники. Материалы интегральной и лазерной оптики с периодически поляризованными субмикронными и нанодоменными структурами на основе активно-нелинейных кристаллов ниобата лития, активированные редкоземельными элементами.

• Методы создания наноразмерных порошков сложных оксидов узких гранулометрических классов для нового класса нелинейных оптических материалов, электротехнической и оптической керамики с улучшенными свойствами.

• Методы создания микро- и нанопорошков металлов для нужд специальной техники. Процессы металлотермические и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза высокочистых мелкодисперсных порошков и сплавов сложного состава. Применение методов механического легирования для получения нанопорошков различного назначения. Создание гетерометаллических систем методами конденсации из растворов и твердой фазы. Разработка материалов с особыми свойствами на основе наноструктур.

• Наноразмерные покрытия карбидов и нитридов молибдена для каталитических систем, совмещенных с использованием микроструктурированного реактора.

• Методы получения фотокаталитически активных материалов на основе наноразмерных порошков диоксида титана.

• Методы получения материалов для специальных керамик, высококачественных полирующих смесей на основе наноразмерных порошков диоксида церия.

• Методы получения и использования наноструктурированных сорбентов на основе гидратированного фосфата титанила для дезактивации жидких радиоактивных отходов, сорбции цветных металлов из стоков металлургических и гальванических производств, извлечения редкоземельных элементов из растворов переработки хибинского апатитового концентрата на минеральные удобрения и других задач.

• Сварочные материалы нового поколения для экстремальных условий эксплуатации.

Повышение эффективности работы ИХТРЭМС мы видим в концентрировании научных исследований в соответствии с основными приоритетными направлениями развития российской науки в целом при обязательной персональной оценке деятельности каждого научного сотрудника и каждой научной группы. Важную роль мы отводим усилению работы с молодежью путем активного взаимодействия с высшей школой и привлечения к научной работе старшекурсников базовых кафедр Апатитского филиала МГТУ и Кольского филиала Петрозаводского университета через учебно-научный центр «КНЦ РАН - Университеты», а также расширения подготовки в аспирантуре, в том числе без отрыва от производства. Мы многое делаем для усиления взаимодействия с ведущими отечественными и зарубежными научными организациями и крупнейшими предприятиями региона: ОАО «Апатит», ОАО «Ковдорский ГОК», ООО «Ловозерский ГОК», ОАО «Северные кристаллы» и др., а также с Технопарком Апатиты, Региональным центром трансфера технологий - как ключевыми звеньями практической реализации наших технологических разработок. Технологические разработки, выполненные Институтом совместно с предприятиями региона, могут стать основой их успешного развития на ближайшие годы.

Хорошей предпосылкой создания химических производств в регионе является совпадение интересов как производителей сырья, так и потребителей потенциальных продуктов их переработки. При этом нельзя упускать из вида большую социальную значимость новых производств. В целом можно констатировать, что в Мурманской обл. имеются благоприятные факторы для создания и развития химических предприятий. Практическая реализация концептуальной схемы института по переработке нетрадиционного сырья обеспечит не только производство дефицитной продукции, включая стратегические материалы, но и снижение общей нагрузки на окружающую среду за счет утилизации значительной части не используемых в настоящее время техногенных отходов.