О «НьюКем–методе» и «НьюКем – технологиях»
Почему это актуально?
Общим недостатком большинства современных химических и гидрометаллургических технологий является их высокая материало- и энергоемкость. Во-многом, это - следствие несовершенства тех массообменных процессов, которые лежат в их основе. Поясним, о чем идет речь.
Для того чтобы осуществить цепочку переделов и получить из исходного сырья химическую продукцию, необходимо, как известно, сначала осуществить выщелачивание, т.е. перевод в раствор минеральных компонентов этого сырья. Большинство широко используемых в гидрометаллургии методов переработки основаны на разложении минерального сырья концентрированными кислотами с последующим выделением из полученного раствора целевых компонентов. При этом с неизбежностью возникает необходимость удаления из реакционной системы избыточной кислотности для создания условий осадкообразования и фильтруемости рабочих сред. Процесс нейтрализации образующегося сильнокислого продуктивного раствора традиционными методами означает безвозвратные потери как значительной части кислоты, так и дорогостоящего щелочного агента. Кроме того, происходит дополнительное вторичное загрязнение раствора продуктами их взаимодействия. В итоге страдает качество получаемой продукции, а весь процесс становится энергозатратным, многостадийным и трудоемким.
Специалисты знают, что более 30% всех энергозатрат в химической промышленности – это как раз та «лишняя» энергия, которая тратится вынужденно из-за несоответствия реального промышленного процесса теоретически возможному (идеальному). Такая ситуация характерна для целого ряда отраслей, где широко применяется «мокрая» химия, в-частности, - для цветной металлургии.
Типичный пример - кислотные технологии переработки низкокачественного алюминий-содержащего сырья с получением чистого металлургического глинозема. Из-за существующего масштабного дефицита качественных бокситов, пригодных для переработки классическим «байеровским» способом такие технологии являются сейчас весьма актуальными как для России, так и для многих других стран мира. Несмотря на целый ряд привлекательных качеств, кислотные методы в алюминиевой отрасли до сих пор не находят промышленного применения именно из-за повышенного потребления химических реагентов и их повышенной энергоемкости.
Похожие проблемы наблюдаются и в технологиях производства некоторых других цветных металлов, а также стратегически важных редких и редкоземельных элементов. При получении металлов электрохимическим методом трудно, как известно, получить за один передел чистые элементы, соответствующие международным требованиям. Например, почти все предприятия по производству рафинированной меди бывшего Советского Союза не могут сейчас зарегистрироваться на LME как официальные "хорошие" поставщики («Good Delivery») из-за недостаточно высокого качества своей продукции. Причина же проблем с качеством – главным образом, в обычном технологическом загрязнении их рабочих электролитов на стадии рафинирования. В то же время из-за наличия в этих электролитах свободной серной кислоты их очистка представляет из себя весьма непростую задачу. Как правило, производители меди решают её довольно простым, но затратным способом – периодической заменой загрязненного электролита на новый.
Еще пример. В производстве минеральных удобрений, как и в целом в химической промышленности, традиционно слабым звеном является образование смешанных кислых растворов, требующих дальнейшей переработки и утилизации. В ряде случаев большие объемы жидких стоков и шламов приходится хранить в отстойниках, выделяя для них специальные территории с угрозой их разрушения и негативного воздействия на окружающую экосистему либо затрачивать немалые дополнительные средства на их нейтрализацию.
Таким образом, совершенствование и оптимизация массообменных процессов в кислых средах является сегодня одной из наиболее актуальных химико-технологических проблем, решение которой имеет общепромышленное значение.
Как до сих пор решалась проблема?
Если говорить об эффективности указанных выше массообменных процессов, то она определяется следующими взаимосвязанными факторами:
На протяжении десятилетий усилия нескольких поколений ученых и специалистов, инженеров-химиков, технологов были направлены на поиск эффективного решения этих задач.
Одно из таких потенциально привлекательных направлений – термогидролиз образующихся при кислотном разложении минерального сырья солей металлов. В разработках ИХТРЭМС РАН им. И.В. Тананаева, посвященных развитию азотно-кислотного метода переработки нефелина (В.И. Захаров, В.А. Матвеев и др.), предлагается, например, осуществлять гидролиз нитратов натрия и калия и последующий синтез азотной кислоты в специальном высокотехнологичном устройстве – плазмотроне - при температуре свыше 1000 ⁰С. Существенный недостаток такого подхода заключается в очевидной сложности и дороговизне применяемого для его осуществления специального оборудования, а также необходимых для его работы высоких энергозатратах.
Несколько лет назад канадская компания «Orbite Aluminae Inc» заявила о разработке ею кислотного процесса переработки алюмосодержащего сырья на основе термогидролиза хлоридных солей с рециклом соляной кислоты. Существующих в свободном доступе данных и публикаций по данному вопросу пока недостаточно, чтобы делать окончательные выводы об эффективности канадского процесса, однако, учитывая высокую агрессивность паров хлористоводородной кислоты, образующихся в ходе термогидролиза хлоридных солей, понятно, что для его осуществления потребуется весьма дорогостоящее коррозионностойкое оборудование. Кроме того, метод применим только в отношении соляно-кислотного процесса.
В 60-х годах прошлого века в попытках решить характерные проблемы традиционных кислотных методов переработки минерального сырья в США (Hatch M.J, Dillon J.A.) был открыт новый интересный подход, который называется «ионитно-экстракционным методом» или «методом удерживания кислоты» (“Acid retardation”). Метод заключается в том, что при пропускании через анионит смеси кислоты и её соли последние разделяются за счет эффекта более сильного удерживания кислоты в ионите. Разделение раствора производится на поверхности гранул сорбционного материала. При этом, однако, существенная часть полезного продукта все же остается в растворе.
Метод “Acid retardation” долгое время не находил промышленного применения из-за проблем с продольной дисперсией внутри сорбционной колонны. Как было в дальнейшем показано К. Брауном, метод удерживания кислоты становится эффективным для практического применения только при обеспечении специальных условий проведения процесса, позволяющих исключить в слое ионита свободный объем, доступный для перерабатываемых электролитов.
Дальнейшее развитие ионитно-экстракционного метода происходило, таким образом, по пути уменьшения свободного объема перерабатываемого раствора в пространстве между гранулами сорбента. С этой целью в канадской компании EcoTec Inc. (К. Браун и др.) была осуществлена модернизация метода и созданы специальные аппараты, в которых применяется сорбент особого качества с одинаковыми зернами малого размера.
Повышение эффективности раз- деления раствора и извлечения полезного продукта достигается при этом значительным (до 30 атм.) увеличением давления внутри колонны с сорбентом.
В результате гранулы сорбента сплющиваются из сферообразного состояния почти в кубы, чем достигается увеличение сорбционной поверхности, а свободное пространство между гранулами сорбента значительно сокращается.
Недостатками данной модернизации метода “Acid retardation”, названного его авторами «Методом Recoflo”, являются громоздкость, сложность и высокая энергоемкость установки для его осуществления, а также большой расход дорогостоящего сорбционного материала.
В чем состоит подход ООО «НьюКем Текнолоджи»?
Качественный скачок в развитии кислотных методов переработки минерального сырья стал возможен после того, как несколько лет назад в России специалистами компании «НьюКем Текнолоджи» (г. Москва) был изобретен новый уникальный способ проведения массообменных сорбционных процессов разделения электролитов и других водных растворов неорганических веществ (метод «NewСhem»), который лишен указанных выше недостатков AR-метода.
Отличительная особенность метода «NewСhem» по сравнению с методом “Acid retardation” состоит в использовании сорбционной системы с двумя жидкими фазами: водной и органической, что позволяет гораздо более простым способом исключить наличие свободного пространства в разделительной сорбционной колонне, избежав, тем самым, размывающих эффектов за счет продольной дисперсии.
В отличие от метода EcoTec задача увеличения площади соприкосновения раствора с сорбентом и сокращения межгранульного свободного пространства в методе «Newchem» решается при обычном атмосферном давлении путем заполнения пространства между гранулами специальным жидким органическим веществом, отталкивающим проходящий раствор. При пропускании кислотно-солевого раствора через организованную подобным образом сорбционную систему, электролит внедряется на границе между органической жидкостью и поверхностью гранул, образуя наноразмерную динамическую пленку, обволакивающую каждую гранулу сорбента и стекающую по точкам контакта между гранулами. Фактически это приводит к увеличению площади соприкосновения раствора с сорбентом в сотни и тысячи раз и сокращению сорбционного цикла. При этом отсутствуют размывающие эффекты, связанные с влиянием продольной дисперсии, а сорбционный слой стабилизирован в достаточно узком интервале линейных значений. Использование данного механизма позволяет добиться возможности безреагентного отделения на ранней стадии кислоты от солей (с возвратом её в цикл) в образующихся после выщелачивания концентрированных растворах смесей электролитов, что радикальным образом меняет картину происходящего химического процесса. Тем самым, создаются недостижимые ранее возможности для последующего избирательного малореагентного воздействия на рабочий раствор с целью поэтапного выделения содержащихся химических компонентов (для технологии переработки алюминий-содержащего сырья, к примеру, - отделения железа как наиболее близкого по свойствам и загрязняющего алюминий компонента).
Преимуществом нашего подхода является также возможность работы с коллоидными системами, обеспе-чиваемая использованием явления стабилизации перенасыщенных раство- ров малорастворимых веществ в микропорах и плотных слоях сорбционных материалов (IXISS-effect).
НьюКем-метод помогает снизить энерго-емкость процессов двояким образом: с одной стороны он позволяет использовать указанное выше явление изотермического пересыщения и работать с перенасыщенными растворами - без дополнительных затрат энергии на фазообразование, а с другой стороны, он лишен недостатков описанного выше «зажатого слоя» Брауна, требующего высокого давления и больших энергозатрат.
В практическом плане применение метода NewChem дает ключ к существенному упрощению многих технологических схем химической переработки минерального сырья с использованием кислот и существенно повышает экономическую привлекательность таких процессов.
Другой важнейший результат, достигнутый в компании «НьюКем Текнолоджи» и дополняющий метод NewChem – разработка оригинального «кислотно-солевого» способа вскрытия минерального сырья с последующей регенерацией выщелачивающего реагента. Особенность данного способа состоит в том, что процесс разложения осуществляется не с помощью кислоты, а с помощью определенного композитного состава, основанного на смеси этой кислоты с ее солью. В сочетании с NewChem–методом такой подход дает возможность практического создания безреагентных замкнутых циклов переработки во многих важнейших гидрометаллургических и химических процессах, включая и те, о которых шла речь выше. Сейчас многообещающий «кислотно-солевой» метод переработки минерального сырья уже запатентован в России и находится в стадии патентования в ряде других стран.
Что могут дать наши инновации?
Хорошо известно, что прорывные технические инновации возможны только на базе качественно новых научных идей и подходов. В компании «НьюКем Текнолоджи» этот постулат полностью разделяют, поэтому стараются развивать конкурентоспособные химические технологии, опираясь на самые передовые научные достижения.
В этом смысле НьюКем–метод, как эффективный технологический прием, основанный на использовании принципиально нового массообменного процесса, – удачный пример того, как добротная научная идея может привести к весьма полезным практическим результатам, по сути – к улучшению целой группы химических технологий, имеющих дело с кислотно-солевыми растворами.
В течение ряда последних лет в компании «НьюКем Текнолоджи» проведена значительная работа как по отработке теоретических аспектов новых предложенных массообмен- ных процессов, так и инженерному дизайну разработанных технологических решений применительно к разным индустриальным задачам.
Результатом этой работы стали оригинальные научно-технические и инженерные решения, воплощенные в более чем 10 российских и зарубежных патентах, а также прикладные технологические продукты, способные в будущем стать эффективным инструментом в руках производственников.
Подробнее о технологических разработках компании ООО "НьюКем Текнолоджи" с применением НьКем-метода см. в разделах "Технологические разработки", "Патенты".