Как связать кислород: «Росатом» предложил по-новому перерабатывать сырье редких металлов

Специалисты Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. Бочвара (ВНИИНМ) и Соликамского магниевого завода (СМЗ) предложили использовать для переработки сырья редких металлов новый метод — ​быстрее, дешевле и безопаснее нынешних. Его назвали тиохлорированием. Статью об этом для «СР» написал главный эксперт ВНИИНМ Александр Семенов.

Незаменимый хлор

Хлориды редких элементов более сотни лет используют в качестве исходных веществ для производства металлов с уникальными свойствами. Например, исключительно хлорным методом во всем мире получают металлический титан: его механические свойства сильно ухудшаются из-за содержания кислорода и других неметаллов, от которых удается избавиться при получении хлорида титана. То же относится к цирконию, гафнию, ниобию, танталу и редкоземельным металлам.

Природное минеральное сырье, представляющее собой силикаты и оксиды редких металлов, очень слабо взаимодействует с газообразным хлором, так как слишком прочна связь металлов с кислородом. Уже давно придумали обрабатывать хлором смесь минерального сырья с углеродом: углерод связывает кислород, и все редкие металлы легко переходят в форму хлоридов. Поэтому такой метод правильнее называть карбохлорированием. После него следует стадия металлотермии. Например, металлические титан и цирконий из хлоридов восстанавливают металлическим магнием.

Преимущества серы

Кроме материалов на основе углерода никаких других восстановителей в хлорных технологиях пока не используют. Ученые ВНИИНМ и СМЗ много лет занимались теоретическим и экспериментальным обоснованием технологии хлорирования различного полиметаллического сырья в присутствии серы. Мы назвали этот метод тиохлорированием. Назначение серы при хлорировании то же, что и у углерода, — ​связывать кислород, содержащийся в сырье, способствуя образованию хлоридов редких металлов. В этом году оформлен совместный патент на получение хлоридов титана, циркония и гафния — ​металлов, широко применяющихся в атомной энергетике.

Эксперименты показали, что с серой хлорирование полиметаллического сырья протекает не менее эффективно, чем с углеродом. При этом у технологии есть ряд преимуществ.

Во-первых, сера, в отличие от углерода, образует с хлором летучие хлориды, что позволяет точно дозировать соотношение реагентов в хлорирующей газовой смеси. По причине нелетучести углерода его нужно брать с избытком: часть не прореагирует и перейдет в отходы. Летучие хлориды серы вместе с хлором расходуются более полно, поскольку контакт минерального сырья с хлорирующей смесью и с серой (восстановителем) намного качественнее. За счет этого сокращается расход реагентов.

Во-вторых, использование серы вместо углерода, как оказалось, в ряде случаев позволяет достичь более полного хлорирования сырья редких металлов при более низкой температуре. Это уменьшает коррозионное воздействие на стенки хлоратора и повышает его ресурс, что влияет на капитальные затраты и делает технологию получения хлоридов редких металлов методом тиохлорирования экономически более выгодной.

В-третьих, в России сера в 10 раз дешевле, чем кокс, сажа и любой другой углеродсодержащий материал, поскольку она является побочным продуктом нефте- и газохимии.

Все эти преимущества создают предпосылки того, что хлорирование в присутствии серы может быть намного выгоднее хлорирования с углеродом по многим показателям.

Редкометалльные перспективы

Тиохлорирование может позволить решать задачи, которые сегодня вообще невыполнимы. Например, выделять хлорид циркония из сырья, загрязненного торием, ураном и прочими радиоактивными элементами, оставляя всю радиоактивность в небольшом объеме отходов. Такое сырье непригодно для переработки в традиционном расплавно-солевом хлораторе, использующем в качестве восстановителя углерод.

Когда метод можно будет внедрить в промышленность, сказать пока трудно: данных недостаточно. Дополнительные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы займут не менее двух лет — ​если, конечно, нам удастся в ближайшее время получить финансирование. Мы бы хотели для начала сделать мобильные модульные хлораторы для переработки сложного полиметаллического сырья. Это серьезно облегчило бы и удешевило создание производств целого ряда редких металлов.