Осенью 2000 года ученые Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук А. Кременецкого начали уникальный технологический эксперимент. Впервые в мире на вершине действующего вулкана идет строительство опытно-промышленной установки. С ее помощью исследователи надеются получить из вулканического газа стратегически важный и редкий металл рений.
Зачем нужен рений?
Редкие металлы потому и называются редкими, что их содержание в земной коре очень мало. Всего известно около 40 таких элементов. Часть из них заключена в минералах. Другая часть представляет собой так называемые рассеянные редкие металлы. Как показывает уже само название, они не формируют собственных месторождений, а присутствуют в виде примесей в других рудах: германий — в углях, висмут — в медных рудах, галлий — в бокситах…
Рений — металл, который до последнего времени считался рассеянным. В природе он встречается в основном в виде примесей в молибдените. Минералы же рения — например, джезказганит — настолько редки, что представляют собой научную ценность.
Между тем высокопрочные сплавы для космической и авиационной техники без рения немыслимы. Добавка всего от 4 до 10 % рения позволяет им выдерживать температуры в 2000 градусов и более без потери прочности. Именно из рениевых сплавов изготавливают ныне корпуса и лопасти турбин, сопла двигателей ракет и самолетов.
Кроме того, рений используют в нефтехимической промышленности — в биметаллических катализаторах при крекинге и риформинге нефти. Применяется он также в электронике и электротехнике — здесь из него делают термопары, антикатоды, полупроводники, электронные трубки…
Впрочем, до недавнего времени об уникальных свойствах рения практически ничего не знали. Скажем, за период с 1925 по 1967 год вся мировая промышленность израсходовала всего 4,5 тонны рения. Ныне же потребность только США составляет около 30 тонн в год. И спрос все растет…
Дорого не только золото
Однако рений — очень ценный металл. Стоимость даже неочищенного сырья — перрината калия — оценивается на мировом рынке по 800 долларов за килограмм. Очищенный рений стоит и того дороже: в зависимости от степени очистки его цена поднимается до 900 долларов за грамм.
Долгое время его получали исключительно как побочный продукт производства меди и молибдена. При обжиге медного или молибденового концентрата рений в виде оксида вылетает из печных труб. Его улавливают фильтрами и пропускают через серную кислоту. Образуется перринат калия, из которого затем и выделяют чистый рений.
В 1990 году Советский Союз использовал порядка 10 тонн рения, из которых 70 % — в авиации, 5 % — в нефтехимии, 5 % — в электронике и 20 % — в других отраслях.
Однако потом случилась незадача. В СССР основным потребителем рения и его соединений была РСФСР (около 70 % суммарного потребления), а производителем — Казахская ССР (более 70 % суммарного производства). Вообще по запасам рения казахи стоят на втором месте в мире после американцев. И после развала СССР они резко подняли цены на рениевое сырье.
Примерно такое же положение и с другими месторождениями. Ведь кроме медистых песчаников Джезказганского месторождения, для получения рения использовали медно-молибденовые месторождения в Узбекистане и Армении, а также на крупнейшем в мире медно-молибденовом месторождении Эрдэнэт в Монголии.
В общем ныне на долю России остались лишь три мелких месторождения в Читинской области и на Кавказе. Разработка их нерентабельна — так что сырьевая рениевая база России сейчас на нуле.
Пока наши промышленники выходят из положения, договариваясь с бывшими соотечественниками из Узбекистана и Казахстана и получая рений в порядке обмена на другие товары. Но этот способ ненадежен. При малейших международных осложнениях мы можем лишиться стратегически важного сырья. Нужно было искать иной выход из положения. Теперь он найден.
Месторождение в кратере
Рений в виде минерала обнаружен нашими учеными в ходе одной из экспедиций, которые ежегодно организует Институт вулканологии и геодинамики РАН под руководством Г. Штейнберга, привлекая специалистов из Новосибирска, Москвы и других научных центров России. И вот в 1992 году сотрудники Института экспериментальной минералогии (он находится в городе Черноголовка, под Москвой) и Института геологии рудных месторождений (Москва) на вершине вулкана Кудрявый на острове Итуруп Южнокурильской гряды в местах выхода вулканического газа нашли новый минерал — рениит. Содержание рения в нем достигает 80 %. Стало быть, из него можно получать рений. А еще лучше и проще использовать в качестве сырья прямо выходящий из-под земли газ.
Вулкан Кудрявый высотой 986 м — так называемого гавайского типа — отличается довольно покладистым нравом: он не взрывается, а тихо тлеет.
На его вершину, как рассказывают вулканологи, можно взобраться и даже без особых опасений заглянуть в его кратер. При этом в темную ночь можно увидеть в глубине раскаленную ярко-красную лаву, бурлящую, словно вода в котле. За последние сто лет она ни разу не прорывалась на поверхность — видимо, кратер хорошо продувается газами…
Вот почему именно Кудрявый и был выбран в качестве экспериментальной площадки для строительства завода.
Кроме того, здесь расположены 6 так называемых фумарольных полей — площадок размером 30x40 метров с большим количеством мест выхода газа. Из них четыре — высокотемпературные; вулканические газы в них имеют температуру от 500 до 940 градусов по Цельсию. Только на таких «горячих» полях и образуется минерал рениит. Там, где холоднее, рениита намного меньше, а при температуре ниже 200 градусов он практически отсутствует.
Исследователи установили с помощью специально сконструированных приборов, что рения непосредственно в вулканическом газе содержится около одного грамма на тонну. За одни сутки вулкан выбрасывает в атмосферу около 50 тыс. т газов или за год — 20 т чистого рения. Это с лихвой хватит всей нашей промышленности и даже еще останется.
Кроме того, ученые обнаружили, что в вулканических газах, кроме рения, содержится по меньшей мере десяток других редких элементов: германий, висмут, индий, молибден, золото, серебро…
Технологическая схема процесса концентрирования рения на фумарольных полях вулкана Кудрявый.
Металл из газа
Каким же образом будут добывать рений на вулкане?
Наши специалисты разработали и в 1999 году запатентовали технологию извлечения рения, попытавшись имитировать природный процесс осаждения сульфида рения в местах выхода высокотемпературных вулканических газов.
На пути газа они решили поставить улавливатели, на которых сульфид рения осаждался бы в виде тоненьких иголочек, как на вулканическом кратере. В качестве носителей, адсорбирующих на себе сульфид рения, использовали природные минералы цеолиты, имеющие очень большую пористость — около 2 кв. м на 1 г цеолита. А довольно крупное месторождение цеолитов есть на Сахалине — не так уж далеко от вулкана.
Опытная проверка технологии в лаборатории показала, что она намного проще и дешевле традиционного способа извлечения рения из молибденовой руды.
В 2000 году наши специалисты собрали деревянную пирамиду с площадью основания около 9 кв. м. Ею, словно воронкой, вскоре должны накрыть одно из небольших фумарольных полей. Из вершины пирамиды в сторону будет отведена десятиметровая труба. А поскольку газ из вулкана выходит под очень низким давлением, для создания дополнительного напора в конце трубы планируется поставить вентилятор-дымосос. Газ пройдет по трубе и попадет в емкость с цеолитом. Цеолит далее будет промываться серной кислотой, которую тоже попытаются получать прямо на месте из чистой вулканической серы. Затем сернокислый раствор, содержащий рений, прогонят насосами через ионообменную смолу.
За месяц ученые надеются получить на первой установке килограмм калиевой соли рениевой кислоты, из которой можно выделить 500–700 г чистого рения. Опытно-промышленная установка предусматривает сезонную работу с годовым объемом добычи рения около 280 кг.
Если все получится согласно расчетам, то вскоре деревянный купол заменят бетонным. И хотя строительство в этих краях стоит недешево — ведь все необходимое оборудование и сырье придется доставлять вертолетами, — за два года работы промышленная установка должна себя полностью окупить. А потом начнет давать чистую прибыль.
Виктор ЧЕТВЕРГОВ