CC BY
16
Сведения об авторах
Нечаев Андрей Валерьевич
кандидат технических наук, генеральный директор, ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия anechaev@rusredmet ru Поляков Евгений Георгиевич
доктор химических наук, профессор-консультант, ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия ev-polyakov@mail.ru
Nechaev Andrej Valer'evich
PhD (Engineering), general Director, LTD "NPK Rusredmet", Saint Petersburg, Russia anechaev@rusredmet. ru Polyakov Evgenij Georgievich
Dr. Sc. (Chemistry), Consulting Professor, LTD "NPK Rusredmet", Saint Petersburg, Russia ev-polyakov@mail.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.80-84 УДК 546.28 : 621 : 82 : 88
ИССЛЕДОВАНИЯ ИНСТИТУТА ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ИМ. И. В. ТАНАНАЕВА ФИЦ КНЦ РАН В ИНТЕРЕСАХ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ РОССИИ
А. И. Николаев
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
Аннотация
Рассмотрен ряд вопросов, касающихся направлений работ ИХТРЭМС ФИЦ КНЦ РАН в области химической технологии и материаловедения. Многолетние исследования, выполненные в институте, позволили создать научные основы переработки минерального сырья Мурманской области. Был разработан оригинальный базовый пакет комбинированных схем гидрометаллургического передела, позволяющий выполнить выбор оптимального варианта переработки различных типов сырья, отвечающего любым заданным критериям отбора по номенклатуре и качеству конечной продукции. Разрабатываемые основы комплексной переработки минерального сырья включают направления развития Кольского химико-технологического кластера. Ключевые слова:
комплексное минеральное сырье, базовый пакет технологий, функциональные материалы, химико-технологический кластер, устойчивое развитие региона.
STUDIES OF I. V. TANANAEV INSTITUTE OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF RARE ELEMENTS AND MINERAL RAW MATERIALS OF THE FEDERAL RESEARCH CENTRE "KOLA SCIENCE CENTRE OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES" FOR THE SUSTAINABLE DEVELOPMENT OF CHEMICAL INDUSTRY IN THE RUSSIAN ARCTIC
A. I. Nikolaev
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
A number of issues regarding basic lines activity of ICT KSC RAS in the field of chemical technology and materials science have been considered. Long-term research carried out at the Institute has created a scientific basis for processing of Kola mineral resources. There has been developed an original basic package of flow sheets for the process, permitting to select the optimal variant for different kinds of raw materials and turning out products meeting any requirements in both nomenclature and quality. Technologies for the comprehensive utilization of mineral sources include trends in the development of the Kola chemical-technological cluster. Keywords:
complex resources, basic package of flowsheets, functional materials, chemical-technological cluster, sustainable development of Kola Peninsula.
В Арктической зоне России, в которую полностью входит Кольский полуостров как один из наиболее развитых российских регионов Арктики, сосредоточена значительная часть запасов минеральных ресурсов страны. Именно для их изучения, добычи и переработки в 1930 г. было создана Кольская база Академии наук СССР, превратившаяся в конце 2017 г. после очередного переименования в крупнейший за чертой полярного круга научный центр — Федеральный исследовательский центр Кольского научного центра РАН (ФИЦ КНЦ РАН). Он включает 7 обособленных подразделений и 3 филиала. ИХТРЭМС является самым крупным научным подразделением ФИЦ КНЦ РАН. Шестидесятилетняя история существования Института химии — это история появления и развития химических производств с использованием регионального сырья. До сих пор он остается единственным институтом в структуре РАН по химии и технологии редких элементов, минерального сырья и строительных материалов.
Разработанная на федеральном уровне стратегия развития Арктики и северных территорий РФ на ближайшие годы ориентирует нас на реализацию инновационных технологий, обеспечивающих устойчивое развитие арктических регионов, производство материалов и техники, способных сохранять рабочие характеристики машин и оборудования при экстремально низких температурах, обеспечить приемлемые условия жизни и работы людей в таких условиях и сохранить хрупкое экологическое равновесие в Арктике [1-3]. В решении выездного заседания Комитета Совета Федерации России по делам Севера и малочисленных народов, прошедшем в Мурманске 20 октября 2011 г. и посвященном реализации государственной политики в области социально-экономического развития Арктической зоны России, было отмечено, что Мурманская область является точкой роста для Арктики [4].
Роль северных месторождений с утвержденными запасами сырья и крупных промышленных проявлений сырья, требующих дополнительного подтверждения запасов, со временем будет только повышаться по мере выработки эксплуатируемых в настоящее время месторождений. Разведанные и прогнозные ресурсы минерально-сырьевой базы Мурманской области достаточны для удовлетворения потребностей оборонно -промышленного комплекса (ОПК) страны в таких стратегических металлах, как ниобий, тантал, лантан, церий, неодим, празеодим, иттербий, иттрий, литий, рубидий, цезий, цирконий, гафний, платина, палладий, хром, титан, ванадий, медь, никель, кобальт, алюминий, фосфор [5]. Сырье Кольского полуострова в значительной мере представлено комплексными рудами, имеющими сложный химический состав и требующими разработки специальных технологий обогащения и переработки. Часть перечисленных ресурсов, сосредоточенных в мегаместорождениях, добывается и экспортируется из региона в виде товарных концентратов крупными горно -рудными компаниями АО «Апатит», «Ковдорский ГОК», «Северо-Западная фосфорная компания», ООО «Севредмет». АО «Кольская горно-металлургическая компания» (КГМК) не только добывает сырье, но и перерабатывает его с получением цветных металлов, а также серной кислоты из отходящих сернистых газов. Другая часть редкометалльных ресурсов локализована в Ловозерском районе в месторождениях малого и среднего масштаба, удаленных от действующих ГОКов на 80-130 км; эта группа ресурсов нерентабельна в условиях современной рыночной конъюнктуры, но пригодна для форсированной отработки мобильными модульными горно-обогатительными комплексами при возникновении дефицита редких металлов [5].
Важным преимуществом ФИЦ КНЦ РАН является наличие в его структуре институтов по геологии, горному делу, химии, промышленной экологии, экономике, что позволяет проводить комплексные исследования от месторождения до готовой продукции. При этом эффективность работы ФИЦ КНЦ РАН определяется уровнем координации междисциплинарных исследований между его подразделениями, обеспечением необходимого уровня фундаментальных и прикладных научных исследований по созданию современных научных и геоинформационных основ управления арктическими территориями.
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья. Истоки появления и развитие
Изучение минерально -сырьевой базы Кольского полуострова потребовало развития химико-аналитических и технологических исследований, которые начинались в Геологическом институте и лишь спустя четверть века привели к организации института химии. На начальной стадии развития института приоритетной была задача разработки химико-технологических основ переработки сырья арктического региона. Среди подготовленных и внедренных в производство в Мурманской области находятся многие десятки разработок ИХТРЭМС, связанные с получением материалов различного назначения [6].
Первая крупная разработка ИХТРЭМС — сернокислотная технология лопаритового концентрата из руд Ловозерского ГОК — была реализована в опытно-промышленном масштабе в 1968 г. на площадке ЛГОК (пос. Ревда, Мурманской области) и на следующий год уже внедрена на Сланцехимическом заводе (г. Силламяэ, Эстония). В течение двух с половиной десятилетий данная технология обеспечивала основные потребности промышленности СССР в соединениях тантала, ниобия, РЗМ, а также кожевенную промышленность страны экологически безопасными титановыми дубителями. На ОАО «Севредмет» по разработкам ИХТРЭМС были также реализованы опытные производства металлического цезия и рубидия высокой чистоты и лазерных монокристаллов фосфатов [5].
Научный и экспериментальный потенциал ИХТРЭМС в кооперации с кадровым, осуществляемым в том числе вузами Мурманской области, обеспечил научное сопровождение промышленного производства высокотехнологичных спецматериалов на основе редкометалльного сырья кольских месторождений в построенном в 1990-е гг. в г. Апатиты заводе радиоматериалов ОАО «Северные кристаллы». Крупным достижением института явилось создание в г. Мончегорск завода силикатного кирпича из отходов обогащения Оленегорского ГОКа.
На АО «КГМК» с участием Института были внедрены производство особо чистого кобальта, технология очистки никелевых рафинатов цеха электролиза никеля от свинца с использованием метода электролиза, экстракционная переработка некондиционных растворов производства меди с очисткой от цинка, выделение осмия из отработанной анионообменной смолы путём гидротермальной обработки и ряд разработок по снижению вредных выбросов и очистке стоков. Использование разработанных в ИХТРЭМС схем и технологических режимов переработки отходов бадделеитового производства позволило в 1,5 раза увеличить выпуск кондиционного бадделеитового концентрата на АО «Ковдорский ГОК». В числе реализованных разработок ИХТРЭМС на АО «Апатит» можно отметить технологии алюмокремниевого коагулянта-флокулянта из нефелина для очистки природных, сточных и сбросных вод, взрывчатых веществ (Акватол Т-20ГК. Гранулит-АК и Нитранит), кислотной переработки сфенового концентрата с получением сорбентов и пигментов, сварочных материалов на основе минеральных концентратов [6].
Последняя работа позволяет реализовать выявленные резервы и разработанные новые подходы и технологии сварочных материалов, решать задачи повышения эксплуатационных характеристик металла сварных швов, прежде всего высокопрочных хладостойких сталей, предназначенных для освоения районов Крайнего Севера, Сибири и Арктического шельфа России. Запасы доступного уникального сырья Кольского полуострова и отходов горнопромышленных производств Северо-Запада России достаточны для удовлетворения перспективных потребностей страны в сварочных материалах на длительную перспективу и обеспечения производства конкурентоспособных покрытых электродов и сварочных флюсов [7].
Востребованность новых продуктов из сырья региона связана с реальным состоянием отечественной промышленности, определяющей потребности внутреннего рынка. Поэтому наблюдаемое в последние годы снижение удельных показателей потребления на душу населения отдельных материалов, относящихся к индикаторам состояния промышленности (например, редких и цветных металлов, диоксида титана, строительных материалов и др.), свидетельствуют о переживаемых отечественной промышленностью трудностях, которые привели к сокращению производства.
Наработанные институтом результаты исследований по химии и технологии сырьевых ресурсов Кольского полуострова позволили создать базовый пакет технологий, который можно использовать для выбора рациональных схем переработки концентратов с выпуском продуктов требуемого качества и востребованных на рынке [8]. Ориентация разрабатываемых технологий на выпуск широкой номенклатуры продуктов позволит производить наиболее востребованные на рынке и учитывать конъюнктуру их стоимости, что снизит риски предприятий и повысит устойчивость их развития.
Перспективы развития Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья
Абсолютное большинство исследований в институте, выполняемых по планам государственных заданий, проектам ПРАН и других фондов, связано с арктической тематикой. Будущее института, безусловно, требует дальнейшего развития фундаментальных основ химической технологии разнообразного сырья арктического региона и разработки экономически и экологически эффективных схем с выходом их на высокотехнологичные продукты для современных передовых отраслей промышленности. Это продукция из перечня конструкционных и стратегических материалов, обеспечивающих обороноспособность страны, — цветные, редкие, благородные, черные металлы, их соединения, материалы для электронной техники, катализа, сорбции и других целей.
В последние годы опережающее развитие в институте получили работы по материаловедению, прежде всего, по синтезу материалов для наукоемких производств. Успех на рынке высоких технологий в XXI в. в значительной степени связан с прогрессом в получении новых функциональных материалов. Организатором научной школы материаловедения в ИХТРЭМС стал академик В. Т. Калинников. Работы в области материаловедения включают совершенствование методов получения известных материалов и синтез новых на основе чистых металлов и их соединений, включая 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 том числе редкоземельные металлы, и их соединения; селективные сорбенты; катализаторы для органических производств [9]. Предложен алгоритм и разработаны методы синтеза нано- и микроразмерных порошков стехиометрических метатитанатов стронция, бария, свинца, метаниобатов и метатанталатов щелочных 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. Работы металлургов института по танталовым и ниобиевым объемно-пористым конденсаторам, являющимся неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, представляют практический интерес. Для улучшения массо-габаритных и электрических характеристик отечественных конденсаторов и существенного снижения расхода металла необходимы танталовые или ниобиевые порошки с удельным зарядом на уровне от 20000 мкКл/г. В институте разработана и освоена в опытном производстве технология высокочистых соединений ниобия, тантала и на их основе высокоёмких 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 [9]. Практические результаты наших материаловедческих работ основаны на глубоких теоретических исследованиях.
Большой блок работ института связан с получением материалов для стройиндустрии на основе вскрышных пород, руд, минеральных концентратов, отходов обогащения и химической переработки [10]. Именно стройиндустрия при наличии заказов с ее стороны может и должна привести к заметному снижению количества отходов промышленности.
С 1997 г. на базе ИХТРЭМС функционирует Кольский испытательный центр строительных материалов и изделий (КИЦСМИ), осуществляющий деятельность в области технологического и строительного инжиниринга, оказывая помощь преимущественно предприятиям Мурманской области в оценке качества минерального сырья и строительной продукции, а также обследовании технического состояния зданий и сооружений. КИЦСМИ является на Северо-Западе РФ единственным сертифицированным центром, имеющим аккредитацию надзорных органов. В центре имеется оборудование для проведения климатических испытаний морозостойкости и водостойкости материалов. Центр проводит мониторинг состояния строительных конструкций в арктических условиях. Нам представляется важным создание на базе КИЦСМИ Центра климатических испытаний (ЦКИ) материалов и конструкций в условиях Арктики, используя опыт подразделений ФИЦ КНЦ РАН и их «стартовый капитал» в виде имеющихся испытательных стендов, полигонов и квалифицированных кадров. Научно -методическую и практическую помощь в организации и обслуживании экспериментальных полигонов ЦКИ по изучению коррозии металлических конструкций может оказать ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» им. И. В. Горынина (г. Санкт-Петербург), входящий в НИЦ «Курчатовский институт». При изучении коррозии металлов и конструкций в связи с воздействием электромагнитных полей необходима кооперация с Центром физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, давно изучающим воздействия геоиндукционных токов на ЛЭП, трубопроводы, железнодорожные пути и другие объекты.
Важнейшей первоочередной задачей для ИХТРЭМС становится создание опытной базы для проверки и доработки технологических схем с возможностью получения представительных партий продуктов для испытаний потенциальными потребителями и данных для технологических регламентов, проектирования и строительства промышленных предприятий. Успех выполнения данной задачи определяется концентрированием усилий ИХТРЭМС, других подразделений ФИЦ КНЦ РАН, промышленных предприятий региона, в первую очередь АО «КГМК» и АО «Апатит», администрации Мурманской области по реализации проекта Кольского химико-технологического кластера (КХТК) [11]. Данный кластер должен способствовать переходу промышленности региона от сырьевой экономики к инновационной, что многократно повышает экономические показатели использования сырья за счет значительной разницы в стоимости минеральных концентратов и продуктов их переработки. Дополнительным преимуществом КХТК является более полное использование сырья и, как следствие, сокращение количества отходов и улучшение экологической обстановки в регионе.
В 2016 г. на базе ИХТРЭМС, КНЦ РАН и ООО «Северо-Западный НПТЦ "Социум"» была организована и зарегистрирована первая ячейка КХТК — ООО «Центр синтеза новых функциональных материалов» по федеральному закону 217-ФЗ, предусматривающему внесение научной организацией в качестве уставного капитала в создаваемое предприятие интеллектуальной собственности (патентов РФ). На начальном этапе работы этого предприятия создается опытно-промышленное производство новых титансодержащих сорбентов для решения экологических проблем -- очистки сточных вод цветной металлургии от тяжелых металлов и переработка жидких радиоактивных отходов (ЖРО), накопленных в Арктической зоне России [12]. Этап создания производственной базы данного малого предприятия пока не завершен. Это не позволяет увеличить выпуск партий продуктов для проведения пилотных испытаний по их применению.
Создание КХТК позволит улучшить экономическую безопасность страны и обеспечить производство современной конкурентоспособной продукции, включая стратегические материалы, В частности, может быть восстановлено производство материалов для акусто- и оптоэлектроники в масштабах потребности страны. Важно отметить, что дальнейшее развитие горнопромышленного комплекса и решение социально-экономических проблем региона может осуществляться без заметного увеличения нагрузки на окружающую среду и ухудшения экологической обстановки.
Работа подготовлена при частичной поддержке Программы 35 Президиума РАН «Научные основы создания новых функциональных материалов».
Литература
1. Научно-технические проблемы освоения Арктики. Научная сессия Общего собрания РАН 16 декабря 2014 г. / под редакцией Н. П. Лаверова, В. И. Васильева, А. А. Макоско. М.: Наука, 2015. 490 с.
2. К вопросу построения дорожной карты отечественного арктического материаловедения / В. М. Бузник и др. // Материаловедение. 2017. № 4. С. 8-16.
3. К вопросу построения дорожной карты отечественного арктического материаловедения. Ч. 2 / В. М. Бузник и др.// Материаловедение. 2017. № 5. С. 22-28.
4. Точка роста для Арктической зоны // Хибинский Вестник. 2011. 27 окт.
5. Кольская горно-промышленная корпорация как ключевое звено государственного резерва стратегических материалов / А. Н. Виноградов и др. // Север — 2003: проблемы и решения. Апатиты: КНЦ РАН, 2004. С. 171-180.
6. Калинников В. Т., Николаев А. И. Перспективы развития химических производств на базе сырья Кольского полуострова // Цветные металлы. 2011. № 11. С. 17-24.
7. Калинников В. Т., Николаев А. И., Брусницын Ю. Д. Перспективы использования минерально -сырьевой базы Карело-Кольского региона для производства сварочных материалов и флюсов // Вопросы материаловедения. 2006. № 1 (45). С. 201-211.
8. Калинников В. Т., Николаев А. И. Создание базового пакета технологий для формирования национального резерва стратегических материалов на основе рудно-сырьевого потенциала Кольского полуострова. Формирование основ современной стратегии природопользования в Евро-Арктическом регионе. Апатиты: КНЦ РАН, 2005. С. 174-191.
9. Калинников В. Т., Николаев А. И. ИХТРЭМС КНЦ РАН: шаги в будущее // Вестник КНЦ РАН. 2009. № 1. С. 104-109.
10. Строительные и технические материалы из минерального сырья Кольского полуострова / В. Н. Макаров и др. Апатиты: КНЦ РАН, 2003. Ч. 1, 2. 430 с.
11. Калинников В. Т., Николаев А. И., Герасимова Л. Г. Кольский химико-технологический кластер для решения проблем экономики и экологии Российской Арктики // Север и рынок: формирование экономического порядка. 2014. № 3. С. 21-24.
12. Новые подходы к решению проблемы захоронения радиоактивных отходов в Арктической зоне РФ / А. И. Николаев и др.// Материалы и технологии для Арктики. СПб., 2017. С. 56-67.
Сведения об авторе
Николаев Анатолий Иванович
член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, Институт химии и технологии редких элементов
и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
nikol_ai@chemy.kolasc.net.ru
Nikolaev Anatoly Ivanovich
Corresponding Member of the RAS, Dr. Sc. (Engineering), Professor, I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia nikol_ai@chemy.kolasc.net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.84-89 УДК 535 : 361 : 456.34.882
РОЛЬ ПОРОГОВЫХ ЭФФЕКТОВ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ
М. Н. Палатников, Н. В. Сидоров, И. В. Бирюкова, О. В. Макарова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
Аннотация
Исследованы физико-химические характеристики системы «кристалл — расплав» при выращивании кристаллов LiNbO3 : ZnO в интервале концентраций примеси в расплаве ~ 4,0^9,0 мол. %. Уточнена основная пороговая концентрации примеси (~ 6,8 мол. % ZnO в расплаве), соответствующая существенному изменению условий образования и структуры кристаллов LiNbO3 : ZnO. Методами спектроскопии комбинационного рассеяния света и полнопрофильного анализа рентгенограмм исследована эволюция кристаллической структуры при изменении состава, определены периоды кристаллической решетки и проанализированы модели атомной структуры кристаллов LiNbO3 : ZnO. Ключевые слова:
кристаллы, ниобат лития, легирование, концентрационные пороговые эффекты, модели структуры, полнопрофильный анализ, комбинационное рассеяние света.
THE INFLUENCE OF THRESHOLD EFFECTS ON FORMING OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF STRONGLY DOPED LITHIUM NIOBATE CRYSTALS
M. N. Palatnikov, N. V. Sidorov, I. V. Birukova, O. V. Makarova
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
