Ученые разработали технологию переработки отходов калийного производства

11:19, 19 апреля 2021

Она превращает отходы в выгодный товар и предотвращает экологические бедствия

В руках у Александра Черепанова ключевые элементы установки — керамические мембраны. Фото: Карина Голованова.

Группа ученых УрФУ под руководством доцента кафедры экспериментальной физики Александра Черепанова разработала прорывную, не имеющую мировых аналогов технологию переработки жидких отходов добычи калийных удобрений. Жидкие отходы (шламы) калийных производств представляют собой высококонцентрированные растворы хлорида натрия с остаточным содержанием неизвлеченных солей калия, включающие также нерастворимые компоненты скальной породы (песок, глину и т. д.). Высокая минерализация таких отходов (почти в 10 раз соленее морской воды) делает их опасными в случае утечек и попадания в реки или подземные источники. В России основные месторождения калийных руд располагаются в Пермском крае и Волгоградской области.

Сегодня их хранение осуществляют в огромных, размером в несколько футбольных полей, открытых резервуарах — шламохранилищах. Общая масса накопленных отходов исчисляется несколькими сотнями миллионов тонн и продолжает расти. В случае переполнения резервуаров бассейны Камы и Волги, то есть значительные территории европейской части России, могут столкнуться с серьезными экологическими последствиями, а производители понесут колоссальные штрафы и убытки.

«Казалось бы, удобнее и безопаснее шламы сушить и хранить в виде порошков. Для этого требуется выпарить из них всю воду. Такие сушильные установки теоретически могут быть построены. Однако, во-первых, это чересчур затратный и экономически невыгодный способ. А во-вторых, в составе обезвоженной соли по-прежнему будет присутствовать не только натрий, но и калий и иные примеси, включая элементы скальных пород. Поэтому такая соль не станет пригодной для дальнейшего промышленного или бытового применения», — объясняет Александр Черепанов.

Для решения проблемы утилизации шламов ученые УрФУ воспользовались технологией предварительной очистки растворов от нерастворимых компонентов — элементов скальных пород. Технология, ранее отработанная учеными в нефтедобывающем секторе, основана на применении керамических мембран. Вместе с тем разработчики обратились к методу электродиализа. Его суть в том, что электрическое поле, приложенное к очищенному раствору, «проталкивает» соли через мембраны — благодаря этому содержание соли в воде снижается. При «классическом» электродиализе один тип мембран проводит положительно заряженные ионы, катионы (в данном случае — натрия, калия), другой — отрицательно заряженные, анионы (хлора). Так, с помощью мембран все компоненты исходного рассола распределяются по двум зонам: с еще более концентрированной солью и с очищенной водой.

«Мы пошли дальше и применили третий тип мембран — биполярный. Он представляет собой связку из мембран первых двух типов, катионитных и анионитных, и обеспечивает разложение воды, присутствующей в шламах, на водород Н и гидроксильную группу ОН. Далее, путем присоединения водорода к хлору, выделенному на анионитных мембранах, образуется соляная кислота HCl, а за счет присоединения гидроксильной группы к катионам, выделенным на катионитных мембранах, — щелочь. Таким образом, из исходного раствора мы получаем два — кислотный и щелочной, — описывает Александр Черепанов. — Чистота кислоты и щелочи зависит от режима электрического воздействия. Но нам необязательно добиваться особой чистоты, как на специализированных химических производствах. Во-первых, небольшое остаточное содержание соли не только приемлемо, но в ряде случаев даже обязательно для практического использования полученных продуктов. Во-вторых, так мы экономим на энергозатратах».

Эксплуатационные возможности технологии сильно зависят от характеристик биполярных мембран. Обычно их получают, склеивая катионитные и анионитные мембраны. Однако клей создает высокое электрическое сопротивление, поэтому для получения необходимых значений тока приходится прикладывать слишком высокие напряжения, то есть тратить избыточную мощность. В УрФУ эту проблему решили путем применения мембран, полученных с помощью взаимной имплантации материалов катионитных и анионитных мембран. В результате такого подхода энергоэффективность мембранного электролиза выросла, в сравнении с ранее известными решениями, практически на порядок.

«Кислотные и щелочные растворы — это химические реагенты, которые используются в промышленности. То есть мы не просто утилизируем отходы калийного производства, а перерабатываем их в товарный продукт, причем используя сырье нулевой стоимости, — подчеркивает Черепанов. — Это значит, что предприятиям калийной промышленности не нужно приобретать химические реактивы, калийщики станут получать их из отходов собственного производства».

По прогнозам Александра Черепанова, продукты созданной технологии переработки будут востребованы как основа для производства бытовой химии, сырье для изготовления стекла, как моющие средства для очистки оборудования, к примеру, в пищевой и нефтяной промышленности. Кроме того, кислотно-щелочные растворы c остаточным содержанием солей идеально подходят для устранения загрязнений внутри нефтяных скважин и повышения отдачи нефтеносных пластов.

«С учетом минимальных затрат на переработку отходов реализация получаемых продуктов может оказаться не менее выгодным предприятием, чем добыча калийной соли, — указывает Черепанов. — Нашу разработку также можно использовать для обессоливания морской воды, ведь это не что иное, как водный раствор хлорида натрия и еще некоторых соединений и элементов, включая калий. Например, так можно решить проблему нехватки питьевой воды в Крыму».

Завершив лабораторный этап разработок, научный коллектив под руководством Александра Черепанова приступает к созданию промышленной модульной установки. Ее компоненты (инновационные керамические и полимерные мембраны, датчики и т. д.) отличаются долговечностью: проектируемый срок их надежной эксплуатации — не менее 10 лет.

«При необходимости увеличить производительность установки потребителю достаточно состыковать соответствующее количество модулей. Размеры оборудования мы рассчитываем под габариты 20-футового контейнера, поэтому оно будет основательно защищено от внешних воздействий и удобно в транспортировке», — заключает Александр Черепанов.

По этой технологии у ученых есть уже два патента (патент 1, патент 2), исследователи готовятся подать заявку на третий.