Второй «медный век» человечества: российские ученые научились перерабатывать тонны токсических отходов в медь

Ученые Института нефтегазовой геологии и геофизики имени Трофимука из Сибирского отделения РАН (ИНГГ СО РАН) нашли способ добычи меди из отходов цинкового производства. Например, на территории заброшенного Беловского цинкового завода (БЦЗ) множество насыпей-курганов этих отходов. Их называют клинкерами. Территория того же БЦЗ и небольшое экологическое бедствие на его территории почти никого не интересовало — предприятие, а потом и местные власти, даже проводили несколько тендеров на утилизацию отходов и обеззараживание почвы. Но если раньше это были просто «кучи мусора», то сейчас — без пяти минут медный «рудник». И для его освоения не нужна серная кислота или какие-то реагенты, которые могут навредить экологии.

Медь вокруг нас

В нашей привычной жизни очень много меди. Просыпаясь поутру, мы обычно включаем свет, кофеварку, телевизор, радио или «умную колонку», снимаем с зарядки телефон или смарт-часы, открываем холодильник или ноутбук. Все эти приборы невозможны без меди. В некоторых ее совсем мало — в телефоне или «умных» часах. В сетевом шнуре светильника меди больше, чем в гаджетах. Но медь в них незаменима — идеально подходит, чтобы наносить ее тонким слоем на так называемые печатные платы, делать тонкие «волосяные» дорожки, которые сложным образом сплетаются вокруг разных узлов. Намного больше меди в приборах, которые при этом технологически проще — холодильник и стиральная машина. Медь идеально подходит для массивной обмотки на железный сердечник. Если пропустить ток через такую, то она придет в движение благодаря электромагнитному полю — принцип работы электродвигателя.

Но каким бы «умным» ни был дом, чтобы он работал, очень много меди заложено в его стенах и за их пределами. Что в девятиэтажке, что в зеркальной башне-небоскребе почти вся проводка сделана из медных проводов. Да, они идеально подходят и для этого.

Лучше меди проводит электричество только серебро. Но это намного дороже. Нет, серебро (и даже золото, платина) используются в разных радиоприборах, особенно в оборонной промышленности, но в целом человечество нашло ему другое применение — делать украшения, которые едва тяжелее комара, а стоят как средний телефон. Выходит, делать провода из серебра слишком дорого. С ним электрификация могла бы стать настоящей проблемой. К счастью, у человечества есть медь.

Все, что использует электричество, не обходится без меди — светофоры, уличные фонари, биллборды, легковые авто и метрополитен, торговые центры и больницы. Чтобы город получил огромное количество электричества от ТЭЦ, гидроэлектростанции или даже «плантации» ветряков, тоже нужно очень много меди для силовых кабелей, соединяющих источник энергии и потребителей. Города пронизаны медью, и эта паутина многократно сложнее той, что плетет паук.

Мир сейчас перестраивается на экологически чистую и энергосберегающую экономику, города Европы пытаются постепенно перейти на электромобили, для них создают удобную инфраструктуру. И все это, конечно же, требует очень много меди. Которая чаще всего добывается методами, далекими от экологически чистых. Сейчас человечество переживает второй медный век. Первый был 4-5 тысяч лет назад — из меди делали примитивные орудия труда. Позже человечество перешло на бронзу и железо. Но сейчас красноватый металл используют совсем по-другому, и в обозримом будущем замен не предвидится.

Цинковые язвы на теле России

Во Владикавказе осенью 2018 года навсегда остановил свою деятельность завод «Электроцинк». На предприятии произошел пожар. Грубо говоря, сгорело всё, что могло сгореть. Кроме токсичных отходов — завод оставил после себя огромные отвалы клинкеров. Пока завод работал, никому не было дела до них. А после ЧП местные власти пытались решить проблему: что же делать с территорией бывшего гиганта производства цинка? На ней осталось больше полутора миллиона тонн отходов.

Если судить по последнему году перед пожаром, то «Электроцинк» за год произвел 73 тысячи тонн цинка, 123 тысячи тонн серной кислоты и 307 тонн кадмия. Отходы от такой деятельности — очень токсичные. Почва под ними закисляется и отравляется тяжелыми металлами. Подсчитать ущерб экологии будет сложно. Но пока предприятие работает, это никто и не пытался сделать, так как «игра стоила свеч». Завод снабжал страну очень важными ресурсами. А сейчас эти полтора миллиона тонн отходов уже четвертый год пытаются рекультивировать или сделать с ними хоть что-то. Процесс движется крайне медленно. А если сравнивать количество утилизированных и оставшихся отходов, то и вовсе не движется. Кстати, «Электроцинк» находится в черте города.

Беловский цинковый завод в Кемеровской области работал с 1932 по 2005 год. В годы войны предприятие направило все силы для поддержки фронта. После войны завод также работал в полную мощность, помогая стране оправиться.

Отходы производства за десятилетия заняли 20 гектаров земли, которую постепенно отравляют тяжелые металлы, разные соли и кислотные остатки. В 2014 на территории завода провели ряд экологических мероприятий — прорыли несколько водоотводящих канав. С того момента после дождей так называемые подотвальные воды с помощью насоса перегоняли в отстойник, обеззараживали и заново распыляли на клинкеры. То есть в целом самих насыпей токсических отходов процедуры практически никак не коснулись. И да, этот завод тоже находится в черте города — это больше 20 гектаров Кемерова, которые никак не используются.

А в Оренбургской области есть Гайский горно-обогатительный комбинат. Как и у всех подобных предприятий, на территории завода залежи огромных куч руды, из которой, по сути, «изъяли» только цинк. Ученые сделали несколько оценок — в этих кучах содержится 300 тысяч тонн меди (это четверть всей меди, добытой в стране за год) и больше 250 тысяч тонн цинка. Если эти клинкеры не трогать, то понадобится больше 2000 лет, чтобы медь, серебро и золото «ушли» из них естественным путем. Но даже в этом случае они не исчезнут полностью с лица земли.

Всего в России около полутора десятков предприятий, которые занимаются добычей цинка. Он используется в разных сталях — дарит сплаву коррозионную устойчивость. Еще одно направление — гальванические элементы. Цинк очень важен в батареях и аккумуляторах. Да, для «зеленого транспорта» снова нужен элемент, при добыче которого серьезно страдает природа. А еще из сплавов на основе этого металла делают отливки, потом с их помощью выплавляют разные детали. Если взять машиностроение, то это корпуса карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов и различных декоративных деталей. Еще одно важное направление — с помощью особых цинковых сплавов покрывают внутреннюю поверхность взрыво-пожароопасных помещений, танкеров и цистерн нефтеналивных судов, нефтерезервуаров, магистральных подземных нефтяных и газовых трубопроводов. Значение цинка для России как нефтегазовой державы трудно переоценить.

Пришлось покопаться

Для своих экспериментов специалисты ИНГГ СО РАН выбрали именно заброшенный Беловский цинковый завод. Это не случайно — ученые еще с 2020 года проводят там комплексные геохимические и геофизические исследования рекультивируемых отвалов. Так, ранее они уже установили связь между степенью нейтрализации отходов и удельным электрическим сопротивлением среды.

Помимо экологического фактора учеными двигали и другие. Так, современные тенденции добычи и разведки благородных и цветных металлов показывают, что рыночная цена золота, серебра, меди и цинка постоянно растет. А здесь руду уже добыли и доставили на территории заводов. Просто ее не полностью «переварили». Да, в некоторых отвалах процент содержания серебра и золота достаточно высок, чтобы попробовать заняться добычей драгметаллов из мусора.

Еще один фактор — природные месторождения одно за другим истощаются. Потому нужно использовать добытую руду с максимальной эффективностью. А при отлаживании новых методов добычи можно вернуться в рудники, которые считались бесперспективными по технико-экономическим причинам.

Чтобы получить хорошие пробы, ученые прорыли траншею длиной 15 и глубиной 4 метра. Часть проб взяли в верхней части среза, часть — в нижней. Но всего взяли около 300 килограммов вещества. Затем в ход пошел ряд сложных приборов. Сперва портативным

рентгенофлуоресцентным анализатором определили содержание породообразующих элементов. Потом с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии узнали приблизительный процент меди в веществе клинкера. И методом потенциометрии определили рН смеси. Когда в теоретической части все сошлось, приступили к эксперименту.

Специалисты потратили 12 суток, чтобы выявить самые лучшие режимы работы и постепенно пришли к выводам — если измельчить и растворить вещество клинкера, а раствор немного посолить (да, обычной поваренной солью) и размешивать, скажем, куском стали особой формы с большой площадью поверхности, то медь из этого раствора будет оседать на стальном жезле. Это метод цементации. Он не требует применения кислоты или других реагентов. В этом его главное отличие от многих других — при работе с токсическими отходами не выйдет так, что их станет еще больше. Перепробовав разные температуры и прочие показатели, ученые добились высокого результата — 40% меди из раствора перешло в твердое состояние и осело на так называемом металлокорде (грубо говоря, это металлический трос. Если его «распушить», то площадь поверхности металла в растворе возрастет, а значит и возрастет и количество меди, оседающей на поверхности). В промышленных условиях можно будет добиться еще более высокого показателя.

Поскольку метод относительно простой, ученые рассчитывают, что за добычу меди из клинкеров смогут взяться малые предприятия, у которых нет сложной бурильной аппаратуры и они не могут составлять конкуренцию гигантам отрасли в шахтах. И все останутся в плюсе — страна получит медь, предприятия — свою долю прибыли, а на теле России исчезнет несколько крупных язв.