Серпентинит – герой нового проекта ученых-химиков КНЦ РАН

День Химика в Апатитах всегда проходит массово – многие горожане имеют отношение к обогащению руд на фабриках Кировского филиала АО «Апатит», трудятся на АНОФ-2 и АНОФ-3. Но этот праздник, в первую очередь, посвящен у нас тем людям, кто задумывал не просто добывать минеральное сырье в Хибинах и других горнорудных регионах края, но и комплексно перерабатывать добытое, с максимальной пользой для человека и природы. А именно – ученым Института химии и технологии Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН. И в 1957 году, когда был создан институт, и сегодня, в XXI веке, сотрудники ИХТРЭМС – на передовом крае открытий в сфере химико-технологической направленности. Тем более что одним из важнейших приоритетов в рамках устойчивого развития Арктической зоны Российской Федерации сегодня является развитие науки и технологий. И, в отличие от прежних времен, новая стратегия базируется в первую очередь на требовании сохранения окружающей среды за счет внедрения в производство малоотходных технологий, сокращения вредных выбросов, переработки отходов и широкого применения на практике эффективных методов очистки сточных вод с помощью, в том числе, новейших сорбентов. Использование природных ресурсов должно быть предельно рациональным и эффективно сочетаться с экономикой природопользования, поэтому возможность получения сорбционных материалов из минерального сырья и техногенных отходов, сосредоточенных в регионе, представляет несомненный интерес.

Это понимает и Российский научный фонд, который в 2022 году в рамках конкурса «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» поддержал три гранта коллективов ФИЦ КНЦ РАН, в том числе, проект исследователей ИХТРЭМС – «Синтез функциональных материалов на основе фосфатов Mg и Ti с использованием отходов переработки минерального сырья Арктической зоны Российской Федерации».

В научный коллектив под руководством кандидата технических наук Натальи Мудрук входят доктор технических наук Марина Маслова и молодые инженеры-исследователи лаборатории химии и технологии сырья тугоплавких редких элементов, проходящие обучение в аспирантуре института – Полина Евстропова и Полина Лодыгина. Грант предусматривает финансирование в полтора миллиона рублей в год, что позволит обновить лабораторное оборудование, провести необходимые исследования на базе ИХТРЭМС и ЦКП ФИЦ КНЦ РАН, а также принять участие в различных конференциях.

Проект находится на стыке двух важных направлений – это разработка технологии получения новых функциональных материалов и соблюдение принципов рационального природопользования при переработке минерального сырья и техногенных отходов. Научная идея проекта заключается в предположении авторов о возможности получения высокоэффективных сорбционных материалов на основе фосфатов титана и магния из техногенных отходов Арктической зоны, которые не вовлекаются в промышленную переработку.

- Практическая важность сорбентов делает необходимым поиск эффективных и недорогих прекурсоров, – рассказывает Наталья Мудрук. – В ходе работы по гранту РФФИ в 2018-2019 годах мы осуществили синтез композиционного неорганического сорбента на основе фосфатов титана, кальция и магния. В качестве источника титана использовали титансодержащую соль, которая может быть получена из продуктов переработки апатит-нефелинового сырья Хибинских месторождений в Кировском районе по технологии, разработанной в ИХТРЭМС. Доломит, доступное минеральное сырье, выступал в роли прекурсора кальция и магния. Полученные материалыпоказаливысокую эффективность очистки растворов от радионуклидов Sr, Cs, Co, и катионов токсичных металлов (Co, Zn, Cd, Cu, Pb)за счет синергизма отдельных компонентов.

Однако кроме доломита в сфере интереса апатитских химиков оказался и новый материал – серпентинит, который многие знают в качестве отделочного материала, декоративного сырья. Чем же еще он может быть полезен людям?

– В состав ранее синтезированного сорбента, помимо фосфата титана, входят гидроортофосфаты кальция и магния. Исследования показали, что гидроортофосфат магния как компонент сорбента эффективнее фосфата кальция в силу своих химических свойств, и более целесообразно получать в составе композиционного сорбента его, нежели кислый фосфат кальция.

Так как в доломите содержание магния довольно низкое, решено было искать новый источник магния. Проанализировав возможное сырье, доступное в регионе, решили использовать в качестве источника магния серпентинит – отход разрабатываемого Ждановского месторождения медно-никелевых руд в Печенгском районе, в настоящее время невостребованный и направляющийся в отвалы. Содержание магния в серпентините – 25%, что в 2.5 раза выше содержания в доломите. Это предопределяет эффективность использования серпентинитадля синтеза нового материала на основе фосфатов титана и магния. Кроме того, использование отходов переработки минерального сырья Арктического региона позволит реализовать в ходе проекта экологически и экономически привлекательную технологию получения новых высокоэффективных сорбентов.

Работа над проектом была начата в 2022 году и сейчас находится на этапе определения условий образования фосфатов магния при обработке серпентинита различными фосфорсодержащими агентами, а также условий получения композиционного сорбента при совместном одностадийном осаждении прекурсоров.

До того, как начать работу в лабораторных условиях, были собраны образцы серпентинитов нескольких месторождений, как действующих, так и заброшенных, расположенных в Арктической зоне РФ. Они несколько отличаются по химическому составу, и в ходе работы планируется оценить степень пригодности каждого для целей проекта. Для достижения результата проводится изучение фазовых равновесий и их превращений в процессе формирования композиционного материала.

Как рассказала Наталья Владимировна, природный серпентинит хорошо растворим в кислых средах, что является преимуществом с точки зрения разработки гетерогенного синтеза с переводом магния в раствор. В состав сырья также входит кремний (10-15%), поэтому синтез необходимо вести так, чтобы наряду с формированием нужного продукта обеспечивался перевод кремния в раствор в виде кремнегеля. Подбор необходимых условий позволит получить суспензию, в состав которой входит природный связующий агент, что может существенно упростить процесс грануляции сорбента для дальнейшего его использования в колоночном режиме.

Принимая во внимание то, что индивидуальные компоненты нового материала имеют определенные сорбционные характеристики по отношению к различным катионам, можно говорить о гибкости предлагаемой авторами технологии, когда состав сорбента может варьироватьсядля решения конкретных практических задач.

Наталья Мудрук вместе с коллективом ученых, задействованных в проекте, очень признательны сотрудникам Геологического института ФИЦ КНЦ РАН – кандидату геолого-минералогических наук Татьяне Рундквист и мастеру камнерезного искусства Владимиру Семенову за содействие в работе, консультации и помощь в сборе материала.