Учёные ЧелГУ в коллаборации с коллегами из Китая определяют возможность извлечения ценных металлов из пыли электродуговых печей (ЭДП). Процесс извлечения пользы из отходов металлургического производства проходил с применением другого вида промышленных отходов – лигнина, который появляется в результате деятельности целлюлозно-бумажных и гидролизных предприятий. Для контроля и оптимизации параметров процесса восстановления исследователи использовали метод СВЧ-нагрева.
Международный проект был профинансирован Российским фондом фундаментальных исследований и Государственным фондом естественных наук Китая.
В научную группу вошли сотрудники физического факультета ЧелГУ: доцент кафедры радиофизики и электроники Антон Анзулевич и доцент кафедры общей и теоретической физики Леонид Бутько, старшие преподаватели кафедры радиофизики и электроники Дмитрий Калганов, Дмитрий Павлов, Валентин Толкачев. В коллективе физиков работала доцент кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов химического факультета ЧелГУ Лилия Коваленко.
«Химический состав пыли зависит от состава сырья и технологического процесса, в чём и состоит главная сложность переработки. Поэтому первое, с чего мы начали свою работу – это определили элементный состав пыли. В исследуемых образцах содержалось большое количество различных оксидов железа, оксиды цинка и небольшое количество солей щелочных металлов, – рассказывает Лилия Коваленко. – Поэтому важной задачей было раздельное восстановление металлов из их оксидов. Здесь нам помогли свойства металлов: цинк возгоняется раньше, при меньших температурах, по сравнению с железом. Использование СВЧ помогло создать равномерный, быстрый и эффективный нагрев частиц пыли».
Костяк коллектива, работающего по гранту РФФИ, состоял из молодых учёных, но большую поддержку им оказали опытные наставники – заведующий кафедрой физики конденсированного состояния, профессор Василий Бучельников и доцент кафедры радиофизики и электроники Александр Федий.
Из Центрального Южного Университета (г. Чаньша) в научную группу вошли: Цзивей Пенг (Zhiwei Peng), Хуимин Тан (Huimin Tang), Гуанхуэй Ли (Guanghui Li), Чжучэн Хуан (Zhucheng Huang), Бин Сюй (Bin Xu), Минцзюнь Рао (Mingjun Rao), Линчжи Ян (Liancheng Wang).
Помимо основных участников проекта в исследованиях принимали активное участие сотрудники лаборатории фазовых превращений ЧелГУ, в частности, доценты кафедры физики конденсированного состояния Дмитрий Захарьевич и Альфия Фазлитдинова, представляющая центр коллективного пользования «Наукоёмкие технологии» ЧелГУ.
«Начиная работу по гранту, мы предполагали, что лигнин покажет себя в качестве эффективного и чистого восстановителя, а использование микроволнового объёмного нагрева даст свои преимущества, – отметил Антон Анзулевич. –Но результаты даже превзошли ожидания: мы поняли, что нашли способ утилизировать не только саму пыль электродуговых печей, но и остающийся в результате работы целлюлозно-бумажных и гидролизных предприятий пиролизованный лигнин».
Гипотеза о преимуществах микроволнового нагрева была подтверждена в лабораторных условиях китайскими учёными и расчётами исследователей ЧелГУ.
«Мы рассчитали условия для оптимальной, с точки зрения поглощения электромагнитного излучения и протекающих восстановительных реакций, обработки материала на основе промышленных отходов, – поясняет Дмитрий Калганов. – В работе использовались два вида отходов – пыль дуговых электропечей и гидролизный лигнин, поэтому дополнительное преимущество использования микроволнового объёмного нагрева было связано с высокими поглощающими свойствами этих материалов. Мы исследовали то, как распределения компонентов смеси в объёме гранул влияет на глубину проникновения электромагнитных волн. Были использованы размеры и форма гранул, применяемые в реальных технологических процессах и характеристики микроволнового излучения промышленных микроволновых печей».
Изначально предполагалось, что российская часть команды исследователей промышленной пыли будет заниматься теоретическим моделированием процессов микроволнового нагрева и вычислением эффективных электродинамических параметров исходной пыли ЭДП и её смеси с биоуглём. Поначалу так и было, однако для осуществления расчётов понадобились экспериментальные данные, поэтому в ЧелГУ был проведён ренгенофазовый анализ и электронная микроскопия самой пыли ЭДП с целью изучения состава и морфологии. Для учёта изменения состава смеси в процессе восстановления при моделировании микроволнового нагрева были использованы возможности метода дифференциальной сканирующей калориметрии в сочетании с ренгенофазовым анализом продуктов восстановления. В это же время в Китае была запущена экспериментальная часть работы по обработке гранул в многомодовом СВЧ реакторе с контролем газовой среды.
«Наше главное ноу-хау – подбор оптимального состава и способа подготовки и микроволновой обработки материала на основе пыли дуговых электропечей и биоугля в виде гранул с неоднородным распределением компонент по объёму, – отмечает Дмитрий Калганов. – Предлагаемое нами решение позволяет повысить энергоэффективность процесса восстановления металлов и, таким образом, уменьшить стоимость продукта. В отличие от методов, связанных с хранением пыли ЭДП на полигонах или использования её без переработки в качестве компонента строительных смесей, наш продукт не будет наносить вред окружающей среде и здоровью человека. Переработка того типа отходов, которым мы занимались, сейчас находится на стадии зарождения. Сегодня, когда идёт отбор экономически оправданных технологий, важно сделать правильный выбор. Одни решения подразумевают использование агрессивных химических веществ, другие – разбавление сырой рудой или металлическим ломом. Это приводит к дополнительной нагрузке на фильтрующие системы и риску аварий. Существуют технологии, которые извлекают цинк из определенного типа пыли, но игнорируют другие металлы. Мы же исходили из соображений о наиболее экологически безопасном технологическом процессе, который будет востребован в ближайшем будущем».
Устойчивый интерес к теме исследования учёных ЧелГУ и Центрального Южного Университета проявляют как представители металлургической промышленности, так и научные сообщества, занимающиеся проблемами экологии и перспективными промышленными процессами. Идеи, связанные с переработкой твёрдых отходов металлургической промышленности в продукт с добавочной стоимостью особенно актуальны для России и Китая, поскольку позволяют повысить уровень опорной отрасли экономики.
«На протяжении всего периода исследований мы обращались к сотрудникам и руководству металлургических предприятий, а также к коллегам-экологам, – говорит Антон Анзулевич. – Пока предложенная нами технология не была внедрена на производстве, однако я уверен, что это дело времени. Мы планируем продолжить исследования по смежной тематике, сохраняя полученный, ценный в прикладном плане, результат для будущего использования».
Результатами двухлетней работы стала публикация девяти статей, выступление авторов с докладами на восьми научных конференциях. Учёные ЧелГУ и Центрального Южного Университета г. Чаньши продемонстрировали опыт конструктивного международного научного взаимодействия.
«В современном мире, закалённом совсем ещё недавними ковидными ограничениями и повсеместным дистантом, фактор расстояний не представляется проблемой, – утверждает Антон Анзулевич. – Мы вместе с китайскими коллегами участвовали в международных конференциях, используя сервисы видеоконференций, обменивались идеями и научными результатами. Использовали мессенджеры для оперативной связи при подаче отчётов и заявок. Кажется, что будь мы в одном университете, в одном здании, и то не получилось бы так оперативно взаимодействовать, как это можно делать с современными средствами связи. Общались мы на английском языке, языкового барьера между нами не было».
