Тантал: факты и фактики

Кто нашел тантал? Это сделал швед Андерс Густав Экеберг, который после окончания в 1748 году Упсальского университета заинтересовался минералогией и открытием элементов. Например, он внес свой вклад в идентификацию бериллия в изумруде и берилле, подтвердил открытие гадолиния в черном минерале из карьера вблизи шведского Иттербю. В другом же минерале из Иттербю (сейчас его называют иттротанталит) исследователь и обнаружил новый элемент, который не удалось растворить ни в какой кислоте. Подивившись такой стойкости, Экеберг — а он с детства увлекался рассказами про древнегреческих героев — в 1802 году назвал новый элемент в честь сына Зевса Тантала, обреченного вечно претерпевать невыносимые страдания от жажды и голода.

Открытие Экеберга попытался закрыть англичанин Уильям Волластон: в 1806 году он утверждал, что нет разницы между танталом и ранее открытым колумбием. И это неудивительно, ведь различие между этими элементами ничтожно. Только в 1844 году немец Генрих Розе сумел распознать, что колумбий проявляет две степени окисления — +3 и +5, а вот тантал — только последнюю. Розе и переназвал колумбий ниобием в честь дочери Тантала — Ниобы, чем обеспечил изрядную путаницу: ИЮПАК только в 1943 году принял название Розе, американцы же до сих пор именуют спутника тантала колумбием. Надежно разделить эти два элемента, которые обязательно вместе присутствуют в минералах, сумел в 1866 году швейцарец Жан Маринья. Он использовал ничтожное химическое различие и заставил ниобий сформировать соль K₂NbOF₇, а тантал — K₂TaF₇. Растворимость первой гораздо выше, чем второй, отчего стало возможным разделение этих элементов. Как бы то ни было, отцом тантала считают Экеберга и танталовой медалью с его профилем награждают за успехи в изучении этого элемента.

Откуда берется тантал? Из минералов, которые могут быть двух типов. Во-первых, те, что содержат тантал и ниобий. Если первого больше — это танталит, если второго — колумбит. Во-вторых, там может быть еще и титан; примером служит добываемый в Кольской области лопарит. Для производства тантала идет минерал с содержанием этого элемента в 20—30%. Когда там есть ниобий (а он обязательно есть), то его в расчет цены не принимают. Аналогично за колумбит, содержащий более 50% ниобия, платят только в соответствии с его содержанием, тантал же в цену не включают. Если переработчикам удается извлечь такой, сопутствующий, элемент, он им достается в качестве подарка. Однако у тантала есть еще спутники, крайне неприятные, — уран и торий. Из-за присущей им радиоактивности перевозить танталовый и ниобиевый концентраты приходится с повышенными мерами предосторожности. Главный источник тантала — Бразилия, где расположена крупнейшая шахта по добыче танталита — Мибра. Из нее ежегодно извлекают 220 тонн пентоксида тантала, или 15% современной мировой добычи. А совсем недавно ее доля была лишь 5—10% — кризис 2008 года сильно ударил по танталовой промышленность, и были закрыты шахты в Австралии, Канаде, Мозамбике. А в 2012 году из-за проблем с транспортировкой прекратила работать шахта и в Эфиопии: порты находятся в Сомали, а там гражданская война и пираты. Поэтому сейчас из крупных шахт остались еще Питинга в той же Бразилии, Ичунь в КНР и российская Ловозеро.

Как обстоит дело с производством тантала в РФ? На Соликамском магниевом комбинате из лопаритового концентрата, добытого на шахте в Ловозере, получают практически весь отечественный тантал — 50 тонн в год в виде пентоксида тантала, который идет на производство электрических конденсаторов и твердых сплавов. До 1992 года советское производство тантала было сосредоточено на Ульбинском металлургическом заводе в Усть-Каменогорске, и в 1992 году он выдал 200 тонн металла в виде разного вида проката, однако впоследствии предприятие стало испытывать существенные трудности. Был еще завод в эстонском Силламяэ, но он отказался от лопарита из-за радиоактивности и сейчас выпускает 60 тонн тантала из бразильского и африканского сырья. О непростой судьбе отечественного танталового производства можно составить представление, проследив за историей Ловозерского горно-обогатительного комбината, которая изложена на сайте этого предприятия. Вот как она выглядит в кратком виде. Разрабатываемое им месторождение находится в заполярной тундре между Ловозером и Умбозером в Мурманской области. Геологи нашли его в середине 30-х, а в 1940 году заработала небольшая фабрика на северном склоне горы Аллуайв — фабрику и назвали по имени горы. В апреле 1941 года было принято решение о создании крупного металлургического комбината, для чего на строительство направили 17 тысяч заключенных — военнослужащих, побывавших в плену в ходе Финской кампании. Но вскоре началась война, строителей забрали на фронт, а неподалеку, в районе Сейдозера, организовали базу партизанского отряда. Только в 1947 году стройку Аллуайвского комбината возобновили, и в 1951 году он выдал первый лопаритовый концентрат. Производство быстро развивалось, были освоены два рудника — Карнасурт и Умбозерский, на западном склоне горы; построен поселок Ревда со школами, в том числе музыкальной, детскими садами и больницей. В 1957 запущен цех щелочных металлов, который выпускал особо чистые металлы, однако основную прибыль приносило выращивание монокристаллов из их соединений. Были открыты уникальные минералогические объекты — пегматитовые жилы, одна из которых получила характерное название — Шкатулка. Дело в том, что пегматит — это вулканическая лава, которая застывала в последнюю очередь; сформировавший ее расплав обогащен тугоплавкими элементами, и они порождают драгоценные камни и другие интересные минералы. Минералы, сложенные в Шкатулке, были уникальны; она известна геологам всего мира и представляет собой геологический памятник.

Но вот пришел 1991 год. С распадом СССР были разрушены производственные цепочки и комбинат остался без потребителей. Предприятие стало работать вполсилы, многие производства были закрыты. Цех щелочных металлов перешел на выпуск сувениров. К 1998 году кризис дошел до того, что работники комбината стали получать гуманитарную помощь из-за рубежа. Бедственное положение привело к массовым акциям протеста, и они дали некоторый успех: в результате переговоров правительственным чиновникам удалось наладить поставку лопаритового концентрата на Соликамский магниевый завод. Для выполнения контракта стали реанимировать один из рудников — Карнасурт. Вот как об этом вспоминает начальник обогатительной фабрики «Умбозеро» И.Б. Конюхов: «У нас кампания по запуску карнасуртской фабрики в шутку называлась “факельным шествием”. Мороз, костры в цехе, а люди с факелами ходят, чтобы замерзшие трубы отогреть. Фабрика уже, по сути, два лета подряд не крутилась, неизвестно было, где какой металл “устал”, как поведет себя под нагрузкой. В кратчайшие сроки специалисты привели хозяйство в норму». Однако с возобновлением производства бедствия не закончились. Так, в сентябре 2009 года через устье ствола шахты рудника Умбозеро хлынула вода — за месяц до этого из-за банкротства рудника на нем отключили электричество и, соответственно, насосы. Шахтные воды заполнили нижние горизонты и выходили на поверхность через транспортные ходы. Так была затоплена знаменитая Шкатулка. Тем не менее в 2008 году производство вышло на стабильный уровень в 9 тысяч тонн ежегодно, что весьма примечательно, если вспомнить печальную судьбу шахт Австралии, Канады, Мозамбика, закрытых как раз после 2008 года.

Теплообменник с танталовыми трубами

Где еще добывают тантал? Есть два важных источника. Первый — мелкие шахты, копанки, — кустарные разработки, которыми занимаются жители Демократической Республики Конго. Считается, что объем такого, добытого вручную из речных наносов, танталита, значительный, однако точных подсчетов сделать невозможно. Такой способ добычи, конечно, опасен для здоровья людей, ведь танталит радиоактивен. Но это не главная беда. Проблема в том, что доход от продажи танталита долгое время шел на финансирование деятельности военных Руанды, которые во время многолетнего конфликта поддерживали повстанцев из племени тутси в их борьбе с конголезским правительством. Этот конфликт унес с 1998 года почти 6 млн жизней людей. Побочной жертвой конфликта оказались гориллы — залежи танталита распложены как раз в местах их обитания. Национальные парки, созданные для защиты горилл, были разграблены, а самих животных работники рудников время от времени отстреливают и употребляют в пищу. Мировое сообщество пытается бороться с конголезским копанками, однако не очень успешно — видимо, у такого тантала очень привлекательная цена.

Второй важный источник: вторсырье. После кризиса 2008 года его доля заметно выросла и составляет сейчас 30% от общего объем производства. Получают тантал и при переработке шлака, образующегося от выплавки олова, а плавят его в Бразилии, Малайзии и Таиланде: такой шлак дает до 20% металлического тантала.

Как выделяют тантал из руды? Сложным химическим процессом. Концентрат можно обработать кислотами — серной и плавиковой, получить раствор, где будет множество элементов — от урана и тория до тантала и ниобия; затем в несколько стадий раствор разделяют. А можно превратить тантал-ниобий-титан в газ за счет реакции с хлором и уже затем эти газы как разделять между собой, так и очищать от опасных примесей вроде того же тория. На выходе получается порошок металла, который либо сразу используют, либо сначала чистят, а потом пускают в дело.

Коленная чашечка, спеченная из танталового порошка на 3d-принтере

Где применяют тантал? У него есть три большие области использования. Прежде всего, это электроника. Из тантала делают прекрасные электрические конденсаторы, при этом обкладками служит металлический тантал, а разделяющим их диэлектриком — его оксид. Миниатюрные — толщина слоя оксида исчисляется нанометрами, выдерживающие высокие вибрации, работающие при температуре от –55 до 200°С, они есть везде. Это слуховые аппараты, системы активации подушек безопасности автомобиля и прочая автоэлектроника, приемники GPS, ноутбуки, смартфоны, видеокамеры, телевизоры — список далеко не полон. Оксид титана входит в состав стекол для оптики — от видеокамер до тех же телефонов: у такого стекла высокие показатели преломления, что позволяет уменьшать толщину линз. Вторая важная область — химически стойкое оборудование. Из тантала делают трубопроводы, теплообменники, сосуды для химической промышленности — по своей стойкости он соперничает со стеклом, многократно превосходя его по механическим свойствам. Тантал же незаменимый компонент жаростойких никелевых сверхсплавов для турбин электростанций и реактивных двигателей, его содержание в них может достигать 10%. Еще тантал вместе с вольфрамом входит в состав быстрорежущих сплавов и других твердых материалов. А третья важная область — это медицина, а именно изготовление имплантов. Медиков в тантале привлекают два обстоятельства: его высочайшая коррозионная стойкость и способность ускорять развитие клеток, оказавшихся на его поверхности. Есть у тантала и отрицательная черта: он слишком жесткий. Поэтому целиком из него импланты для лечения как зубов, так и суставов конечностей не делают, а наносят пористое покрытие из спеченного танталового порошка. В таком качестве этот металл оказывается серьезным конкурентом титану — танталовый имплант вызывает меньше осложнений.

Чем вызвано благотворное влияние тантала на живые клетки? Этот вопрос пока остается без ответа. Вот один из экспериментов, в котором прямо была поставлена задача найти ответ. В принципе способность материала ускорять развитие помещенных на него клеток может зависеть от нескольких факторов, прежде всего от физико-химических свойств и от морфологии поверхности. Покрытия из обоих конкурентов — пористого тантала и пористого титана — очевидно, имеют разный рельеф поверхности. Чтобы убрать этот фактор из рассмотрения, исследователи из шанхайского Шестого народного госпиталя в 2018 году специально сделали образцы из отполированных до зеркального блеска титана и тантала. Такой чистый эксперимент показал: действительно, ускорять рост клеток — черта, присущая танталу как химичекому элементу; по динамике развития живой ткани он опередил металл-конкурент на треть. Видимо, продолжая расследование, уже в 2019 году исследователи из того же госпиталя установили, что танталовое покрытие на титане обладает прекрасными антибактериальными свойствами, но только после вживления в организм: при исследовании в чашке Петри микробы чувствовали себя на нем вполне комфортно. Наблюдение показало, что покрытие активизирует систему врожденного иммунитета: усиливает способность нейтрофилов поглощать бактерии и увеличивает производство сигнальных молекул другими участниками иммунного ответа — макрофилами. Загадка же состоит в том, что тантал — коррозионностоек. И, более того, покрыт пленкой прочнейшего оксида. То есть никакое проникновение ионов или атомов тантала в живые клетки совершенно невозможно. И где же тот действующий фактор, который ускоряет развитие костной ткани на танталовом импланте? Единственное, что приходит в голову, — электрическая активность: танталовая подложка как-то по-своему сказывается на собственных электрических полях живой клетки, вызывая наблюдаемые последствия. Может быть, когда-нибудь медикам удастся проверить эту гипотезу.

Танталовые пластины и шурупы для ремонта черепа

Ожидает ли нас в будущем дефицит тантала? Скорее всего, нет: эксперты оценивают рост его потребления как умеренный. Более того, борьба с углекислым газом ведет к сокращению сжигания ископаемого топлива и, соответственно, к сокращению потребности в жаропрочных материалах, а это важная область использования тантала. Производство машин требует большого числа самых разных металлов, однако в будущем для защиты климата автомобили должны перейти с бензина на электропитание. А как показывает практика, время жизни электромобиля в полтора-два раза больше, чем у собрата с двигателем внутреннего сгорания. То есть потребность в новых автомобилях растет с меньшей скоростью, чем численность населения, и это накладывает ограничения на рост потребности в тантале. В результате если сейчас мир потребляет 1,2 тысяч т тантала в год, то в 2050-м ему потребуется 2,2—8,2 тысяч т, если борьба за климат останется на бумаге, и 2,3—6,3 тысяч т если все-таки удастся выполнить цели Парижского соглашения и удержать к этому времени потепление в пределах двух градусов. Так ли уж этот рост умерен? Сравним с неодимом, без которого в альтернативной энергетике не обойтись, — из сплава NdFeB делают постоянные магниты для электрогенераторов. Сейчас используют 23 тыс. тонн этого металла, а в 2050-м при относительно успешной борьбе с потеплением прогноз дает 78—450 тысяч тонн.