Оптическая металлургия

Иллюстрация Петра Перевезенцева

На наших глазах зарождается оптическая металлургия. Сейчас расскажу, что это такое. Но сначала — о цинке. С цинком мы встречаемся на каждом шагу и даже не замечаем. Водосточная труба, материалы для кровли, детали машин, аккумуляторы, самовары — все это изготовлено с использованием цинка.

У этого металла есть одно очень важное качество — он защищает изделия от коррозии. Поэтому основная область применения цинка — это антикоррозионные покрытия железа и стали и получение сплавов. Например, латуни.

Интересно, что латунь — а это сплав меди с цинком, устойчивый к коррозии, — была известна с глубокой древности, еще до нашей эры, хотя цинк как химический элемент был открыт только в XVIII веке. Получение латуни описал древнегреческий географ Страбон. И мы знаем, что ее делали, сплавляя медь с цинковой рудой. А цинковая руда — это сульфид цинка, или минерал сфалерит.

А вот чистый цинк первыми научились выплавлять из руды в Индии 700 лет назад. Затем технологию подхватили в Китае, где в эпоху династии Мин в ходу были цинковые монеты.

Китай и сегодня, наряду с Австралией и Канадой, остается одним из мировых лидеров в производстве цинка. Цинк можно получить двумя способами. И сегодня оба в ходу. Можно цинковую руду обжечь в печи, получить оксид цинка, а потом восстановить чистый металл из оксида с помощью угля или кокса. Второй способ — электролитический. Концентрат, полученный после обжига цинковой руды, обрабатывают серной кислотой, переводят в раствор и уже раствор подвергают электролизу.

К сожалению, оба способа очень грязные и энергоемкие. Цветная металлургия вообще грязное дело. В Китае наибольший вклад в загрязнение окружающей среды вносит именно цветная металлургия.

И здесь цинковая промышленность в лидерах — каждый год она выбрасывает 33 миллиона тонн СО₂. А между прочим, Китай объявил, что достигнет углеродной нейтральности к 2060 году, когда ни одна молекула зловредного парникового СО₂ не вылетит из труб промышленных предприятий Китая. Видимо, такая задача была поставлена перед наукой. И вот вам результат.

Появилась научная статья, в которой китайские исследователи предлагают выплавлять цинк с помощью лазеров. Этот метод не использует высокотемпературного обжига и восстановления углем, поэтому выбросы парниковых газов равны нулю. Авторы технологии назвали ее оптической металлургией. Выглядит это так.

Берут цинковую руду, минерал сфалерит, помещают в вакуумную камеру, наполненную инертным газом аргоном, чтобы и следа кислорода там не было, иначе начнется окисление. Затем включают лазер и через линзу направляют лазерный луч на минерал.

Все продукты реакций, и газообразные, и твердые, ученые анализировали с помощью самых разных видов спектрометрии. Оказалось, что ультрафиолетовый лазер раскачивает молекулы на поверхности сфалерита. Температура поднимается, ионные связи рвутся, материал плавится и испаряется. Кстати, у цинка очень низкая температура кипения, всего 906,2°С. У железа, для сравнения — 2862°С. Поэтому цинк, видимо, превращается в пары, которые потом осаждают, и получают чистый металл.

Подсчитали, конечно, и расходы на новую технологию. Потому что без экономического обоснования на производство и соваться нечего. Оказалось, что эксплуатационные расходы для оптической металлургии на 16% меньше, чем для традиционного завода по выплавке цинка.

Все тонкости технологии я не уловила. Да и вряд ли они изложены в статье (Frontiers of Environmental Science & Engineering). Важно, что пока это только лабораторная установка. А как мы знаем, от лаборатории до промышленных цехов путь не близкий. Бывает, что масштабирование и вовсе невозможно.

Но будем оптимистами. Металлургия, эта старейшая отрасль тяжелой промышленности, ждет инноваций. Кстати, мы тоже производим в России цинк — на Челябинском цинковом заводе и в компании «Электроцинк» в Северной Осетии — Алании. Так что имеет смысл присмотреться к этому новшеству с красивым названием «оптическая металлургия».