Технологический шанс русского лития
Россия после 25-летнего перерыва возвращается к добыче стратегического литиевого сырья. Но насколько инновационными окажутся используемые для этого технологии?
«То, что мы возвращаемся к собственной добыче и производству лития, предельно важно. Литий сейчас стратегический ресурс, белая нефть двадцать первого века. У кого не будет этого металла, у того не будет и развития», — объясняет «Эксперту» директор Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского (ГЕОХИ), член-корреспондент РАН Руслан Хамизов. — И вопрос, какие технологии будут применены для этого, очень важен».
Литий — третий элемент таблицы Менделеева, самый легкий из металлов. Благодаря своим уникальным свойствам литий используется во множестве отраслей, в том числе в атомной энергетике и авиастроении (для производства суперлегких сплавов). Но главная сфера его применения — литий-ионные аккумуляторы, получившие широкое распространение после технологического прорыва 1990-х годов. Это почти все аккумуляторы, которые работают в электронной технике, включая сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фото- и видеокамеры. Наиболее мощные аккумуляторы и накопители устанавливаются в электрическом транспорте и востребованы в сфере возобновляемых источников энергии. Можно сказать, что относительно малогабаритные и долгоживущие аккумуляторы за последние десятилетия радикально изменили человеческую среду обитания.
Руслан Хамизов выступил на заседании научно-технологических советов «Росатома», посвященном оптимальной отечественной технологии производства лития из руды Колмозерского месторождения, и предложил разработанные в ГЕОХИ методы переработки литиевой руды, сподумена, которые пока не применяются нигде в мире. По мнению ученых, новая технология может оказаться намного более эффективной и экономичной, чем те, что сейчас используются за рубежом, в том числе в Австралии — стране, лидирующей в области мировой добычи и производства легкого металла (ей принадлежит более половины мирового рынка).
Возвращение русского лития
Технологические проблемы переработки литиевого сырья с начала 2023 года перестали быть сугубо теоретическими: Россия после четвертьвекового перерыва ускоренно возвращается к добыче этого металла (см. статью «Литий тоже будет наш», «Эксперт» № 9 за 2023 год). Забайкальский ГОК, последнее советское предприятие по добыче литиевой руды, прекратил разработку Завитинского месторождения еще в 1997 году. В 1990-е такое упрощение технологической ткани страны было обычным явлением в логике интеграции в мировое хозяйство: зачем что-то производить самостоятельно, если это можно купить? О конкуренции на мировых рынках электроники Россия тогда и не помышляла.
Постепенно стало понятно, что это стратегическая уязвимость, — мы писали об этом еще пять лет назад (см. статью «Нам нужен свой литий», «Эксперт» № 40 за 2018 год). Основные поставщики литиевого сырья (карбоната лития), Аргентина и Чили, в прошлом году перестали продавать его в Россию, и это объяснимо: для обеих стран крайне важно сохранить торговые отношения с американскими технологическими корпорациями. Единственным экспортером осталась Боливия, но ее производственные мощности — всего 2000 тонн в год — очень малы не только на фоне мирового рынка (540 тыс. тонн в 2021 году), но даже на фоне скромных досанкционных потребностей России, которые составляли порядка 8000 тонн ежегодно. И потребность в литии во всем мире постоянно растет.
Именно поэтому наша страна задумалась об импортозамещении аккумуляторов. В октябре 2022 года компания «Рэнера» (входит в ТВЭЛ, топливный дивизион «Росатома») приступила к строительству завода по производству литий-ионных батарей в Калининградской области на площадке, прежде отданной под Балтийскую атомную электростанцию. Двадцать девятого июня было объявлено о том, что Uranium One Group («дочка» «Росатома») подписала с боливийской госкомпанией Yacimientos de Litio Bolivianos («Литиевые месторождения Боливии») соглашение о строительстве промышленного комплекса по добыче и производству карбоната лития, рассчитанного на 25 тыс. тонн в год.
Такой безусловный успех не отменяет, однако, необходимости восстановления добычи металла внутри России. Восьмого февраля 2023 года «Полярный литий», совместное предприятие «Норникеля» и горнорудного дивизиона «Росатома», получило право пользования Колмозерским месторождением лития в Мурманской области. На месторождении уже проводятся дополнительные геологические изыскания, идут необходимые по закону консультации с коренным населением, проживающим в арктических зонах, приближенных к месторождению, обсуждаются оптимальные технологические модели освоения.
Это крупнейшее на сегодняшний день месторождение в России, которое по плану должно выйти на объем в 45 тыс. тонн гидроксида и карбоната лития в год. В 2023 году вводятся в эксплуатацию и другие месторождения, в том числе Полмостундровское, которое будет осваивать предприятие «Арктический литий», зарегистрированное в Мурманской области. Здесь планируется добывать 18 тыс. тонн солей лития в год. Особое значение Колмозерского месторождения определяется не только тем, что оно крупнейшее в России, но и тем, что именно в структуре «Росатома» появится предприятие полного цикла по добыче и производству изделий из лития для самых разных потребителей, и именно оно, скорее всего, будет задавать технологическую планку в отрасли.
«Зачем “Росатому” литий? Мы используем его сейчас и планируем использовать в будущем в большой производственной цепочке, — комментирует гендиректор госкорпорации Алексей Лихачев. — Уже созданы сборочные цеха по выпуску накопителей энергии для промышленных и транспортных целей. Запущено предприятие в Подмосковье, разворачивается строительство завода в Калининграде, есть еще много планов по увеличению производства накопителей и батарей — в первую очередь для транспорта. На сегодняшний день в КамАЗах и БелАЗах используются наши батареи, электробусы в Москве, троллейбусы с автономным ходом в Санкт-Петербурге, линейка “Аурус”, включая президентские автомобили, — везде установлены наши литий-ионные аккумуляторы, а для них нужен литий… Поэтому одного боливийского месторождения, несмотря на его привлекательные объемы, нам не хватит. Мы уже начали освоение Колмозерского месторождения в Мурманской области совместно с партнерами из “Норникеля”. Мы хотим добиться литиевого суверенитета Российской Федерации и обязательно поставлять часть продукции на экспорт».
Проблемы и решения
Добывать легкий металл в России сложнее и, соответственно, дороже, чем в той же Боливии. Месторождения в Латинской Америке в качестве сырья имеют рассол (раствор солей), содержащий искомые соединения лития. Технология производства, таким образом, сводится к выпариванию солей и их разделению. На мурманских же месторождениях придется добывать сподумен — литиевую руду, которая представляет собой алюмосиликат с содержанием металла; это трудноразлагаемая твердая порода. Как правило, ее разделяют на составляющие на химических предприятиях при помощи серной кислоты, и это довольно затратный процесс.
Задача усложняется и тем, что арктические месторождения расположены в заболоченной тундре, где практически нет проходимых дорог, а есть только ледник зимой — даже геологические работы там требуют использования вездеходной большеколесной техники. Проект разработки Полмостундровского месторождения предполагает строительство дробильно-сортировочного комплекса, где будет производиться первичное обогащение, а оттуда обогащенная руда отправится на завод «Халмек Литиум» в Тульской области и на Красноярский химико-металлургический завод. С Колмозерского месторождения обогащенную руду предполагается везти в Мончегорск или далее. Эти планы, очевидно, требуют серьезных инфраструктурных вложений в тяжелых условиях Русского Севера, в противном случае возможны непредсказуемые сложности с транспортировкой руды от месторождения к месту обработки.
Все проблемы, безусловно, решаемы, однако если стоимость арктического лития будет существенно выше боливийского, то, даже несмотря на стратегические соображения, это снизит привлекательность российского металла для потребителей и повлияет на развитие проектов. А значит, очень важно уже на старте заложить оптимальные технологические решения, что и обсуждается в рамках научно-технологических советов «Росатома».
В ГЕОХИ уже есть разработанная в лаборатории технология, которая теоретически способна резко снизить стоимость и повысить эффективность переработки литиевой руды. «Наше предложение состоит в том, чтобы везти не руду к реагенту (где-то же они должны встретиться), а реагент к руде, — рассказывает Руслан Хамизов. — При этом везти не серную кислоту, а бисульфат аммония. Бисульфат аммония также может разлагать сподумен, но при этом сам восстанавливается — мы говорим “рекуперируется” — в результате химического процесса. Это означает, что реагента потребуется в сотни, а то и в тысячи раз меньше, то есть довезти его до месторождения будет несложно. Бисульфат аммония, в отличие от серной кислоты, удобен в транспортировке, для него не нужна специальная тара, не нужны меры предосторожности: это неагрессивный порошок».
Схема химического процесса выглядит удивительно изящной. На первом этапе литиевая руда обжигается, в результате чего образуется углекислый газ, который тут же утилизируется и используется далее. На следующей стадии обожженный сподумен обрабатывается реагентом — бисульфатом аммония, в итоге от алюмосиликатов отделяются растворимые в воде сульфат лития и сульфат аммония. Сульфат лития вступает в реакцию с полученным ранее углекислым газом и переходит в искомый карбонат лития. Сульфат аммония при нагревании до 250 ºС превращается в исходный бисульфат и возвращается на новый круг цикла.
Сам по себе бисульфатный процесс был открыт в России немецким химиком Максом Бюхнером, в 1921 году ученый опубликовал статью о выделении алюминия из разных веществ с помощью подобной реакции. В ГЕОХИ проведено множество работ, доводящих до совершенства процесс разделения трудноразлагаемых алюмосиликатов, причем не только литиевых, но и, например, магниевых. Три недавние статьи, написанные Русланом Хамизовым и его более молодыми коллегами (две опубликованы в международном журнале Applied Sciences, одна — в российском «Журнале прикладной химии»), не касаются именно лития, а показывают тонкости процесса разложения алюмосиликатов в целом. «Мы умеем организовывать такие процессы, когда образуется замкнутая технология, не требующая больших затрат ресурсов и позволяющая использовать любые дороги. Реагент можно донести хоть пешком в рюкзаке», — говорит Руслан Хамизов.
Научная новизна предложения ГЕОХИ заключается в том, что, во-первых, никто никогда не применял такую технологию по отношению к литию, а во-вторых, все процессы, используемые в мире, начиная с бюхнеровского, включали сложную стадию разложения самих алюмосиликатов с получением так называемых аммонийных квасцов. У ученых ГЕОХИ идея тоньше: отделяется растворимый в воде сегмент, содержащий литий, так что разделять трудноразлагаемый компонент руды не требуется.
В сообщении ГЕОХИ сказано, что этап лабораторных экспериментов с литием полностью завершен, получен карбонат лития чистотой 99,5%, что соответствует самым строгим требованиям для аккумуляторного сорта, а внедрение бисульфатного процесса может сократить затраты на полный цикл добычи лития почти в два раза. Ученые считают, что есть хорошие перспективы использования бисульфатной технологии для добычи металла из рудного сырья Колмозерского месторождения и рассолов Тарумовского месторождения подземных геотермальных вод в Дагестане.
И еще одна проблема
Однако между лабораторными исследованиями и промышленной технологией нужно пройти стадию опытного производства. На совещании научнотехнологических советов «Росатома», посвященном литию, было высказано предложение испытать процесс в пилотном режиме. Ученые с этим решением полностью согласны. «Любая технология может оказаться эффективной в лаборатории, а в производстве столкнуться с неожиданными сложностями, — поясняет Руслан Хамизов. — Мы открыты и готовы участвовать в пилотных испытаниях в Заполярье — в условиях, приближенных к реальным. Я и мои коллеги готовы консультировать, работать непрерывно. Я так болею этой темой, что согласен отвечать на звонки даже среди ночи».
Для пилотного производства кроме ученых химиков нужны технологи — люди, которые умеют писать технологические регламенты постадийно и пооперационно, могут подсчитать материальные и тепловые балансы и всю экономику процесса. Это редкий случай, когда связь передовой российской науки и промышленности можно наладить без сложного перехода от идеи к производству, поскольку технология в какой-то мере уже изучена.
Проблемы могут возникнуть в другой области — управленческой. По сложившейся российской традиции от управленцев чаще всего требуют KPI, гарантированный результат. За упущенные возможности, которые принесут убытки в отдаленном будущем, никто не ответит, зато если будет даже небольшая неудача сейчас, возникнут вопросы. Но гарантированный результат плохо сочетается с инновационным мышлением: инновация — это всегда риск и непростая задача отстоять и обкатать идею. В ситуации ускоренного импортозамещения может показаться, что времени на проработку решений нет.
По этому поводу Руслан Хамизов и в «Росатоме», и в разговоре с «Экспертом» вспоминает биографию Карла Байера — того самого Байера, который открыл байеровский процесс, один из самых масштабных на сегодня процессов в химической отрасли, обеспечивающий производство алюминия, без которого не было бы ни авиации, ни космоса. Как и Макс Бюхнер, Байер свой метод придумал в России, стучался во все двери, но так и не нашел понимания. А через много лет СССР пришлось покупать технологию — по сути, собственную — за огромные деньги у Запада.
Самыми современными методами переработки литиевого сырья сейчас владеют австралийские компании, контроль над которыми стремится установить Китай, тем самым приобретая и лидерские технологические компетенции. Бисульфатный процесс в Китае уже поставлен на промышленную основу, хотя пока он применяется для получения не лития, а глинозема. Но есть риск, что в КНР придут к той же технологии, что предлагает ГЕОХИ. Китай, очевидно, может продать нам повсеместно критикуемые сернокислотные процессы, но новейшими технологиями делиться не будет.
Фото: пресс-служба РАН, Станислав Красильников/ТАСС
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl