СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ КРАСНОГО ШЛАМА

Аннотация. Красный шлам представляет собой крупнотоннажный щёлочной отход байеровского процесса переработки бокситов, накопление которого является серьёзной экологической проблемой. В статье рассмотрены основные подходы к переработке красного шлама, включая сухое складирование, карбонатизацию, пирометаллургические и гидрометаллургические методы, а также использование отхода в производстве строительных материалов. Особое внимание уделено российским разработкам и патентам, в которых акцент сделан на извлечение ценных компонентов (Sc, Ti, Al) и утилизацию железосодержащей части. Проведено критическое сопоставление преимуществ и ограничений различных технологий. Показано, что наибольший потенциал имеют комбинированные схемы переработки, включающие предварительную обработку с последующей пироконверсией железосодержащей фракции и/или гидрометаллургическим извлечением редкоземельных и цветных металлов с возвратом щёлочи в процесс. Такой комплексный подход обеспечивает снижение экологической нагрузки и получение востребованных промышленных продуктов.

Ключевые слова: Красный шлам, переработка отходов, байеровский процесс, редкоземельные элементы, гидрометаллургия, пирометаллургия, экология.

Введение.

Красный шлам — основной твёрдый отход байеровского процесса переработки бокситов для получения глинозёма. По оценкам, ежегодно в мире образуется более 150 млн тонн красного шлама, а его накопленные запасы превышают 4 млрд тонн, в России — свыше 120 млн тонн [1]. Красный шлам характеризуется высокой щёлочностью (pH 10–13), значительным содержанием оксидов железа, алюминия, титана и кремния, а также присутствием скандия, галлия и других редкоземельных элементов в промышленных концентрациях [2]. Хранение красного шлама в шламонакопителях связано с рисками загрязнения грунтовых вод, запыления, а также аварий, подобных катастрофе в Венгрии в 2010 г., когда разрушение дамбы хвостохранилища привело к разливу щёлочного шлама на площади более 40 км² [3]. В связи с этим разработка эффективных и экологически безопасных способов переработки и утилизации красного шлама является актуальной научной и технологической задачей. За последние десятилетия предложено множество решений, включая сухое складирование (dry stacking), карбонатизацию с фиксацией CO₂, получение строительных материалов (цементы, геополимеры), пирометаллургическую переработку с извлечением железа, а также гидрометаллургические процессы, ориентированные на извлечение алюминия, титана, скандия и сопутствующих элементов [4,5]. При этом ряд российских разработок (патенты РФ) уделяет внимание комплексному использованию шлама: предварительной подготовке (обезжелезивание, снижение щёлочности), пироконверсии железосодержащей фракции в чугуны и шлаки, а также извлечению редкоземельных элементов гидрометаллургическими методами с возвратом щёлочи в цикл [6–8]. Цель данной работы — обобщить и критически проанализировать современные технологии переработки красного шлама с акцентом на российский опыт и патентные разработки, оценить их экологическую и экономическую целесообразность, а также выделить перспективные направления комплексной утилизации.

Обзор технологий переработки красного шлама

Современные направления

Сухое складирование (dry stacking) активно внедряется для повышения безопасности хранения и уменьшения площади шламонакопителей [4]. Метод карбонатизации с использованием диоксида углерода позволяет понизить pH материала и зафиксировать CO₂ в стабильных минералах [5]. Пирометаллургические технологии предусматривают восстановление железа до чугуна и получение титанистых шлаков [6]. Гидрометаллургические процессы включают кислотное и щёлочное выщелачивание для извлечения скандия, титана, алюминия и других ценных компонентов [7]. В последние годы активно развиваются методы получения геополимеров — низкоэнергетических строительных материалов с использованием красного шлама [8].

Анализ патентов РФ

Среди российских патентов заслуживают внимания решения по комплексной переработке: например, способ извлечения скандия из красного шлама с применением сернокислотного выщелачивания и сорбции (Патент РФ № 2683425, 2019) [10]; технология получения портландцементного клинкера с использованием красного шлама (Патент РФ № 2640515, 2018) [11]. Также разработаны методы магнитной сепарации и обезжелезивания для снижения щёлочности и повышения безопасности отходов.

Экономические и экологические аспекты

Сравнение капитальных и операционных затрат (CAPEX и OPEX) показывает, что сухое складирование дешевле и проще внедряется, но не решает задачи извлечения ценных металлов. Гидрометаллургия и пирометаллургия дороже, но позволяют получать востребованные продукты и снижать экологическую нагрузку [12]. Возврат щёлочи в процесс делает технологию более замкнутой и экономически целесообразной. Наиболее перспективным направлением, по мнению авторов, является комбинированный подход: магнитная сепарация для снижения содержания железа, затем пироконверсия железосодержащей части с получением чугуна и шлаков, а параллельно гидрометаллургическое извлечение алюминия, титана и скандия с возвратом щёлочи в производство. Такой подход минимизирует отходы, позволяет получить несколько видов продукции и снизить затраты на утилизацию.

Заключение. Красный шлам — не только экологическая проблема, но и потенциальный источник ценных материалов. Анализ существующих технологий показывает, что интеграция пирометаллургических и гидрометаллургических процессов с предварительной обработкой позволяет наиболее полно использовать сырьевой потенциал отхода и уменьшить его опасность для окружающей среды. Внедрение комплексных схем переработки отвечает принципам циркулярной экономики и устойчивого развития.