Челябинские ученые придумали, как получить металл из дерева

Как сообщили авторы, это совместная разработка научных групп физического факультета ЧелГУ и Института обработки минералов и биоинженерии Центрального южного университета КНР. Но это вовсе не философский камень алхимиков, а прорывное научное открытие, суть которого в использовании древесных отходов, которые выполняют роль своего рода восстанавливающего компонента в процессе выделения из руды химически чистого железа.

Как пояснили авторы технологии, руда — это оксид железа, при нагреве которого с древесиной атомы углерода замещают атомы кислорода. В итоге выделяется углекислый газ и чистое железо.


Фото с сайта lpk-sibiri.ru

— Международный проект реализован на средства гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), выделившего на него по миллиону рублей в 2018 и 2019 годах, — говорит доцент кафедры радиофизики и электроники ЧелГУ, кандидат физико-математических наук Антон Анзулевич. — Мы исследовали способ получения чистого железа из руды, которую надо смешать с древесным восстановителем и нагреть. Для этого в металлургии традиционно применяют каменный уголь, но у него масса минусов, например высокое содержание вредных примесей. Причем в печах шихта-смесь расплавляется сразу, без предварительной обработки, и в атмосферу выделяется много вредных веществ. Мы нашли выход: использовали более чистый углеродный материал — древесные отходы, термически обработанные без кислорода, так называемый биочар. Он взаимодействует с рудой при меньшей температуре с ускорением химической реакции. Применение биочара более экологично и безопасно по сравнению с каменным углем, а главное, выделение вредных для здоровья газов уменьшается в разы. Тем самым в плюсе и экология, и экономика.


Фото с сайта ru.dreamstime.com

По словам Антона Анзулевича, изюминка инновационной технологии — в предварительной стадии нагрева железорудно-древесных гранул микроволновым излучением. Это требует намного меньших энергозатрат, чем для «прямого» расплава, и на выходе получается очень качественное сырье для металлургии. Металлизированные гранулы с высоким содержанием Fe затем отправляют в электропечь, чтобы получить химически чистое железо.

Как пояснил ученый, челябинцы разработали математическую модель сложного процесса, а китайские коллеги изготовили опытный образец и проводили эксперименты.


Фото с сайта ЧелГУ

— В ходе моделирования нагрева полученных гранул мы выяснили, что для достижения наилучшего результата они должны быть с неоднородным распределением компонентов: иметь ядро и оболочку, — сообщил Антон Анзулевич. — При этом определили структуру гранул, оптимальное соотношение элементов. Чтобы химические превращения внутри гранулы происходили быстрее, необходимо обеспечить равномерный нагрев от центра к краям. Как оказалось, в ядре должно быть больше железной руды, а на поверхности — больше биочара.

Как добавили разработчики, они и раньше занимались изучением воздействия СВЧ-излучения на сферические частицы, в том числе наномагнитные. Использование квазичастиц — плазмонов и поляритонов, характеризующих квантовое состояние электромагнитных волн, позволит создавать метаматериалы с заранее заданными свойствами. Сфера применения выявленных эффектов самая широкая: не только в металлургии, но и в микроэлектронике, лакокрасочной промышленности, других отраслях.

Как считают эксперты, новый способ получения металла отвечает всем требованиям экологической безопасности. В ближайшее время эта технология пройдет обкатку в производственных условиях.