Во глубине упорных руд

Казахстанский ученый, желающий внедрения отечественных разработок в промышленность, должен быть готовым пробить систему «двойной антиинновационной упорности»

Во глубине упорных руд

Доктор химических наук, сотрудник АО «Центр наук о Земле, металлургии и обогащения» (ЦНЗМО) Галымжан Мамытбеков — один из немногих отечественных ученых, прошедший успешный путь из фундаментальной науки к прикладной. Химик по образованию, большую часть карьеры проведший в стенах академических и учебных заведений, сейчас он вплотную приблизился к созданию научно-производственной компании.

Прикладной наукой г-н Мамытбеков занимался еще в Институте химических наук МОН РК, где синтезировал полимерные гидрогели. Работая в Институте высоких технологий (ИВТ) НАК «Казатомпром», он вышел на проблематику гидрометаллургии, которой до сих пор занимается, расширяя сферу применения своих разработок. В последние пять лет он работает над изучением эффектов, которые дает применение кавитации при добыче полезных ископаемых и их переработке. Причем большую часть работы он делает по собственной инициативе. А все потому, что уверен: в своих изысканиях он идет по правильному пути. «Говорят, отрицательный результат — тоже результат. Но, извините, потратить миллион долларов, а потом сказать: “Ну не получилось!” — я такого не приемлю»,— говорит ученый.

Из полимеров — в кавитацию

— Галымжан Куламкадырович, какой круг проблем входит в ваши научные интересы?

— По образованию я химик, окончивший КазГУ. Долгое время работал в академической науке. Кандидатскую защищал в КазГУ (научные руководители — доктора химических наук, профессора Мусабеков и Абилов), докторскую — в Институте химических наук (научный руководитель — академик НАН РК Есен Бектуров). Тогда я занимался проблемами синтеза полимерных материалов и их комплексообразующих свойств с низко- и высокомолекулярными соединениями: объемно-фазовые переходы в полимерных системах. В конце 1990-х я проходил стажировку в Академии наук Чешской Республики в Институте макромолекулярной химии под руководством ученых с мировым именем — профессоров Душека и Илавского. Параллельно я преподавал в вузах — в КазГУ, Алматинском институте энергетики и связи, КазГАСА. Около пяти лет назад генеральным директором ТОО «Институт высоких технологий» доктором физико-математических наук, академиком НАЕН РК Сериком Кожахметовым я был приглашен для создания новой лаборатории — новых материалов и нанотехнологий, поменял сферу интересов — начал заниматься проблемами гидрометаллургии и геотехнологии. Начав там работать в должности заведующего лабораторией, в итоге я дослужился до заместителя директора института по науке и стратегическому развитию.

Занимаясь полимерными материалами, приходилось касаться темы комплексообразования полимеров с ионами переходновалентных металлов. Этот блок информации помог мне в разработке проблем гидрометаллургии в системе «Казатомпрома», осуществляющего добычу урана методом подземного скважинного выщелачивания. Всего за время работы в Институте высоких технологий под моим руководством были разработаны и внедрены три технологии: это технология малокислотного способа выщелачивания, метод очистки закольматированных скважин; третья технология — снятие геохимических барьеров в подземных условиях выщелачивания урана. Сейчас проводятся исследования возможности извлечения благородных металлов из упорных углесланцевых и мышьяковистых руд.

— Уже из тематики работ понятно, что это были прикладные разработки. Насколько уникальны их результаты для нашей науки и в масштабе постсоветского пространства?

— Скажем так: мы применяли все современные разработки в данной сфере для получения наилучшего для компании результата — то есть оптимизации процесса кучного выщелачивания для урана в подземных условиях. Технология подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) состоит в том, что в пласт закачивается раствор серной кислоты, а потом из пласта откачивается раствор с ураном. Наша задача была в том, чтобы сократить затраты производителя: снизить концентрацию серной кислоты, а вместе с этим и негативное воздействие кислоты на экосферу.

Для этого была предложена комбинация двух методов. Решая первую часть задачи — обеспечение повышения фильтрационных характеристик рудоносного горизонта для раствора в низкопроницаемых карбонизированных пластах — мы применяли специальные химические реагенты, которые обеспечивают фильтрацию выщелачивающего раствора в объем пласта.

Второй метод — применение технологии активации серной кислоты. Суть его — в кавитационной обработке серной кислоты, в результате чего кислота может подвергаться деструкции, из-за которой образуются уже не ионы диссоциированных молекул, а ион-радикальные частицы. У многих моих коллег-химиков вызывала сомнение сама возможность протекания таких процессов. Вся теория ПСВ построена как раз на ионном механизме взаимодействия диссоциированных молекул выщелачивающего раствора с минеральными породами. Ион-радикалы, как инициаторы реакции, действуют намного активнее, поэтому возрастает скорость растворения урана, находящегося во вмещающих породах.

Та же самая технология была использована в очистке прифильтровой зоны скважины. Явление кольматации скважин широко известно в горном деле и является большой проблемой не только для урановой промышленности, но и для нефтегазовой отрасли. При применении предложенной нами технологии кавитационно-струйной обработки прифильтровой зоны пласта можно увеличить технологические показатели как добычных или откачных, так и закачных скважин-инжекторов. У первых повышается дебит, у вторых — растет приемистость.

Данная технология, разработанная под уранодобычу, на сегодня прошла опытно-производственные испытания и на нефтяных скважинах: не прошло еще и месяца, как на западе Казахстана, в Атырауской области, мы провели эти испытания, и пока они показывают положительные результаты. Нам дали три добычных скважины с низкими технологическими параметрами: низкий уровень притока нефти либо его отсутствие. После кавитационно-струйной обработки прифильтровой зоны скважины опять начали давать нефть.

В науке всегда так: первый прорыв воспринимают враждебно; когда технология только - только начинает применяться - с интересом; а когда она становится массовой, ее окончательно признают. Видимо, кавитационный метод пока проходит вторую стадию

Третья технология — вскрытие упорных руд. Это тоже большая проблема для всей горно-металлургической отрасли. Исторически золото добывали двумя способами. Использовалась или пирометаллургия, или цианидное выщелачивание. Пирометаллургический метод основан на обжиге породы, в результате чего происходило некоторое очищение металла. Мышьяк, изобильно содержащийся в руде казахстанских золотоносных месторождений, при высокой температуре выделялся в виде мышьяковистого газа. В советское время на отрицательные экологические последствия от применения этого метода не обращали особенного внимания. Но сегодня эта технология уже не может использоваться в связи с ужесточением экологических норм. Цианидное выщелачивание — гидрометаллургический метод добычи, применяемый сегодня на подавляющем большинстве месторождений. Хотя цианид является ядом и его применение — это тоже большая угроза для экосистемы в пределах эксплуатируемого месторождения.

Первые эксперименты показали, что цианид является не единственным выщелачивающим элементом золота из упорных руд. С таким же успехом и даже более высоким коэффициентом извлечения из упорных руд золото может быть получено и с применением серной кислоты, то есть минеральной кислоты.

— Как встретили эту идею коллеги?

— Многие считали, что это невозможно. Теоретически — и правда, кажется невозможным или по крайней мере сложным. Флагманы мировой металлургической науки — российские и канадские институты — далеко продвинулись в совершенствовании производственных процессов, но дальше цианидного выщелачивания также на практике не ушли.

Но наши первичные лабораторные испытания на материале Бакырчикского золоторудного месторождения показали, что вполне разумной альтернативой цианиду может быть серная кислота в сочетании с другими неорганическими компонентами. Уровень извлечения золота — 83 процента, тогда как по стандартным технологиям он не превышает 30 процентов. Поданы документы на патент. Опыты проводились и на акбакайской руде, полученный уровень извлечения также оказался высоким — около 92 процентов. Проблема у всех одна: высокое содержание мышьяка, большая экологическая нагрузка и, как следствие, использование цианидного выщелачивания.

— Но вы еще сомневаетесь в том, что это блестящий результат?

— По нефтянке я могу с уверенностью говорить, поскольку проведены полевые опыты. Если то же самое позволят сделать на Бакырчике, то и об этой технологии можно будет говорить уверенно.

Когда я взялся за эту тематику, исключительно по своей инициативе, ученые-металлурги меня предостерегли: мол, не берись за безнадежную работу. Тем более в последние три года работала научная программа, стимулирующая разработки, позволяющие преодолеть высокую упорность руд. На Бакырчике, где имеет место так называемая «двойная упорность» (не только мышьяк, но и углистые), работали несколько групп ученых. В нашем Институте металлургии и обогащения предложили вернуться к стадии высокотемпературной плавки, получать штейн с концентратом золота. Но что дальше делать с этим штейном, пока не решили. Хотя на сегодняшний день даже такой результат рассматривается как большое достижение. Бакырчик назвали крепким орешком даже канадские специалисты, которые работали на месторождении.

С самого начала решения задачи получились неожиданные результаты. В научной литературе есть понятие «невидимое золото» — это то золото, которое не обнаруживается стандартными методами. Оно сидит глубоко в арсенопирите и никак не просвечивается. Например, в Акбакае содержание такого золота — 1,4 грамма на тонну. Но после кавитационной обработки содержание почему-то увеличилось до пяти граммов на тонну. Анализ содержания был сделан в разных исследовательских лабораториях различными методами. Результаты подтвердили оба анализа. Специалисты сначала подозревали ошибку эксперимента, а потом очень удивились. Также мы сдали исходный материал и обработанный на электроннозондовую микроскопию — результат тот же: сначала золота не видно, а потом оно начинает высвечиваться. Оказалось, что кавитационная технология способствует вскрытию пород и показывает эффект реминерализации.

Волшебные пузырьки

— Метод, на который вы делаете ставку,— кавитационно-струйная обработка. А что собой представляет само явление кавитации?

— Изначально кавитация воспринималась как негативное явление. Из-за этого явления ломались лопасти винтов морских судов. Схлопывание больших количеств маленьких пузырьков создает высокое давление, которое может изламывать даже металл. И до сих пор применяется термин «кавитационный износ» — например, насосов. Однако это явление можно превратить и в полезное. При разрыве жидкости происходит саморазогрев системы. Поверхностно глядя на этот процесс, можно предположить, что разогрева не должно происходить, поскольку это противоречит законам термодинамики. Но не учитывают то, что при схлопывании происходит деструкция соединения. Например, молекула воды может расщепляться, образуя атомарный кислород, пероксид водорода, и так далее. То есть это такие термодинамически нестабильные системы, которые для того, чтобы прийти к термодинамическому равновесию, должны обратно вступить в химическую реакцию или же потерять свой радикал. А все эти процессы связаны с большим выделением тепла. Ведь по законам физики чем меньше пузырек, тем больше энергия взрыва.

Но физики в массе своей это пока не воспринимают. В науке всегда так: первый прорыв воспринимают враждебно; когда технология только-только начинает применяться — с интересом; а когда она становится массовой, ее окончательно признают. Видимо, кавитационный метод пока проходит вторую стадию. Причем возможности его необычно широки. В итоге хотелось бы объединить на практике принципы гидродинамики с теорией химических превращений.

— Что такое кавитационная обработка в вашем случае?

— Кавитационная обработка — это гидродинамическая обработка с применением кавитационно-струйных аппаратов, когда происходит процесс образования пузырьков, которые могут внедряться в микротрещины минерала. Если пузырек зашел даже в микронную трещину, где он схлопывается, образуя «микрогидроудар», то частица минерала раскалывается. Растет глубина вскрытия породы, невидимое золото становится доступным. Цианидное выщелачивание — метод эффективный при вскрытой породе, но если она не вскрыта, эффект будет очень скромным. Особенно учитывая низкие растворяющие свойства цианида по сравнению с минеральными кислотами. Следовательно, цианидную технологию можно применить после кавитационной обработки для выявления тех нанокристаллов, которые остаются в минеральной матрице. Но применение серной кислоты в совокупности с кавитацией намного экологичнее и дешевле по сравнению с существующими технологиями.

— А каким путем идет мэйнстрим металлургической науки?

— Считается, что повышения коэффициента извлечения золота можно достичь сверхтонким измельчением — то есть все больше и больше измельчая породу. Но это же гигантские энергетические затраты для работы дробильной техники! Подход, который я предлагаю, исключает необходимость сверхтонкого измельчения, достаточно первичной дробильной обработки.

И в нашей, и в зарубежной науке очень часто используются термины «активация», «механактивация». Речь идет о механактивации твердых тел: тело загоняется в шаровую мельницу, раскручивается там, и в результате этого у него появляются некоторые новые свойства. В нашем случае механактивация подразумевает работу с жидкими выщелачивающими средами. В 2010 году мы проводили эксперименты по выщелачиванию ванадия из ванадиево-урановых месторождений. При использовании серной кислоты получалось, что основного продукта, ванадия, шло меньше, а урана — больше. Поскольку ванадий менее растворим. С применением кавитационной обработки выщелачивающего раствора можно было проводить технологию селективного выщелачивания, чтобы получать больше ванадия.

Сразу скажу, что производственники с некоторым скептицизмом относятся к подобным техническим решениям, поскольку на практике этого не делалось. Вообще производственники по объективным и субъективным факторам очень неохотно идут навстречу. Любая новизна влечет изменение производственной схемы, а это риски.

— Учитывая многоотраслевой характер ваших научных интересов, наверняка постоянно открываются новые направления работы?

— Недавно появился интерес и к переработке техногенного сырья. Пока идут начальные эксперименты по переработке золошлаковых отходов. Эти отходы вообще можно рассматривать как новое поколение полиметаллического сырья, а золоотвалы — настоящий Клондайк для горнорудной отрасли. В золе экибастузского угля, например, большое содержание золота и палладия. Если в случае с рудой мы занимаемся обогащением, то там уже все обогащено: уголь сгорел, остался концентрат всех металлов. Представьте: сожгли мы тонну угля, получили 10 килограммов золы. До сжигания металл по тонне был разбросан, а теперь он весь в одной куче, содержание металла в сырье повысилось в сто раз. Есть такой термин: ураганное содержание. В отношении золота — это концентрация, превосходящая уровень 25 граммов металла на тонну руды. Так вот, в золоотвалах содержание золота — ураганное.

Нужно только подобрать технологию извлечения. Практика доказывает, что по себестоимости переработки и золошлаковые, и нефтешламовые отходы намного дешевле, чем переработка природного минерального сырья. Много об этом говорят, но кардинальных сдвигов пока не наблюдается, так как мало кто предлагает «реальную» рабочую технологию извлечения металлов. Как раз над этим мы и работаем. До завершения, может, еще далеко, но уже сейчас видно, что вмещающие породы в этом сырье также хорошо распадаются, а редкоземельные металлы могут растворяться. Самое главное — это извлечь металл в раствор, а дальнейшее, что называется,— дело техники, отработанный комплекс действий по получению металла.

Бизнес ценность золоотвалов понимает — не случайно они все тщательно охраняются, но вкладываться в поиск технологии переработки пока не торопится. Еще один интересный момент: запасы металлов в золоотвалах не учтены в Госкомиссии по запасам полезных ископаемых.

Воскресить скважину

— Как же вам все-таки удалось добраться до опытно-производственной части?

— Еще работая в Институте высоких технологий, в 2009 году мне удалось впервые применить технологию кавитационной обработки прифильтровой зоны пласта (ПЗП). Перед нами поставили решение проблемы кольматации скважин, нужно было предложить новые методы обработки ПЗП. Десятилетиями скважины промывали водой. Но если эффект оказывался минимальным, то это означает одно: просто промывать — бесполезно.

Значит, подачу жидкости нужно осуществлять другим способом. Тогда-то я и вспомнил про кавитацию. Начал поднимать старые научные материалы, попытался воссоздать кавитационную систему, посоветовался с одним специалистом, который применял кавитационный метод для обработки высоковязких нефтей. Понятно, что нужно было использовать и разрыхлители гипса: тринатрийполифосфат, сульфаминную кислоту и поверхностно активные вещества в комплексе. Компоненты разъедают закольматированный, то есть загипсованный, слой, и, как следствие, зона становится проницаемой. Сейчас этот метод продолжают успешно использовать на одном из предприятий урановых месторождений Казахстана.

Тогда же был изготовлен образец производственного оборудования — аппарат для кавитационно-струйной обработки прифильтровой зоны скважины. По стандартной технологии (промывка технической водой или раствором с применением буровых агрегатов и насосов) план очистки скважин на одну установку — 10 скважин в месяц. Наша разработка потенциально рассчитывалась на очистку 120 скважин в месяц. В полевых условиях и без ночных смен оказалось возможным очищать 80 скважин — это все равно в восемь раз больше, чем могла делать стандартная технология. Тем более что буровые агрегаты массивны, требуют много времени на монтажно-демонтажные работы. Мы же заменили насосно-компрессорную трубу на шланг высокого давления. А на наконечнике такой гибкой трубы стояла наша кавитационная насадка. Она представляла собой трубку длиной в 15 сантиметров.

Поскольку я не машиностроитель, я сделал максимально простое устройство, где можно было осуществить максимальную турбулизацию потока жидкости и использовать как можно меньше движущихся частей. Насадка состояла из трех элементов: внешняя труба, внутренний активатор и крыльчатка. Через несколько месяцев работы ко мне подошел начальник участка ремонтно-восстановительных работ и спросил: «Я второй месяц себе места не нахожу: покажи, что у тебя за чудесное устройство, которое пробивает гипс лучше гидродинамического излучателя?» Я достал и разобрал это устройство. Он искренне удивился: «Вот это, что ли? Я думал, у тебя завод целый. Никогда бы не подумал, что три детали такой результат могут дать».

Один из интереснейших эффектов состоял в том, что на тех скважинах, которые обрабатывались кавитационно-струйным методом, начал изменяться минералогический состав песка. Причина этому может быть только одна: кавитационное воздействие в прифильтровой зоне. Значит, кавитация не только служит для раскольматации скважин, но и способствует реминерализации вмещающей породы.

— Как родилась идея применять тот же самый метод в нефтедобыче?

— Технология скважинной добычи идентична что в урановой, что в нефтяной промышленности. Разница — в диаметре скважин: урановые поуже, нефтяные пошире. А процессы, связанные с кольматацией, одинаково актуальны как для уранодобычи, так и для нефтянки. На урановых скважинах они даже острее, поскольку используется серная кислота. Если приходится иметь дело с карбонизированной породой, то при взаимодействии с этой кислотой образуется гипс. Весь уран «замуровывается». Вот с такими загипсованными скважинами и приходилось работать.

Поскольку нефть залегает в карбонизированных глинистых породах, при ее добыче кольматация — это естественный процесс. Но в уранодобыче снятие геохимического барьера несколько проще: там раствор и пластовая вода приблизительно одной плотности. В нефтянке сложнее: во-первых, мы получаем несмешивающиеся жидкости разной природы. Применение растворов там приводит к образованию стойких водонефтяных эмульсий. А это, следует отметить, признанный бич всей отрасли. Кстати, на лабораторном уровне мы уже занимаемся проблемой разрушения стойких водонефтяных эмульсий на материале мангышлакских нефтей.

— Получить разрешение на опытные работы в нефтяной отрасли удалось проще?

— Нефтяники тоже не хотели давать скважину, опасались риска потери скважин, а значит, и денег. Пришлось подключить старые знакомства, ждать, когда компания найдет подходящие объекты. С производственниками я договаривался так: «Вы мне даете скважину, которая идет на ликвидацию. Чтобы вы не беспокоились и понимали, что хуже уже не будет». В итоге представители одной частной компании дали для опытов три скважины, которые мы обработали за шесть дней. Для сравнения: специалисты по капитальному подземному ремонту скважин за одну смену — это 16 дней — работают с одной-двумя скважинами. Результат, как я уже упомянул, оказался успешным.

— Насколько серьезно пришлось модернизировать кавитационное устройство для применения в нефтянке?

— Поскольку нефть — высоковязкая среда, пришлось добавить несколько элементов к значительно усовершенствованной с первого применения кавитационной насадке. Для усиления гидродинамических свойств кавитационной зоны в устройство было встроено сопло Лаваля. Для работы с нефтью в аппарат добавили плунжерную часть, которая бы действовала в импульсном режиме. Но из этого устройства я хотел бы «выжать» больше, чем свойства гидродинамической трубы.

— Сколько стоило первое исследование?

— На работу в 2009 году для ИВТ ТОО «Горнорудная компания» выделило 10 миллионов тенге на год. Сумма небольшая, но для начала серьезных исследований и проведения опытно-промышленных испытаний это имело неоценимое значение.

— А патент у вас на эту разработку есть? И вообще, ваши разработки как-то коммерциализировались?

— Патент принадлежит также ИВТ. Поскольку я выполнял функции заместителя директора по науке и стратегическому развитию, я хотел продвижения этого института в инновационной сфере. В 2012 году Институт высоких технологий получил национальную премию «Золотой Гефест» в номинации «Лучший инновационный проект года» за лучшую разработку. За те три разработки, которые проводились в руководимом мной отделе новых материалов и нанотехнологий и внедрялись на предприятиях АО «НАК “Казатомпром”». Что до коммерциализации — это дело времени.

— Сейчас вы не хотели бы продолжить работу в структуре «Казатомпрома»?

— Много лет назад я прочитал, что японцы стараются каждые пять лет менять тематику исследований. У меня так и получается, хотя нельзя сказать, что я очень этого хочу или планировал. Есть вызов времени — и надо идти с ним «в ногу». С 2004 по 2009 год в моей жизни был период преподавания в вузах и попутного занятия наукой — в Восточно-Казахстанском государственном (ВКГУ) и Казахстано-Британском университетах (КБТУ). После этого я проработал пять лет в системе национальной атомной компании. Я только рад, что с такими переменами могу повысить свой квалификационный уровень и сферу знаний в смежных областях науки и технологии. С прошлого декабря, 2013 года, я работаю здесь, в Институте металлургии, и стараюсь не отставать от времени…

— Как вы видите экономическое будущее своих разработок?

— Видите ли, у нас только с высоких трибун принято провозглашать необходимость инноваций и внедрения новых технологий или технических решений. В реальности ни один производственник никогда не выделит денег — поверьте, смешных по западным меркам — на прикладные исследования. Пока что лучший вариант развития, который я вижу,— это договор с нефтяными компаниями об оказании услуг по очистке скважин по цене немного ниже той, что сейчас им предлагают другие сервисные компании. Я думаю взять у них предоплату и за несколько месяцев собрать пару мобильных кавитационных установок. После этого провести законтрактованный объем работ и расширять свою производственную мощность, собирая новые и новые усовершенствованные аппараты. В идеале хотелось бы видеть международную научно-производственную компанию, демонстрирующую, что казахстанская фундаментальная и прикладная наука может стоять на одном уровне с российской или зарубежной.

Статьи по теме:
Казахстан

Не победить, а минимизировать

В Казахстане бизнес-сообщество призывают активнее включиться в борьбу с коррупцией, но начать эту борьбу предлагают с самих себя

Международный бизнес

Интернет больших вещей

Освоение IoT в промышленности позволит компаниям совершить рывок в производительности

Спецвыпуск

Бремя управлять деньгами

Замедление экономики разводит все дальше банки и реальный сектор

Бизнес и финансы

Номер с дворецким

Карта столичных гостиниц пополнилась новым объектом