Новости химической науки > Умные молекулы для бедных руд: как новая химия помогает добывать никель и медь

Современный мир невозможно представить без никеля и меди. Эти металлы – основа аккумуляторов для электромобилей, нержавеющей стали, электроники и медицинского оборудования. Россия занимает третье место в мире по добыче никеля и входит в число лидеров по запасам меди. Однако с каждым годом добывать эти металлы становится всё труднее. Богатые месторождения истощаются, и в переработку вовлекаются так называемые тонковкрапленные руды. В них частицы ценных минералов настолько малы и так тесно срослись с пустой породой, что отделить их традиционными методами практически невозможно.

На помощь приходит флотация – процесс, при котором измельчённую руду смешивают с водой и специальными реагентами. Одни реагенты – собиратели – делают поверхность ценных минералов водоотталкивающей. Другие – пенообразователи – создают устойчивую пену. Через эту смесь продувают воздух, и гидрофобные частицы, прилипая к пузырькам, поднимаются вверх вместе с пеной. Так ценный концентрат отделяется от пустой породы.

Казалось бы, всё просто. Но дьявол кроется в деталях. Традиционные собиратели, например ксантогенаты, хорошо работают на богатых рудах. Но когда дело доходит до тонковкрапленных и сложных по составу руд, их избирательности не хватает. Вместе с ценными минералами в пену попадает пустая порода, и качество концентрата падает. Нужны новые, более «умные» реагенты, которые смогут точно распознавать нужные минералы и прочно закрепляться на их поверхности.

Именно этой задаче посвящена диссертационная работа Екатерины Александровны Базаровой, выполненная в Горном институте Кольского научного центра РАН под руководством кандидата технических наук Галины Викторовны Митрофановой. Исследование предлагает принципиально новый подход к решению проблемы, и его результаты уже защищены патентом Российской Федерации.

Идея: молекулы-«крабы» для захвата металлов

В основе работы лежит идея использования азотсодержащих бифункциональных соединений. Что это значит? Традиционные собиратели «прилипают» к поверхности минерала за счёт одного активного центра, чаще всего атома серы. Новые реагенты, синтезированные учёными, устроены сложнее. В их молекуле есть две разные функциональные группы, способные одновременно связываться с ионами металлов. Это похоже на краба с двумя клешнями, который захватывает добычу сразу с двух сторон. Такая хватка гораздо прочнее и, что важнее, избирательнее.

Учёные синтезировали целую библиотеку таких соединений на основе доступных дикарбоновых кислот – фталевой, янтарной и алкенилянтарной. Варьируя «клешни» (гидразидные, гидроксамовые и амидные группы) и «хвост» (углеводородный радикал, отвечающий за гидрофобность), исследователи могли тонко настраивать свойства реагентов. Всего было получено восемь образцов, и каждый из них прошёл тщательную проверку.

Как это работает: от пробирки до флотомашины

Исследование шло по нескольким направлениям. Сначала с помощью современных физико-химических методов – инфракрасной, ультрафиолетовой и рамановской спектроскопии – учёные доказали, что синтезированные соединения действительно образуют комплексы с ионами никеля и меди. Были найдены конкретные атомы в молекулах, которые отвечают за связывание с металлом. Для этого использовались квантово-химические расчёты и расчёт функций Фукуи – специальных индексов, показывающих, какие атомы в молекуле наиболее активны.

Оказалось, что в амидных производных главную роль играет кислород карбоксильной группы, тогда как в гидразидах и гидроксаматах значительный вклад вносят и азотсодержащие центры. Именно наличие нескольких активных центров обеспечивает способность новых реагентов к комплексообразованию с ионами никеля и меди. Это делает их перспективными собирателями для флотации сульфидных медно-никелевых руд.

Затем наступил этап лабораторных флотационных испытаний на реальной пробе тонковкрапленной сульфидной медно-никелевой руды Печенгского рудного поля – второго по значимости источника никеля в России после Норильска И здесь исследователей ждал важный нюанс. В одиночку новые реагенты, как оказалось, не давали значительного прироста. Но настоящий прорыв произошёл, когда их начали использовать в смеси с традиционным бутиловым ксантогенатом и вспенивателем – бутиловым аэрофлотом.

Синергия: когда целое больше суммы частей

Самым интересным открытием стал синергетический эффект. Это означало, что совместное действие двух реагентов – нового и традиционного – было гораздо эффективнее, чем простая сумма их индивидуальных усилий. Учёные объяснили это явление на молекулярном уровне. В растворе и на поверхности раздела фаз молекулы разных собирателей образуют так называемые смешанные мицеллы и смешанные адсорбционные слои. В такой «компании» они работают слаженнее, лучше закрепляются на поверхности минералов и придают ей нужную гидрофобность.

Для количественной оценки синергизма использовался параметр взаимодействия β, рассчитанный по теории регулярных растворов Рубена и Розена. Отрицательное значение этого параметра показывает, что энергия притяжения между молекулами двух различных поверхностно-активных веществ сильнее, чем между молекулами индивидуальных соединений. Это и есть проявление синергизма. Расчёты показали, что для смесей ксантогената с моноамидами янтарной и фталевой кислот синергизм наблюдается в широком диапазоне соотношений, а процесс образования смешанных мицелл протекает самопроизвольно и энергетически выгоден.

Результаты: цифры, которые говорят сами за себя

Лабораторные флотационные испытания подтвердили теоретические расчёты. Оптимальным оказалось соотношение, при котором на долю нового азотсодержащего реагента приходилось 30% от общей массы собирательной смеси, а на долю ксантогената – 70%. В этом случае удалось достичь главной цели – повысить извлечение никеля в готовый концентрат до 8,5%, не ухудшив его качество. Для производства это означает миллионы рублей дополнительной прибыли и более рациональное использование природных ресурсов.

Наиболее эффективными оказались моногидразид фталевой кислоты (МГФК) и моногидроксиамид фталевой кислоты (МГАФК). Прирост извлечения никеля для них составил 8,1–9,4%, а меди – 5,4–6,5% относительно базового режима. При этом реагент монобутиламид фталевой кислоты (С4-ФК), углеводородный радикал которого соответствует радикалу в молекуле ксантогената, сохраняет стабильную эффективность независимо от доли в смеси.

Кинетические исследования показали, что константа скорости флотации для смеси МГФК с ксантогенатом (0,0040) превышает сумму констант индивидуальных реагентов (0,0012 + 0,0024 = 0,0036). Это прямое доказательство неаддитивного, синергетического характера взаимодействия. Совместное действие реагентов приводит к взаимному усилению собирательных свойств, что проявляется в ускорении флотации никельсодержащих минералов и более полном извлечении целевых компонентов.

Экономический эффект: миллиарды рублей

Оценка экономической эффективности применения нового реагентного режима была выполнена для перерабатывающей фабрики с годовой производительностью 7 млн тонн руды. Даже при консервативной оценке, в расчёт был принят минимальный прирост извлечения никеля (2,6%) и меди (3,3%) по результатам лабораторных исследований. Цены на металлы взяты из официальных данных Лондонской биржи металлов (LME).

Дополнительное количество извлечённого никеля составило 900,9 тонн в год, меди – 487,4 тонны в год. Выручка от дополнительного никеля – около 1,24 млрд рублей, от дополнительной меди – около 485 млн рублей. Общий годовой эффект – 1,725 млрд рублей. Полученные результаты подтверждают, что даже при консервативной оценке новый реагентный режим обеспечивает положительный экономический эффект, сопоставимый с масштабом годовых эксплуатационных затрат аналогичных обогатительных производств.

Что дальше?

Результаты работы имеют не только научное, но и огромное практическое значение. Получен патент РФ на изобретение № 2828519 «Способ флотации сульфидных медно-никелевых руд», что подтверждает новизну и перспективность разработки Новые реагенты могут быть использованы на действующих обогатительных фабриках, позволив им эффективно перерабатывать более бедные и сложные руды.

Кроме того, исследование расширяет наши фундаментальные знания о механизмах действия флотационных реагентов. Оно показывает, что будущее за комбинированными системами, где «умные» комплексообразующие молекулы работают в тандеме с проверенными временем собирателями. Такой подход открывает путь к созданию ещё более эффективных и экологичных технологий обогащения, а значит – к более устойчивому обеспечению человечества необходимыми металлами.

Работа Е.А. Базаровой – это яркий пример того, как фундаментальная наука о комплексных соединениях находит прямое применение в решении практических задач горно-металлургической промышленности. И такие исследования, безусловно, заслуживают самого пристального внимания как со стороны научного сообщества, так и со стороны производственников.

Основные публикации по теме диссертации

1. Митрофанова Г.В., Черноусенко Е.В., Базарова Е.А., Тюкин А.П. Поиск новых комплексообразующих реагентов для флотации медно-никелевых руд // Цветные металлы. – 2019. – №11. – С. 27–33.
2. Базарова Е.А., Черноусенко Е.В., Митрофанова Г.В. Возможности использования бифункциональных азотсодержащих собирателей при флотации медно-никелевых руд // Цветные металлы. – 2025. – №11. – С. 24–29.
3. Черноусенко Е.В., Митрофанова Г.В., Каменева Ю.С., Вишнякова И.Н. Оценка действия комплексообразующих реагентов при флотации медно-никелевых руд // Цветные металлы. – 2019. – №1. – С. 7–12.
4. Bazarova E.A., Chernousenko E.V., Mitrofanova G.V. Search for new amide class collecting agents and study of their flotation activity in the process of copper-nickel ore flotation // Non-ferrous metals. – 2023. – Vol.55. – №2. – P. 3–9.
5. Патент на изобретение RU 2828519 С1 «Способ флотации сульфидных медно-никелевых руд». Дата регистрации: 14.10.2024. Бюл. № 29.

Источники

1. Сезонная динамика численности и трофическое разнообразие микроорганизмов в процессе флотации сульфидных медно-никелевых руд на обогатительной фабрике Кольской ГМК // КиберЛенинка
2. Печенгское рудное поле – Википедия
3. Оценка эффективности действия моноамидов дикарбоновых кислот как реагентов-собирателей для флотации медно-никелевых руд // КиберЛенинка
4. Глубинное строение и рудообразующие системы Печенгского рудного района (Арктическая зона России) // ВолНЦ РАН
5. Новые комплексообразующие реагенты-собиратели для флотации медно-никелевых руд // КиберЛенинка
6. Медно-никелевые месторождения Печенгского рудного поля являются вторым после Норильского района источником никеля в России
7. Развитие и функционирование микроорганизмов в циклах обогащения сульфидных медно-никелевых и несульфидных апатит-нефелиновых руд // КиберЛенинка
8. Медно-никелевые месторождения Печенги. (Труды ин-та ИГЕМ РАН. Новая серия. Вып. 2). – М.: ГЕОС, 1999. – 236 с.
9. Разработка комбинированной схемы обогащения руды Кингашского месторождения // Journal of Siberian Federal University
10. Структурно-петрофизические условия локализации раннепротерозойских пегматитовых и магматических месторождений северо-восточной части Балтийского щита // Все о геологии
11. Совершенствование технологий флотационного обогащения тонкодисперсных сульфидных золотосодержащих руд // КиберЛенинка
12. Алмазы «Полуночных земель» России // КиберЛенинка
13. Действие композиции металлосодержащих модификаторов поверхности сульфидных минералов цветных тяжелых металлов при флотации медно-цинковых руд // КиберЛенинка
14. Технологические особенности медно-никелевых руд в серпентинитах (на примере Печенги) // КарНЦ РАН
15. Обоснование технологий переработки и снижения экологической опасности отходов горных предприятий // КиберЛенинка
16. Медно-никелевые месторождения Печенги // Geologyscience
17. Исследование переработки окисленных забалансовых руд АО «Алмалыкский ГМК» // КиберЛенинка
18. Оценка действия комплексообразующих реагентов при флотации медно-никелевых руд // Электронный каталог библиотеки МИСИС
19. Search for new amide-class collecting agents and study of their flotation activity in the process of copper-nickel ore flotation // Руда и Металлы
20. Индонезия может создать дефицит на мировом рынке никеля // Металлоснабжение и сбыт
21. Оценка действия комплексообразующих реагентов при флотации медно-никелевых руд // Сибирский федеральный университет
22. Non-ferrous Metals // Руда и Металлы
23. Petroleum and other liquids - World total // U.S. Energy Information Administration
24. Оценка действия комплексообразующих реагентов при флотации медно-никелевых руд // Руда и Металлы
25. BENEFICATION // Non-ferrous Metals
26. Оценка действия комплексообразующих реагентов при флотации медно-никелевых руд // NSTL国家科技图书文献中心
27. Патент РФ № 2828519 «Способ флотации сульфидных медно-никелевых руд» // patenton.ru
28. Macquarie: рынок никеля очень зависит от добычи никелевой руды в Индонезии // MetalTorg.Ru
29. Цветные металлы : научно-технический и производственный журнал. 2019 г. № 1 // Сибирский федеральный университет
30. Возможности использования бифункциональных азотсодержащих собирателей при флотации медно-никелевых руд // Руда и Металлы
31. Флотационные и магнитные методы для выделения цветных металлов из бедного техногенного сырья // NSTL国家科技图书文献中心
32. Dominasi Tak Terbantahkan! Indonesia Kuasai Produksi Nikel Dunia // Kompas.tv
33. Поиск новых комплексообразующих реагентов для флотации медно-никелевых руд // Руда и Металлы
34. How Indonesia became the world's nickel powerhouse // Valor International

Защита состоится «6» октября 2026 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета 24.1.096.01 при Институте проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук (ИПКОН РАН) по адресу: 111020, г. Москва, Крюковский тупик, д. 4; тел./факс 8 (495) 360-89-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПКОН РАН и на сайте ипконран.рф.

Отзывы на автореферат (в 2-х экземплярах, заверенные печатью) можно направлять в адрес совета; ученому секретарю диссертационного совета 24.1.096.01 Гольбергу Г.Ю. E-mail: gr_yu_g@mail.ru.

метки статьи: #геохимия, #квантовая химия, #координационные соединения, #новые материалы, #обогащение полезных ископаемых, #флотация