Ученые предложили повысить производство калийных удобрений с помощью ультразвука и крахмала

Современное сельское хозяйство невозможно представить без калийных удобрений — одного из трех ключевых элементов питания растений, наряду с азотом и фосфором. От них зависят урожайность, качество плодов и устойчивость культур. Однако производство удобрений наталкивается на серьезное препятствие: сырье для них становится все хуже. Дело в том, что самые хорошие и чистые пласты калийной руды (сильвина), которые добывали раньше, постепенно заканчиваются. Теперь приходится разрабатывать более глубокие и сложные слои, содержащие примеси. В такой породе, формировавшейся миллионы лет, накопилось много посторонних веществ — в основном это липкая глина и твердые частицы гипса. В результате в каждой новой тонне добытого сырья ценного калия становится меньше, а ненужного шлама все больше.

Первым шагом на пути к чистому продукту является измельчение руды. Сначала добытую горную породу дробят, а затем размалывают, чтобы высвободить ценные минеральные зерна. Но именно здесь и проявляется главная сложность работы с загрязненным сырьем. В процессе измельчения мельчайшие частицы глины и гипса не отделяются, а, наоборот, прочно слипаются с крупицами полезного сильвина, образуя «грязевые комки».

Это снижает эффективность следующего ключевого этапа — флотации. Этот основной промышленный метод обогащения сильвинитовых руд работает по принципу избирательной адсорбции флотореагентов на сильвине (КС1), разделении гидрофобного хлорида калия, покрытого флотореагентом от хлорида натрия, за счет прилипания к пузырькам воздуха, пропускаемого через смесь руды с водой. Однако образовавшиеся мелкодисперсный глинистый шлам, частицы сульфата кальция и «грязевые комки» полностью нарушают этот процесс. Частицы глины и гипса либо сами цепляются за пузырьки, загрязняя конечный концентрат, либо, облепив крупицу сильвина, утягивают ее на дно, в отвалы. В результате чистота продукта падает, а потери КС1 растут.

Существующие на сегодня методы борьбы с этой проблемой часто оказываются неэффективными. Некоторые технологии используют ультразвук, но обрабатывают им только реагенты, а не саму руду, что все равно не разрушает вредные сгустки. Другие подходы усложняют производство, добавляя, например, гидроциклоны для отсева глины, но это делает процесс дорогим и многоступенчатым. Главный недостаток этих решений — они плохо справляются именно с комплексной проблемой, когда в руде одновременно много глины и гипса. В такой ситуации увеличение дозы реагентов почти не помогает, а лишь удорожает производство, а дополнительные устройства не гарантируют нужной чистоты удобрений.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали новый способ обогащения калийных руд на основе ультразвука и картофельного крахмала. В отличие от аналогов, где ультразвук служит лишь для активации реагентов, здесь он выполняет ключевую подготовительную работу: его направляют непосредственно на суспензию измельченной руды. На изобретение выдан патент.

Суть метода состоит в том, чтобы подготовить сырье и точечно убрать примеси, с которыми не справляется стандартная флотация.

— На первом этапе смесь измельченной руды с водой обрабатывают ультразвуком. Звуковые волны имеют частоту около 22 000 колебаний в секунду, а их мощность подобрана так, чтобы они создавали в жидкости миллионы микроскопических пузырьков, которые мгновенно схлопываются, создавая эффект крошечных направленных ударов. Вся обработка длится от 50 до 75 секунд — этого достаточно, чтобы надежно «разбить» природные комки глины и гипса, — рассказал Владимир Пойлов, профессор кафедры «Химические технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.

Говоря проще, это похоже на то, как лопаются пузырьки в газировке, но с огромной скоростью и силой. Когда ультразвук проходит через жидкость, он создает в ней области низкого давления, где мгновенно образуются крошечные пузырьки пара или газа. Почти сразу же, в следующее мгновение, давление вокруг них снова возрастает, и пузырьки не просто исчезают, а резко сжимаются до точки исчезновения. В момент этого схлопывания выделяется энергия на микроуровне, которая работает как мини-взрыв. Именно эти миллионы мощных микрорударчиков и «отбивают» частицы глины и гипса от частиц руды и друг от друга, разрушая природные сцепления.

— На втором этапе в подготовленную смесь вводится минимально необходимое количество картофельного крахмала. Его молекулы находят и крепко связываются только с поверхностью примесных частиц — глины и гипса, игнорируя при этом ценные крупицы сильвина. В результате при последующей флотации «запакованные» крахмалом примеси теряют способность прилипать к пузырькам воздуха и остаются в растворе, а чистый сильвин беспрепятственно всплывает, формируя высококачественный концентрат, — добавил Алексей Чернышев, аспирант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.

Эффективность метода подтвердилась в ходе лабораторных испытаний. Содержание основного продукта — хлористого калия — в конечном концентрате удалось повысить до 94,5%. Однако ключевой экономический результат — это сокращение безвозвратных потерь сырья. Доля калия, уходившая в отвалы, снизилась с 2,75% до 1,85%. Для крупного предприятия, перерабатывающего 10 млн тонн руды в год, это означает снижение потерь 90 тысяч тонн готового продукта. В денежном выражении, при рыночной цене хлористого калия около 300 долларов за тонну, предотвращенные потери смогут приносить дополнительный доход в размере более 2,2 миллиарда рублей в год только на одном калийном предприятии.

Таким образом, разработка ученых представляет собой готовое технологическое решение для промышленности. Метод, объединяющий ультразвуковую обработку и избирательное действие крахмала, решает ключевую отраслевую задачу — эффективную переработку низкокачественного сырья. Технология не только повышает чистоту конечного продукта, но и обеспечивает экономию ресурсов, а также снижает экологическую нагрузку, превращая отходы в дополнительный доход.