EUREKA DGP: Im rzadszy metal, tym bardziej opłaca się go odzyskać

Im rzadszy metal, tym bardziej opłaca się go odzyskać. Do tego jednak potrzebne są odpowiednie technologie – takie jak opracowana przez naukowców z Gliwic. Dzięki niej można ponownie wykorzystać wolfram i kobalt uwięzione w odpadach po produkcji narzędzi ściernych.

Dr inż. Dorota Kopyto i dr inż. Katarzyna Leszczyńska-Sejda z gliwickiego Instytutu Metali Nieżelaznych / Dziennik Gazeta Prawna

Kilka lat temu ceny metali tak wystrzeliły w górę pod wpływem zapotrzebowania chińskiej gospodarki, że przez chwilę wydawało się, iż nie ma czegoś takiego jak nieopłacalny projekt górniczy. Niektórzy wizjonerzy w poszukiwaniu co rzadziej występujących pierwiastków zaczęli nawet spoglądać w kosmos. Potem gospodarka Państwa Środka spowolniła, ceny spadły, a głowy pełne marzeń ostygły.

Pozostały jednak wnioski: globalny popyt jest nieprzewidywalny. Jeśli jakiś duży kraj znów zacznie się gwałtownie rozwijać albo powstanie rewolucyjny wynalazek wymagający dużych ilości występującego w śladowych ilościach metalu, rynek znów czekają przerwy w dostawach. Dlatego trzeba się przed tym zabezpieczyć – chociażby inwestując w technologie, które pozwalają na odzysk cennych metali, takich jak wolfram i kobalt. Metodę odzysku tych dwóch pierwiastków opracowały dr inż. Dorota Kopyto i dr inż. Katarzyna Leszczyńska-Sejda z Instytutu Metali Nieżelaznych z Gliwic wraz z zespołem.

EUREKA DGP: Kosmetyki naturalne to wyzwanie dla producentów

Z wolframem zetknął się każdy, kto miał w ręku klasyczną żarówkę. Wykonane są z niego żarniki, dzięki którym żarówka emituje światło. Kobalt z kolei można spotkać w urządzeniach wyposażonych w baterie. Obydwa metale stanowią też element materiałów zwanych węglikami spiekanymi – bardzo twardych substancji wykorzystywanych do wytwarzania narzędzi ściernych. Każdy proces produkcyjny pozostawia jednak po sobie odpady – elementy ścierne do pił i szlifierek nie są tu wyjątkiem. Naukowcy starają się z tych odpadów odzyskać cenne pierwiastki. – Stosowane dotychczas metody odzyskują z węglików jedynie wolfram, pozostawiając w odpadach kobalt. Nasza metoda pozwala na odzysk obydwu metali, a końcowy produkt jest na tyle czysty, że można go z powodzeniem stosować w katalizatorach – tłumaczy dr inż. Dorota Kopyto, która kierowała pracami nad wynalazkiem.

Oprócz wspomnianych wyżej jest jeszcze wiele innych powodów, dla których zabawa w odzysk metali jest opłacalna. Przede wszystkim takie technologie zbliżają nas do ideału gospodarki cyrkularnej, w której używamy na bieżąco tylko te zasoby, które już funkcjonują w obiegu, minimalizując potrzebę pobierania z natury nowych. Niektóre źródła podają, że w Europie procesowi odzysku wolframu poddawana jest połowa węglikowych odpadów, zaś w USA już tylko 30 proc. Co więcej, jak w przypadku każdego surowca w grę wchodzi ryzyko geopolityczne. Złóż wolframu nie jest na świecie dużo, a do tego nie są rozłożone równomiernie; najbogatsze znajdują się w Chinach. Posiadanie technologii, która pozwala na jego odzysk z odpadów, a nie jest zbyt kosztowna w oczywisty sposób zabezpiecza przed kaprysami producenta-monopolisty (choćby przed celowym zaniżeniem eksportu, by podbić cenę surowca).

EUREKA DGP: Jak odróżnić dobre bakterie od złych?

Zazwyczaj odpady węglików spiekanych przerabiane są za pomocą ognia, czyli – w profesjonalnej nomenklaturze – metodą pirometalurgiczną. Znaczy to tyle, że wrzuca się je do pieca, by utleniły się w temperaturze 700–800 st. C. Węgiel, inny podstawowy składnik węglików, odfruwa pod postacią dwutlenku węgla, a w piecu zostaje tylko proszek zawierający tlenki metali, w tym wolframu. Potem wykorzystywana jest moc cieczy: proszek wsypuje się do zasadowego roztworu, gdzie wolfram utworzy sól o nazwie wolframian sodu. Technika ta nie jest jednak pozbawiona wad: wymaga zużycia sporej ilości energii, a dodatkowo pozostawia odpady – w tym nieodzyskany kobalt. – Dlatego pomyśleliśmy, żeby odwrócić kolejność działania: najpierw wykorzystać fazę ciekłą, a dopiero potem ogień. Dzięki temu najpierw do roztworu trafia kobalt, a wolfram pozostaje w osadzie. Następnie obydwa materiały poddawane są kolejnym procesom prowadzącym do uzyskania związków obydwu metali o wysokiej czystości – tłumaczy dr inż. Katarzyna Leszczyńska-Sejda.

Badacze instytutu potraktowali węglikowe odpady kwasami: siarkowym i chlorowodorowym. Pod ich wpływem kobalt uwalnia się ze struktury węglika i przechodzi do roztworu; teraz można go stamtąd wypłukać. Robi się to za pomocą metody wymiany jonowej. Proces wymaga odpowiednio dobranych parametrów, bo kobalt do roztworu nie przedostaje się sam; towarzyszą mu zanieczyszczenia – inne metale, jak żelazo czy chrom, które kryły się w węgliku. Starannie przeprowadzony proces pozwala na uzyskanie soli kobaltu o wysokiej czystości. Teraz można zająć się odzyskiem wolframu, który wciąż jest uwięziony w odpadach wraz z węglem. Pozbawione kobaltu i (innych metali) spieki poddaje się działaniu wysokiej temperatury – przez ok. pół godziny trzyma się je w piecu w temperaturze 500–550 st. C. Węgiel ulatuje pod postacią dwutlenku węgla, pozostawiając tlenek wolframu w proszku.

Jak poważnie traktowany jest recykling węglików spiekanych na świecie, niech świadczy fakt, że japońska firma Sumitomo prowadzi go na skalę przemysłową od lat 80. XX w. Kwestia zabezpieczenia dostępu do wolframu jest traktowana na tyle poważnie, że rząd współfinansował firmowe badania nad znalezieniem alternatywnych metod odzysku metalu. W efekcie Sumitomo przesiadło się niedawno na nową technologię, podobną do tej opracowanej w Gliwicach. Łącznie w Japonii działa pięć zakładów odzyskujących wolfram z węglików. – Tymczasem w Polsce złomy i odpady zawierające węgliki spiekane są tylko składowane i nie podlegają recyklingowi na skalę przemysłową. Nasza metoda jest jedyną w kraju technologią umożliwiającą skuteczny odzysk zarówno wolframu, jak i kobaltu z nieprzerabialnych dotąd odpadów – mówi dr inż. Kopyto.

Wolfram i kobalt znajdują się na liście krytycznych dla funkcjonowania gospodarki surowców opracowaną przez Komisję Europejską. Podobnie uznało w 2012 r. japońskie Ministerstwo Gospodarki, Handlu i Przemysłu. Biorąc pod uwagę strategiczne znaczenie tych metali, warto zastanowić się nad zapewnieniem stałego ich źródła. Gliwicka technologia doskonale się do tego nadaje, tym bardziej że instytut ma znakomite referencje przy opracowywaniu metod odzysku metali nieżelaznych, w tym takich, które naturalnie występują w śladowych ilościach. To tutaj powstała technologia, dzięki której koncern KGHM jest jedynym w Europie, a trzecim na świecie producentem renu, metalu spotykanego w znikomych ilościach. Warto więc czasami spróbować odzyskać coś, czego jest bardzo niewiele.

Eureka! DGP

Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.