Спрос на никель в рамках глобального перехода к чистой энергетике растёт беспрецедентными темпами, однако запасы высокосортных сульфидных никелевых руд истощаются, вынуждая отрасль обратить внимание на низкосортные, трудноизвлекаемые ультраосновные руды. По оценкам, в таких ресурсах содержится около 45 миллионов тонн неосвоенного никеля. Университет Торонто совместно с компанией Vale Base Metals недавно опубликовал прорывное исследование в журнале «Communications Engineering», принадлежащем к группе Nature, в котором впервые описан новый низкотемпературный, преимущественно твердофазный процесс извлечения никеля. Используя дешёвое металлическое железо в качестве «уловителя никеля», при температуре ниже 950°C и за время около 3 часов можно получить ферроникель с содержанием никеля 16–24%, при этом полностью исключается выброс диоксида серы.

Промышленное внедрение этой технологии окажет глубокое влияние на устойчивость и экологичность глобальной цепочки поставок никеля.

Истощение высокосортных ресурсов: ультраосновные руды — «крепкий орешек»

Никель является ключевым сырьём для нержавеющей стали, никелевых сплавов и литий-ионных аккумуляторов, и его стратегическое значение возрастает в условиях перехода к чистой энергетике. Однако после многих лет добычи мировые запасы высокосортных сульфидных никелевых руд ускоренно истощаются. Хотя запасы низкосортных ультраосновных руд велики, их сложный минеральный состав и высокое содержание силикатов магния долгое время препятствовали их экономически эффективному использованию.

Существует два основных традиционных метода извлечения: высокотемпературная пирометаллургическая плавка, которая требует огромных затрат энергии и приводит к значительным выбросам диоксида серы, и гидрометаллургическое выщелачивание, отличающееся сложностью процесса, большим расходом реагентов и трудностями утилизации сточных вод. Оба подхода сталкиваются с экономическими и техническими ограничениями при переработке низкосортных ультраосновных руд, что приводит к длительному «замораживанию» таких ресурсов.

Четыре прорыва низкотемпературного твердофазного процесса

Команда исследователей с кафедры материаловедения и инженерии Университета Торонто (Wei Lv, Fanmao Wang, Brian Makuza, Sam Marcuson, Mansoor Barati) совместно с отделом технологий и инноваций Vale Base Metals разработала инновационный термический процесс, обеспечивающий четыре прорыва:

Стратегия «уловителя»: дешёвое металлическое железо целенаправленно «захватывает» никель

Ключевая инновация процесса заключается в использовании дешёвого металлического железа в качестве «уловителя никеля» (nickel getter). При тщательно контролируемых температуре, атмосфере и количестве добавляемого железа в реакторе создаются благоприятные термодинамические условия, которые позволяют никелю селективно мигрировать из руды и концентрироваться в металлической фазе сплава.

В отличие от предыдущих исследований, где железный порошок и концентрат агломерировали и нагревали до ~920°C, данный процесс обеспечивает эффективное извлечение при низких температурах (ниже 950°C). Техническая суть заключается в том, что железо захватывает серу из сульфидов, образуя немагнитный FeS, а избыточное железо образует с никелем ферроникелевый сплав — этот путь «твердофазного замещения» позволяет обойти высокотемпературные условия, необходимые для традиционной плавки.

Экологичность: полное исключение выбросов диоксида серы

Одной из главных экологических проблем традиционной выплавки никеля является выброс диоксида серы. Данный процесс стабилизирует серу в твёрдой сульфидной фазе, полностью предотвращая образование SO₂. Такая конструкция делает процесс устойчивым путём извлечения, полностью соответствующим целям декарбонизации металлургии.

Быстрота и эффективность: получение продукта за 3 часа, контролируемый размер частиц

Время обработки составляет всего около 3 часов, а полученный ферроникель содержит 16–24% никеля. Что ещё более важно, исследовательская группа добилась точного контроля размера и морфологии частиц сплава, что напрямую определяет эффективность последующего отделения сплава от пустой породы с помощью физических методов. Контролируемость размера и формы частиц позволяет эффективно использовать такие методы физического разделения, как магнитная сепарация.

Пилотное тестирование: ключевой шаг от лаборатории к промышленности

Процесс был проверен в пилотном масштабе (mini-plant scale), что свидетельствует о выходе технологии за пределы лабораторной стадии и создании технической базы для промышленного масштабирования. Исследование получило техническую поддержку от Vale Base Metals и финансирование от Канадского совета по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC).

Почему «низкотемпературная твердофазная» технология является ключевой?

Логика традиционного извлечения никеля — «высокотемпературная плавка»: руду нагревают до температуры, значительно превышающей её точку плавления, чтобы металлические компоненты расплавились и отделились. Этот путь требует огромных затрат энергии и неизбежно приводит к образованию большого количества SO₂.

Инновационная логика команды Университета Торонто — «твердофазное замещение»: при температуре, значительно ниже точки плавления, с помощью химической реакции между железом и сульфидом никеля никель мигрирует из руды в сплав в твёрдом состоянии. Преимущества этого подхода:

Значительное снижение энергопотребления: температура реакции снижается с более чем 1200°C при традиционной плавке до менее 950°C;

Отсутствие необходимости в плавильном оборудовании: твёрдофазная реакция может проводиться в более простых реакторах;

Сера «запирается»: сера стабильно существует в виде твёрдого FeS, а не выбрасывается в виде газообразного SO₂;

Упрощение процесса: не требуется сложная система очистки газов.

Исследователи создали благоприятные термодинамические условия в реакторе путём точного контроля температуры, атмосферы и количества добавляемого железа, что сделало возможным селективное обогащение никеля.

Освобождение 45 миллионов тонн никелевых ресурсов и перестройка глобальной цепочки поставок

Оживление «спящих» мировых ультраосновных никелевых ресурсов

По оценкам, мировые ультраосновные руды содержат около 45 миллионов тонн неосвоенного никеля. Эта цифра составляет значительную долю от разведанных мировых запасов никеля. Промышленное внедрение этой технологии позволит превратить эти ресурсы, долгое время считавшиеся «пустой породой», в экономически извлекаемые никелевые ресурсы, значительно расширив границы доступных мировых никелевых ресурсов.

Обеспечение поставок никеля для перехода к чистой энергетике

Никель является ключевым компонентом катодных материалов литий-ионных аккумуляторов (особенно высоконикелевых тройных материалов). С взрывным ростом рынка электромобилей мировой спрос на никель ускоренно растёт. Данная технология предоставляет новый источник ресурсов для смягчения дефицита никеля, напрямую служа глобальному переходу к чистой энергетике.

Содействие экологизации производства никеля

Нулевой выброс SO₂ в данном процессе резко контрастирует с традиционной пирометаллургией. В условиях ужесточения глобальных механизмов ценообразования на выбросы углерода эта технология предлагает производителям никеля экономически эффективную и экологически чистую альтернативу, которая может стать новым эталоном низкоуглеродного производства никеля.

Получаемый продукт может быть напрямую использован для рафинирования до аккумуляторного качества

Полученный ферроникель (16–24% никеля) может быть дополнительно переработан в никель аккумуляторного качества с помощью стандартных процессов рафинирования. Это означает, что технология не ограничивается стадией черновой плавки, а может бесшовно интегрироваться в конечные потребности цепочки новой энергетики.

От «ресурсного проклятия» к «освобождению ресурсов»

Ультраосновные руды долгое время считались «ни рыбой, ни мясом» — огромные запасы, но трудноизвлекаемые. Сотрудничество Университета Торонто и Vale началось в 2023 году с создания партнёрства в области устойчивой добычи. Теперь это сотрудничество принесло плоды.

Истинная ценность этой технологии заключается в переопределении границ «извлекаемых ресурсов». Когда высокосортные ресурсы истощаются, технологические инновации превращают бывшую «пустую породу» в будущее «богатство». Как отмечается в статье, этот процесс «расширяет технологическую карту извлечения никеля, способствуя созданию более справедливой и устойчивой глобальной цепочки поставок никеля».

В условиях сохраняющейся напряжённости на мировом рынке никеля и активной борьбы стран за цепочки поставок критически важных полезных ископаемых, эта технология «низкотемпературного твердофазного извлечения никеля», несомненно, стала «бомбой» для устойчивого снабжения мировыми никелевыми ресурсами. И на этот раз в центре взрыва — не высокотемпературная печь, а тихая «твердофазная революция».