Skarby polskiej ziemi (2): Ren kosmiczny


08-09-2020 21:24:30

Data 23 marca 1957 r. jest jedną z najszczęśliwszych w historii polskiej gospodarki. Grupa geologów pod kierunkiem dr. Jana Wyżykowskiego odkryła w próbkach wydobytych w okolicach Sieroszowic na Dolnym Śląsku dużą zawartość chalkozynu – bogatej rudy miedzi. Tak zaczęła się historia najważniejszego polskiego surowca mineralnego, a później potężnego kombinatu KGHM Polska Miedź S.A.

Wtedy jednak nikt się nie domyślał niespodzianek, jakie jeszcze kryją dolnośląskie złoża. Jedną z najciekawszych jest ren. To najrzadszy i najdziwniejszy ze znanych metali. Nigdzie nie odkryto rud renu, których wydobycie byłoby opłacalne – zawsze jest on produktem ubocznym, ale produktem o właściwościach – kosmicznych. Większość światowych rezerw zalega w zachodnich Kordylierach w Ameryce Północnej i Ameryce Południowej, rozciągających się od Alaski i Kolumbii Brytyjskiej przez Stany Zjednoczone i Amerykę Środkową po Andy w Peru i Chile. Niektóre złoża osadowe zawierające ren zalegają w Kazachstanie i krajach sąsiednich. Tyle wiemy od niedawna, więc z całą pewnością ujawnią się nowe źródła.

Metal XXI wieku

Już w latach 50. XX w. opracowano i zastosowano stopy renu z molibdenem i wolframem w silnikach lotniczych o najwyższych parametrach oraz z platyną jako katalizatory do produkcji wysokooktanowej benzyny bezołowiowej. Luminescencyjne kompleksy renu są dziś stosowane w tomografii komputerowej i znacznikach wewnątrzkomórkowych oraz w anodach lamp rentgenowskich. Stopy wolframu i renu są bardziej plastyczne w niskich temperaturach, dzięki czemu są łatwiejsze do obróbki. Ren pozwala stykom elektrycznym na samooczyszczenie, kiedy wyładowanie występujące podczas przełączania utlenia styki.

Drugim największym odbiorcą renu jest branża petrochemiczna, wykorzystująca 15% światowej podaży pierwiastka do produkcji katalizatorów używanych przy rafinacji bezołowiowych benzyn. To tylko część zastosowań. Dochodzą silniki rakietowe. Trudno dziś polecieć w kosmos bez renu. Stąd też jego wysokie ceny, które w okresie koniunktury sięgały już kilkunastu tys. USD za 1 kg. W ostatnich latach otworzyła się nowa dziedzina zastosowań: ze względu na chemiczną odporność i biozgodność ren jest doskonałym składnikiem kompozytów implantów medycznych. Roczne tempo wzrostu zużycia renu wynosi 3%, więc ceny będą wzrastać.

Odpad lepszy niż złoto

Okazało się, że odpady Huty Miedzi Głogów zawierają wiele wartościowych pierwiastków, m.in. właśnie ren. W 2007 r. na oddziale hydrometalurgii, należącym do spółki KGHM Ecoren wytwarzającej nadrenian amonu, uruchomiono instalację do produkcji tzw. eluatów renowych, czyli skoncentrowanego roztworu renu. Kolejnym krokiem była przeróbka nadrenianu amonu na ren metaliczny. Od kwietnia 2010 r. w ramach Zakładu funkcjonuje fabryka czystego renu. Autorami technologii odzysku są inżynierowie z Instytutu Metali Nieżelaznych (IMN) i Ecorenu. Spółka zdążyła zrealizować ważne kontrakty z brytyjskim koncernem Johnson Matthey, produkującym katalizatory, oraz z firmą Rolls-Royce (do silników lotniczych oraz myśliwca wielozadaniowego 5. generacji Lockheed Martin F-35B Lightning II).

W 2014 r Ecoren został wchłonięty przez spółkę KGHM Metraco. Wykorzystuje ona kwaśne ścieki przemysłowe pochodzące z procesu produkcyjnego Huty Miedzi Legnica i Huty Miedzi Głogów, otrzymując krystaliczny nadrenian amonu o zawartości 69,4% renu i jakości katalitycznej.

Zakład w obrębie Huty Miedzi Legnica produkuje ren metaliczny w peletach o zawartości 99,95%. KGHM oczyszcza tzw. szlam anodowy po elektrorafinacji miedzi. Zawiera on m.in. także srebro, złoto i platynę. Polscy naukowcy dopracowali proces tak, że nawet opłaca im się kupować ten odpad od innych producentów miedzi, dzięki czemu KGHM jest w czołówce światowych producentów srebra (1. miejsce w 2011 r.).

Ren metaliczny produkowany przez KGHM ma postać szarych tabletek. Stosowany jest do produkcji elementów silników lotniczych i turbin gazowych oraz do żarników i osłon termicznych. Wysoka jakość renu metalicznego KGHM jest gwarantowana certyfikatami laboratoriów światowych, a stabilność jakości oraz dostaw posiadaniem przez KGHM stałego źródła – własnych depozytów miedzi zawierających ten pierwiastek. Nadrenian amonu ma wygląd białego, krystalicznego proszku.

Nadzieje w nowych technologiach

Prace nad „renowymi" technologiami nabierają tempa. Nową technologię otrzymywania stopów ren-nikiel IMN zgłosił na ostatnich targach INTARG w Gliwicach. Jest to Innowacyjna metoda otrzymywania z roztworów wodnych stopów Re-Ni, wykorzystywanych jako materiał na stopy wstępne, zaprawy w procesach komponowania stopów specjalnych, trudnotopliwych czy nadstopów. Zwarte, metaliczne i jednorodne stopy Re-Ni, otrzymane metodą elektrochemiczną, to alternatywa dla dotychczasowych kosztownych, skomplikowanych, energochłonnych metod produkcji renu i jego stopów. Stosowane jako dodatek do superstopów zawierających metale wysokotopliwe obniżają koszty wytwarzania, ograniczają straty renu, eliminują odpady i ścieki z technologii ich produkcji. Zwarte, metaliczne i jednorodne osady katodowe Re-Ni mogą stanowić materiał na stopy wstępne, zaprawy w procesach komponowania stopów specjalnych czy superstopów niklowych.
Stopy te są między innymi używane do produkcji monokrystalicznych łopatek turbin silników odrzutowych, elementów turbin energetycznych i osłon pojazdów kosmicznych. Dodatek 3–6% renu do superstopów umożliwia pracę silników w wyższych temperaturach, co poprawia ich osiągi i zmniejsza zużycie paliwa. Właścicielem patentu jest Centrum Innowacji i Transferu Technologii IMN.
W światowym wyścigu

Polska jest jednym z trzech na świecie, a jedynym w Europie producentem renu w różnych postaciach. O utrzymanie tej pozycji trzeba walczyć,  bowiem ze względu na nikłe zasoby naturalne, równie szybko rozwijają się innowacje recyklingowe, wykorzystujące zużyte elementy silników i katalizatorów. Celują w tym Niemcy i Stany Zjednoczone, Estonia i Rosja. Zasób zużytych katalizatorów rośnie szybko. We wczesnych latach 70. Chevron Corp. opracował serię katalizatorów platynowo-renowych, które nie reagują z siarką. W odpowiedzi na kryzys naftowy w latach 70. i 80. XX w., opracowano drugą generację bardziej wydajnych katalizatorów z dwukrotnie wyższą zawartością platyny i renu, zwiększając wydajność rafinerii i poziom oktanowy. Ponieważ cykl życia łopatek turbin silników odrzutowych wynosi ok. 10 lat, gromadzą się znaczne ilości łopatek drugiej generacji (zawierających 3% renu). Opracowywana jest technologia umożliwiająca ich recykling w celu odzysku renu, który można wykorzystać do produkcji nowych łopatek trzeciej generacji, potencjalnie zmniejszając zapotrzebowanie na pierwotny ren o połowę.

Globalne możliwości recyklingu renu wynoszą ok. 30 t rocznie. To stawia nowe wyzwania przed polskimi producentami – Ecoren już postawił w dużej mierze na odzyskiwanie tego rzadkiego pierwiastka ze złomu.

Na rynkach rzadkich metali walka się zaostrza, więc tacy potentaci jak Rosja i Chiny badają możliwości uzyskiwania renu z magmy wulkanicznej. Badacze rosyjscy odkryli, że w wulkanie na wyspie Iturup (Etorofu), można odnaleźć ren, który wydostaje się razem z gazami z głębi Ziemi. Wulkan leży na części Wysp Kurylskich, do których roszczenia zgłaszają Japończycy, którzy utracili te tereny po II wojnie światowej. Niewątpliwie przyszłość polskiego renu nie będzie więc łatwa.

Zygmunt Jazukiewicz

 

Miejsce renu w układzie okresowym Mendelejewa ziało pustką aż do 1928 r., kiedy niemieccy chemicy Ida i Walter Noddackowie wydzielili z rud molibdenu pierwiastek o liczbie atomowej 75. Nazwali go renem, darząc sentymentem rodzinną rzekę. Był ostatnim odkrytym pierwiastkiem, który występuje w formie stabilnego izotopu na Ziemi. Trudności w jego odnalezieniu wynikały z tego, że jest niezwykle rzadki – jego zawartość w skorupie ziemskiej ocenia się (na razie) na 17 tys. t. (!), a roczne wydobycie wynosi ok. 48–49 t.

Ren jest rzadkością pod względem właściwości fizycznych: metalem ogniotrwałym o temperaturze topnienia 3186°C i wrzenia 5627°C. Ma gęstość zbliżoną do platyny – 20,53 g/cm3. Jest plastyczny, odporny na pełzanie, zużycie i korozję. Dodatek renu wydłuża 100-krotnie trwałość elektrod wolframowych w lampach elektronowych. 70% światowej produkcji wykorzystuje się do superstopów w silnikach lotniczych. Zawierają zwykle 3% lub 6% renu w silnikach F-15 i F-16, a nowe stopy trzeciej generacji stosowane w silnikach F-22 i F-35 – 6% renu. Superstopów innego typu używa się w silnikach turbin gazowych, takich jak GE 7FA.

Samolot amerykańskich sił powietrznych F-15 zawierający ren w wysokotemperaturowych nadstopach, w turbinach silników odrzutowych. Turbina ma 60 pojedynczych kryształowych ostrzy. Silnik spręża powietrze i wpycha je do komory spalania, gdzie paliwo spala się gwałtownie w ograniczonej przestrzeni, wytwarzając strumień gazu, który obraca łopatki z dużą prędkością i wytwarza odpowiedni ciąg.

Każde ostrze wytwarza moc równą takiej, jak auto terenowe. Silnik ma prędkość 40000 obr/min, prędkość styczna wynosi ok.450 m/s, a temperatura ok. 1720°C. Ren metaliczny wzmacnia monokryształy łopatek.

 

 

 

 

 

 

Ren w szarych tabletkach z KGHM.

 

 

 

 

 

Ren metaliczny polskiej produkcji (fot. KGHM)

 

 

 

Turbina gazowa dużej mocy General Electric 7FA z nadstopami renu. (fot. GE)

 

 

 

 

Myśliwiec 5 generacji F-35 również w Polsce nie poleci bez renu.(fot. usasalute.com)

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl