Адсорбция рения из раствора, содержащего органические примеси

Преобразование отходов в ценный ресурс

Современные технологии — от авиационных двигателей до электроники — опираются на редкие металлы, которые трудно и дорого извлекать чистыми. Один из таких металлов — рений, ценимый за прочность при высоких температурах. К сожалению, существующие методы производства часто загрязняют растворы, богатые рением, стойкими органическими веществами, что повышает экологические риски и удорожает обработку. В этом исследовании рассматривается изящная идея: использовать промышленные и сельскохозяйственные отходы — специальные коксующиеся мелочи и рисовую шелуху — для создания недорогих фильтров, которые очищают такие загрязнённые растворы и одновременно позволяют более эффективно извлекать рений.

Почему важны рений и сточные воды

Рений играет незаметную, но критичную роль в высокопрочных сплавах и катализаторах, однако встречается он лишь в следовых количествах и обычно как побочный продукт переработки меди и молибдена. Для его разделения промышленность использует жидко-жидкую экстракцию с органическими растворителями. Эти растворители просачиваются в технологические потоки и сточные воды, осложняя последующую очистку и добавляя в окружающую среду токсичные соединения. Традиционные решения, такие как высокотемпературный обжиг или специализированные ионообменные смолы, требуют больших энергозатрат, дороги или быстро забиваются органическими примесями. Поиск простого и селективного способа удалить одновременно органику и рений мог бы сделать производство редких металлов чище и дешевле.

Повторное использование рисовой шелухи и коксовой пыли

Исследователи обратились к двум доступным в Казахстане видам отходов: рисовой шелухе с сельхозпредприятий и мелким частицам специального кокса, используемого в металлургии. Рисовую шелуху промывали, подвергали пиролизу в отсутствии воздуха, затем активировали паром и обработали щелочным раствором, получив высокопористый углеродный материал с множеством мелких, реакционноспособных пор. Коксовую пыль использовали без дополнительной обработки. Микроскопия и химический анализ показали, что оба материала в основном состоят из углерода с минеральными включениями, но существенно отличаются по строению пор. Эти различия оказались решающими: коксовая пыль лучше поглощала органические примеси, тогда как модифицированный углерод из рисовой шелухи особенно эффективно захватывал ионы рения.

Как работают новые фильтры

В простых тестах с перемешиванием каждый материал подвергали действию реальных производственных растворов, содержащих и рений, и сложную смесь органических соединений. Коксовая пыль селективно удаляла органику — до примерно трети при кислых условиях — при этом почти не снижая концентрацию рения в растворе. Активированный сорбент из рисовой шелухи, напротив, захватывал большую часть рения (около 90% при умеренных концентрациях) после того, как органика была в значительной мере удалена. Его поведение хорошо описывалось известными математическими моделями адсорбции, что указывает на формирование компактного однослойного покрытия рения на поверхности углерода и на контролируемый, предсказуемый ход процесса. В проточных испытаниях емкость материала по рению достигала примерно 120 миллиграммов на грамм сорбента, что значительно превышало показатели в статических стаканных экспериментах.

От лабораторных колонн к мини-заводу

Чтобы смоделировать промышленную работу, команда собрала небольшую каскадную систему из стеклянных колонн. Первые три были заполнены коксовой пылью для предварительной очистки поступающего раствора, содержащего высокие концентрации и рения, и органических загрязнителей. В последней колонне располагался сорбент из рисовой шелухи для захвата самого металла. При выбранной средней скорости потока, которая учитывала время контакта и пропускную способность, система удаляла примерно три четверти органических примесей и восстанавливала до 97% рения до насыщения фильтров. Химическое профилирование жидкости до и после обработки показало резкое снижение многих проблемных органических молекул, включая отдельные кислоты и альдегиды. Спектроскопические измерения подтвердили, что рений связывается с углеродом из рисовой шелухи в виде рений–оксигенсодержащих видов, распределённых по углеродным волокнам.

Замыкание цикла в циркулярном процессе

Помимо извлечения рения, исследователи показали, что металл можно вымыть из сорбента из рисовой шелухи тёплым раствором аммиака, восстановив около 90% связанного рения и оставив углерод готовым к повторному использованию с незначительной потерей эффективности. Израсходованную коксовую пыль и побочные продукты обработки рисовой шелухи можно направлять на изготовление огнеупорных материалов, а технологические воды — повторно использовать в схеме. Для неспециалиста вывод прост: при грамотной переработке потоков отходов можно превратить сельскохозяйственные остатки и промышленную пыль в почти безотходную систему фильтрации, которая одновременно очищает загрязнённую технологическую воду и возвращает ценный редкий металл. При масштабировании такой подход может сделать производство редких металлов более устойчивым, экономичным и экологически ответственным.

Цитирование: Yefremova, S., Kablanbekov, A. Rhenium adsorption from an organic impurity–containing solution. Sci Rep 16, 7353 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38148-9

Ключевые слова: восстановление рения, сорбенты из отходов, биоуголь из рисовой шелухи, очистка промышленной сточной воды, циркулярная экономика