Wykorzystanie skandu z przemysłowych produktów ubocznych
Ze względu na jego rzadkość występowania i ograniczoną produkcję skand jest obecnie jednym z najdroższych pierwiastków na rynku. Ten miękki, srebrzysty metal przejściowy jest od dziesięcioleci wykorzystywany do produkcji półprzewodnikowych ogniw paliwowych do oświetlenia o wysokiej intensywności, a także stopów Al-Sc stosowanych w wysokiej klasy sprzęcie sportowym i druku przestrzennym. Dostawy skandu ograniczają się jednak do importu z Azji i Rosji.
Przekształcanie odpadów przemysłowych w drogocenny skarb
W ramach finansowanego ze środków UE projektu SCALE podejmowane są pierwsze kroki zmierzające do stworzenia zamkniętego łańcucha dostaw skandu w Europie. Wykorzystanie przemysłowych produktów ubocznych, które obecnie są w większości usuwane i składowane, przyczynia się do realizacji przyjętego przez UE modelu gospodarki o obiegu zamkniętym. „Czerwony szlam powstały w wyniku produkcji tlenku glinu oraz odpady kwasowe z produkcji pigmentów z dwutlenku tytanu zawierają śladowe ilości skandu, które można by wykorzystać przy pomocy opłacalnej technologii ekstrakcji”, zauważa Efthymios Balomenos, starszy konsultant w greckiej firmie MYTILINEOS, zajmującej się energią i aluminium, pełniący także funkcję koordynatora projektu. Te koncentraty mineralne są następnie przetwarzane przy użyciu zaawansowanych technologii rafinacji w celu uzyskania czystych związków skandu. Czyste związki skandu są z kolei wykorzystywane jako surowiec do produkcji stopów przejściowych aluminium i skandu. Zespół projektu SCALE opracowuje przełomowe technologie mające na celu pokonanie barier związanych z wydobyciem i produkcją metali. Optymalizuje również technologie rafinacji, aby obniżyć koszty przetwarzania i wyeliminować stosowanie szkodliwych odczynników. Do tej pory udało się osiągnąć znaczne postępy w ekstrakcji skandu z czerwonego szlamu i odpadów kwasowych pozostałych po produkcji TiO2 na skalę pilotażową. Wykorzystując 10 ton czerwonego szlamu i 2 m3 odpadów kwasowych, badacze uzyskali koncentraty skandowe o zawartości skandu do 25 % wag. Opracowano również nowy schemat technologiczny rafinacji skandu, umożliwiający wydajną i elastyczną produkcję tlenku skandu (III) (Sc2O3) i fluorku skandu (III) (ScF3), bez konieczności stosowania powszechnie używanych niebezpiecznych substancji chemicznych, takich jak fluorowodór. Ponadto naukowcy przeprowadzili próby produkcji wysokowydajnych stopów przejściowych aluminium i skandu w zakładzie pilotażowym. Poprzez aluminotermiczną redukcję ScF3 lub koelektrolizę stopionej soli aluminium i Sc2O3 wyeliminowali oni potrzebę stosowania metalicznego wapnia, który jest bardzo drogim i trudnym do wytworzenia odczynnikiem. Prace prowadzone w ramach projektu SCALE będą kontynuowane w dwóch kolejnych prowadzonych przez organizację EIT RawMaterials projektach, które mogą przyczynić się do stworzenia łańcucha dostaw skandu w Europie. Pierwszy z nich ma na celu stworzenie procesu rafinacji skandu, w którym podstawowym surowcem są odpady kwasowe, a produktem Sc2O3. Drugi skupi się na dalszej optymalizacji i zwiększeniu skali ekstrakcji skandu z czerwonego szlamu.
Wykorzystanie potencjału stopów aluminium i skandu
Stopy aluminium ze skandem reprezentują nową generację stopów o wysokiej wytrzymałości i lepszych właściwościach w porównaniu do wszystkich innych stopów aluminium. Małe ilości skandu zwiększają wytrzymałość metalu, odporność na korozję, wielkość ziarna i odporność na rekrystalizację. Co ważne, pierwiastek ten zapewnia największy przyrost wytrzymałości na rozciąganie w przeliczeniu na procent atomowy niż jakikolwiek inny pierwiastek stopowy dodany do aluminium. „Producenci statków powietrznych mogliby wykorzystywać go na przykład do konstruowania samolotów o lżejszym szkielecie aluminiowym, które spalałyby przez to mniej paliwa”, zauważa Balomenos. „Zastosowanie skandu w ramach rowerowych wykazało 12-procentowe zmniejszenie ich wagi, 50-procentowy wzrost granicy plastyczności i 25-procentową poprawę trwałości zmęczeniowej w porównaniu z najlepiej sprzedającymi się aluminiowymi ramami rowerowymi”.
Słowa kluczowe
SCALE, skand, czerwony szlam, odpady kwasowe, Sc2O3, stop przejściowy aluminium ze skandem, ScF3, MYTILINEOS
