Настоящее золото Рейна для освоения космоса: краткая история рения

История открытия

Дмитрий Менделеев предположил существование аналога марганца с атомным весом около 190. Русский ученый поэтому и дал наименование гипотетическому металлу: тримарганец. Реальное название (в честь реки Рейн) элемент получили в 1925 году, когда немецкие химики Вальтер Ноддак и Ида Такке обнаружили его в составе колумбита посредством спектрального анализа. Также в качестве первооткрывателя указывают их соотечественника Отто Берга. 

Металл рений (наряду с вольфрамом и молибденом) составляет троицу тугоплавких элементов. Одновременно с этим он способен длительно сохранять прочность при сверхвысоких температурах, вплоть до 3186°C . Внешне, металлический рений обладает светло-серебристым оттенком, тогда как его порошки имеют черный цвет.

Потребление

Аэрокосмическая отрасль — крупнейший потребитель рения (около 75%), где он компонент в составе тугоплавких суперсплавов, из которых изготавливаются детали, работающие в горячих зонах реактивных двигателей. Его можно считать зеленым элементом, поскольку двигатели на основе содержащих рений конструкционных материалов имеют более высокую топливную экономичность и, следовательно, более низкие выбросы углекислого газа. 

Крупнейшие производители двигателей (General Electric и Pratt & Whitney) считаются и крупнейшими покупателями рения во всем мире. Новые турбовентиляторные двигатели Pratt & Whitney займут самую большую долю рынка для узкофюзеляжных реактивных пассажирских самолетов, которые планируется построить в течение следующих 20–30 лет. Например, двигатели серии PW1000G требуют 5,4 кг рения в турбине высокого давления.

В меньшей доле (примерно 15% от всего потребляемого) рений востребован в составе катализаторов для производства бензина с высоким октановым числом. И в этой области он незаменим. Даже процесс очистки бензина назван рениформингом.

Имеются серьёзные перспективы рения в водородной энергетике. Как пояснил для нашего материала Кузнецов В. В., проф., д.х.н. РХТУ им. Д. И. Менделеева: «Уникальные электронные свойства атома рения, обладающего наполовину заполненным электронным d-подуровнем, делают его ценным катализатором для ряда химических и электрохимических реакций. Положение рения вблизи максимума «вулканообразной» зависимости скорости водородной реакции от энтальпии разрыва связи M–H обуславливает каталитические свойства его сплавов в реакции электрохимического выделения водорода (РВВ). Учитывая высокую стоимость рения, при разработке катализаторов необходимо продумывать их структуру с целью обеспечения максимальной удельной площади поверхности. Нами были показаны высокие каталитические свойства электролитических (Ni-Re) и полученных химическим осаждением (Ni-Re-P) сплавов рения в РВВ, что важно для совершенствования электролитического метода получения особо чистого водорода. Кроме того, имеются сведения о каталитическом действии рения при окислении малых органических молекул, что представляет интерес для практики низкотемпературных топливных элементов».

Добыча из недр

Источником рения являются молибденовые и медно-молибденовые руды порфировых месторождений, из которых рений извлекают исключительно как попутный компонент. Вторые по значимости медистые песчаники в Польше, Казахстане. Мировые запасы рения оцениваются в 2000 тонн (больше половины в Чили), добыча около 60 тонн в год, в том числе:

• Чили — 30;

• США — 9;

• Польша — 9;

• Узбекистан — 5;

• Китай — 3;

• Ю. Корея — 3;

• Прочие — 1 (Россия, Армения и др.).

Рений в России

Объем видимого потребления составляет около 7 тонн в год при импорте 5 тонн. Запасы рения в России скудны, его относят к группе дефицитных металлов. 

Запасы рения связаны с наличием его в месторождениях молибденовых руд (Сорском, Агаскырском, Мало-Ойногорском), медно-порфировых руд (Михеевском, Аг-Сукском), вольфрамо-молибденовых руд (Коклановском), урановых руд в песчаниках (Брикетно-Желтухинском), фумарольных газов вулкана Кудрявый (о. Итуруп). При этом активные запасы отсутствуют. При прогнозируемой потребности в 25 т (2032 год). Необходим поиск новых сырьевых источников, переоценка осваиваемых и вовлекаемых месторождений.

В РФ из первичного сырья рений не получают вовсе. Из-за низкого содержания рения молибденовые концентраты, производившиеся в России, никогда не служили источником этого металла. В результате весь рений, добываемый из недр, теряется при обогатительном и металлургическом переделах. Российские производители рениевой продукции работают на вторичном (переработка платино-рениевых катализаторов и жаропрочных сплавов) и импортируемом сырье.

В России существуют мощности по производству металлического рения, также освоена технология получения рениевой продукции (главным образом, перрената аммония).

Мощности по получению металлического рения есть в АО «Победит» (С. Осетия), АО «Гиредмет» (Москва), ООО «Молирен» (Московская обл.), ЗАО «Промэлектроника» (Саратов).

Патентный аспект

На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову rhenium. Рейтинг патентообладателей выглядит следующим образом:

1. General Electric Company — 2,5%;

2. Shell Oil Company — 2,4%;

3. Celanese International Corporation — 1,6%;

4. Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg — 1,1%;

5. Shell Internationale Research Maatschappij B.V. — 0,9%;

6. Sinopec (中国石油化工股份有限公司) — 0,9%;

7. Institut Francais Du Petrole — 0,9%;

8. Neorx Corporation — 0,9%;

9. Advanced Technology & Materials Co., Ltd. (安泰科技股份有限公司) — 0,8%;

10. Exxon Research And Engineering Company — 0,7%.

Рейтинг пяти самых активных авторов такой:

1. Victor J. Johnston — 1,5%;

2. Heiko Weiner —  1,4%;

3. Marek Matusz — 1,3%;

4. James H. Zink — 0,9%;

5. Udayan Patel — 0,9%.

Среди компаний преобладают в основном американские и китайские корпорации — аэрокосмические и нефтегазовые. Авторы тоже в основном американцы. В тематике патентов лидируют химические и физические процессы, например катализ, коллоидная химия с участием рения; аппараты для их проведения; упоминаются ациклические и карбоциклические соединения; сплавы на основе рения. Примеры:

1. A method for reusing rhenium from a donor spent epoxidation catalyst — CN101336135B; 

2. Rhenium-containing transalkylation catalysts and processes for making the same — US7456124B2.

В базе ФИПС на «рений» числится 523 патент РФ на изобретения, из которых 179 действующие. Тематика разнообразна. Больше всего патентов посвящено способам получения рения и его соединения, а также материалов на его основе (катализаторы, сплавы) — 182 ед. (разделы B и  C международной патентной классификации). Например, патент №2740182 от Института вулканологии, №2802918 от РХТУ.

На втором месте стоят детали турбин (9 патентов), на третьем медицина, рений-188 (8 патентов). 

Единичные изобретения касаются инструментов, устройств на основе радиоактивных излучений и компонентов электрических приборов.

В базе ФИПС числится 11 патентов РФ на полезные модели, из которых только один действующий. Это №158401 (устройство генератора радионуклидов). 

Программ для ЭВМ по рению нет. 

База данных зарегистрирована в ФИПС всего одна: №2019621180 «Данные биораспределения перрената натрия (рений-188) в организме интактных мышей при разных способах введения» от НМИЦ радиологии.

Перспективные исследования по рению

В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 1144 документов, в основном отчёты по НИР по грантам и диссертации. Большинство из них в области извлечения рения, высокотемпературных сплавов и катализа. В частности, в РХТУ им Д. И. Менделеева под руководством проф. Трошкиной разработаны и сорбционные методы извлечения рения из разбавленных растворов с использованием активированных модифицированных углей с элюированием рения при комнатной температуре, а также оценена возможность сорбционного выделения рения из растворов подземного выщелачивания полиметалльных руд,  а также растворов комплексной переработки концентрата редких элементов, образующегося при охлаждении вулканических (фумарольных) газов (вулкан Кудрявый, о. Итуруп). 

Наше внимание привлекли сведения о начинаемых научно-исследовательских работах. 

Тему «Разработка методов получения и химической модификации пниктоген- и халькогенсодержащих кластерных комплексов рения, молибдена и вольфрама» взял  Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (Миронов Ю. В.) за 21 млн руб. от РНФ. Проект направлен на решение комплекса актуальных научных проблем, связанных с созданием и исследованием новых высокоэффективных материалов на основе координационных соединений металлов. 

Октаэдрические халькогенидные кластеры как активные элементы электрохромных материалов с возможностью гибкого контроля оптических свойств стали объектом исследования всё того же ИНХ СО РАН.

Заключение

По подсчетам специалистов мировой спрос при текущей потребности порядка 70 тонн в год должен увеличиться на 20 тонн и составит в 2030 году уже 85-95 тонн. Основной драйвер — авиационная промышленность, а также, возможно, нефтегазовая. 

В России к 2032 году спрос может увеличиться до 25 тонн при текущей потребности в 7 тонн. Пока в РФ наблюдается существенная зависимость от импорта (в этом году около 5 тонн), правда, в основном из дружественного Узбекистана.

Ну не слишком выгодно извлекать рений при переработке отечественных руд. 

К сожалению, изобретательская и патентная активность по рению в России очень скудные. 

Редакция выражает благодарность проф. РХТУ им. Д. И. Менделеева Ирине Дмитриевне Трошкиной за помощь в подготовке статьи.

Полезное от Онлайн Патент:

1. Как получить господдержку для IT-компании?

2. Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?

3. Как защитить базу данных клиентов?

4. Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?  

5. Руководство по товарным знакам в 2024 году.

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале