Первое месторождение бокситов открыто близ французского города Бо в 1821 г. [53, с. 18]. Способ производства алюминия из них был примитивен и непроизводителен. За 35 лет во всем цивилизованном мире выплавлено всего 200 т алюминия. А между тем повый металл отличался невиданной легкостью и прочностью. Начали искать другие способы разложения бокситов. В 1889—1892 гг. Карл Иосиф Байер, работая на Тенте- левском заводе в Санкт-Петербурге (ныне завод «Красный химик») и на Елабужском заводе, нашел способ извлечения глинозема из бокситов [53, с. 139]. Благодаря ему производство алюминия начало разрастаться скоростными темпами. Сейчас оно уступает по тоннажу только выплавке стали и чугуна.

Алюминий стал стратегическим металлом. Без алюминия немыслимы судостроение, авиация, космонавтика. Алюминиевые сплавы используются в строительстве высотных зданий.

Бурная добыча бокситов привела, однако, к повсеместному сокращению их запасов. Подсчитано, что руды едва ли хватит до конца текущего столетия. Дальше — алюминиевый голод.

Между тем алюминия в природе много. В одной из предыдущих глав мы уже говорили, что по распространенности в земной коре элемент занимает третье место — после кислорода и кремния. Алюминий входит в состав многих драгоценных камней — рубина, сапфира, изумруда, шпинели, гранатов. Нефелины, полевые шпаты, алуниты, граниты, обыкновенная глина, наконец,— всюду есть алюминий. Но как извлечь его в чистом виде? Способ Байера непригоден, другие способы дороги и громоздки. Ситуация напоминает один из юмористических рассказов Стивена Ликока: герой умирает от голода на груде консервных банок. У него нет ножа, чтобы вскрыть их.

Такой консервный нож для вскрытия алюмииийсодер- жащих пород нашли В. Д. Пономарев и В. С. Сажин. В 1957 г. они опубликовали статью «Гидрохимический щелочной способ переработки нефелиновых пород», в которой изложили идею, подкрепленную опытами [54].

С тех пор прошло четверть века. Идея многократно проверялась п подтверждалась. Ее распространили на многие горные породы, а самому способу, не сговариваясь, дали название — способ Пономарева — Сажина [55—58].

Почему ученые в первую очередь заинтересовались именно нефелином? Потому что месторождения его многочисленны. Потому что все компоненты руды нужны человеку, отходов быть не может. В самом деле, нефелин состоит из оксидов натрия, алюминия и кремния. О необходимости алюминия мы уже знаем. А вот оксид натрия — это щелочь и сода; оксид кремния — это строительные материалы.  

Как же разделить нефелин на составные части?

Пономарев и Сажин предложили измельчить нефелиновую породу и загрузить ее в автоклав. Добавить гашеной извести, гидроксида натрия (щелочи), воды и плотно закрыть. Поднять температуру до 560 К (давление паров в автоклаве при этом возрастет до 3—4 МПа). Через некоторое время нефелин разложится. Алюминий перейдет в раствор, а оксиды кальция и кремния свяжутся в нерастворимый натриево-кальциевый гидросиликат (НКГС) [57].

Исследования показали, что в раствор переходит более 90% алюминия. К сожалению, вместе с ним в растворе оказывается небольшое количество кремнезема (около 4 г на 1 л раствора). Но и его достаточно, чтобы в дальнейшем загрязнить металл. Представим, однако, что каким-то чудом от кремнезема мы избавились. Как будет протекать процесс дальше?

С помощью фильтров отделим НКГС от алюминатного раствора. Перегрузим его в автоклав и зальем обыкновенной водой. После двухчасовой обработки НКГС разложится на щелочь и монокальциевый гидросиликат, который используется в цементном производстве. Таким образом, два первых ценных продукта из нефелина мы уже получили:

NaCaHSi04 + 2H20=GaSi03. Н20 + NaOH + Н20. (3j

Для получения же алюминия необходимо провести ряд промежуточных работ. Вначале из раствора выпариванием осадим алюминат натрия. Потом снова растворим его в воде, добавим для затравки порошок гидроксида алюминия и оставим так на несколько суток (в этом и заключается сущность способа Байера). Алюминат натрия самопроизвольно разложится на гидроксид алюминия и щелочь:

NaA102 + 2Н20=А1(0Н)З + NaOH. (4)

Затем гидроксид отфильтруем и прокалим в огромных горизонтальных трубах (их длина достигает едва ли не сотни метров). В результате получается порошкообразный корунд:

2А1(ОН)З=А12ОЗ + ЗН20.  (5)

Корунд сам по себе является товарным продуктом. Он применяется, например, при промышленном синтезе рубина и гранатов, в качестве абразивного материала. А для извлечения алюминия его растворяют в криолите, через который пропускают постоянный электрический ток. При этом у катода собирается расплавленный алюминий, а у анода — кислород. Вот и все. Крылатый металл, как его назвал А. Е. Ферсман, у нас в руках.

По способу Пономарева—Сажипа можно разложить не только нефелин. Многочисленные ученики академика В. Д. Пономарева доказали, что способ применим для алунитов, глин, андалузита, серицита, альбита, ортоклаза, сподумена, лейцита, берилла, дистепа — все минералы пе перечислить. Даже из таких бросовых на первый взгляд материалов, как доменные шлаки и каменноугольные золы, можпо извлекать глинозем [55—58]. В сферу производства вовлекаются также бокситы с высоким содержанием кремнезема и железа, которые по способу Байера не разлагаются. Призрак алюминиевого голода перестал страшить человечество.

Да, по как быть с алюмипатными растворами, в которых растворен кремнезем? Ведь он не только загрязняет конечный продукт. Оп сильно мешает кристаллизации алюмината натрия. Раньше мы просто отписались — кремнезем, мол, каким-то чудом удален из раствора. Чудес пе бывает. Обескремнивапие алюминатного раствора — теоретически сложная и практически трудноосуществимая задача. Известные способы обескремниваиия далеки от совершенства [53, с. 46; 60, с. 130].

И вот в 1962 г. ленинградская ученая О. И. Аракелян публикует статью, в которой описаны различные твердые продукты глиноземного производства [59]. Среди них опа выделила трехкальциевый гидроалюминат и гидро- гроссуляры, уже известные нам по работам Е. П. Флинта, Д. М. Роя и Р. Роя. О. И. Аракелян высказала мпе- ние, что гидрограпаты могут быть использованы для обескремнивапия алюминатпых растворов. Оригинальная идея получила подтверждение в работах казахстанцев.

Они вводили в алюминатный раствор трехкальциевый гидроалюминат или оксид кальция и крутили автоклавы при температурах 350—570 К. После окончания опыта раствор фильтровали и отдавали на химический анализ. Результаты оказались более чем убедительными. Если в па- чале опыта 1 л алюминатпо- го раствора содержал 4 г кремнезема, то после опыта в кем с трудом обнаружили исчезающе малые количества этого вредного оксида. А в твердой фазе под микроскопом увидели мельчайшие те- трагонтриоктаэдрьт гидро- гроссуляра.

Синтез гидропиронов является примером нередкого отставания теории от практики. Дело в том, что возможность обескремнивания алюминатных растворов с помощью оксида магния была известна и нашим, и зарубежным ученым. Неясны были только причины обескремнивания С другой стороны, многие ученые исследовали твердые фазы, содержащие оксид магния. Однако граната не обнаружили из-за его весьма малы к размеров (всего несколько микрометров в поперечнике!) и незначительного количества [61, 62]. Ситуация неприятная. Практики вслепую обескремнивают алюмипатные растворы, теоретики пожимают плечами. И тут прошио- пулась мысль: в твердой фазе должен быть гидропироп! Поставили специальные опыты с целью получения большого количества сравнительно крупных кристаллов. Полгода бились в поисках наилучших условий проведения опыта. И вот, накопец, под микроскопом увпдели кристаллы, своими формами напоминающие октаэдры и гексаэдры. Исследовали их различными методами п убеди: псь, что это гидропиропы [51, 52, 60]. Теперь все стало яспым. Можно с уверенностью писать формулу (7).

Параллельно с обескремниванием алюминатных растворов казахстанская группа ученых обратила внимание па бокситы, из которых глипозем по способу Пайера не извлекался. Это были плохие, грязные бокситы. Они содержали много кремнезема и гидроксидов железа (обыкновенной ржавчины). Их даже тте рассматривали как руду. Кремний и железо мешали извлечепшо глинозема. Кремний и железо... Постойте, постойте! Кремний и железо—это же почти апдрадит! Не хватает только оксида кальция. Л что если перемешать ржавые бокситы с оксидом кальция, загрузить в автоклавы со щелочным раствором и покрутить при различпых температурах? Может быть, в осадок выпадет гидроапдрадит, я весь алюминий останется в растворе? Начали пробовать, экспериментировать. Протто несколько лет, пока пат л и нужпую температуру, концентрацию тпелочпого раство- ра, соотношение исходных компонентов, которые позволили предложить новую схему переработки «плохих» (поставим это слово уже в кавычки) бокситов От. способа Пономарева—Сажипа она отличается тем, что при автоклавной обработке образуется не бесцветный 1ТКГС, а желтовато-зеленый гидроандрадит

Все последующие операции новой схемы не отличаются от способа Пономарева—Сажина. Добавим, что в процессе работ был обнаружен гидрогранат, являющийся твердым раствором между гидроандрадитом и гидрогрос- суляром (гидрогессонит) [49, с. 111].

Гидрогранатов стало много. Чтобы не запутаться, соберем их в табл. 3, как делали это раньше для природных гранатов.