A vörösiszap lúgosságát okozó komponensek kutatására nyert Bolyai-ösztöndíjat Dr. Kutus Bence

– Meglepő volt idén nyáron arról olvasni, hogy az SZTE MASOST kutatócsoportja a 2010-es ipari katasztrófa során nagy károkat okozó vörösiszap hasznosításához kapcsolódó témát kutat. Milyen felhasználásra lehet esély?

– Fontos először is megemlíteni, hogy a timföldgyártás során az úgynevezett Bayer-eljárással a bauxitból alumínium-oxidot, vagyis timföldet állítanak elő, majd a timföldből elektrolízis segítségével fém alumínium készül. A timföld világszerte az egyik legnagyobb mennyiségben gyártott alapanyag, ugyanakkor minden tonna előállított timföldre 0,5-2,5 tonna vörösiszap jut, vagyis a folyamatban több hulladék képződik, mint amennyi timföldet előállítanak. Ezzel a rengeteg hulladékkal tehát hosszú távon kezdeni kell valamit, ami a fenntartható társadalom elvének megfelelően újrahasznosítást jelent. A vörösiszap felhasználását illetően több próbálkozás is történt. Vizsgálják, hogy megfelelően kezelt formában használható-e talajrekultivációs célokra – egyes kutatások igazolták, hogy kipusztult fás vegetációjú terület a vörösiszapból létrehozott talajjavítóval kezelve újra erdősíthetővé válik. Egy másik kutatási irány a vörösiszap cement- és téglagyártásban történő alkalmazhatóságának vizsgálata, ami az építőipar számára rendkívül hasznos. A hagyományos portlandcement kiégetése ugyanis 1300-1500 °C fokon történik, ami meglehetősen energiaigényes folyamat. Más, alternatív cementek esetén ez a hőmérséklet több 100 °C-kal csökkenthető; ezek egyik adalékanyaga lehet a vörösiszap. Ezen kívül a vörösiszap nagy hatékonysággal képes bizonyos nehézfémek megkötésére, ezáltal a szennyvíztisztításban is fontos szerephez juthat. A felsorolt alkalmazások előtt azonban az a legnagyobb akadály, hogy a vörösiszapnak nagyon magas, gyakran 11 fölötti a pH-értéke.

– Mitől lesz ennyire lúgos a vörösiszap? És miért nem egyszerű savval kezelni?

– A Bayer-folyamatban a bauxitot 150-250 °C fokon tömény nátrium-hidroxid oldattal reagáltatják, ez kioldja az ércben lévő alumínium-hidroxidot, amit kikristályosítanak és kiégetnek, így keletkezik a timföld. A lúgosság egyik fő forrása a folyamat során visszamaradó nátrium-hidroxid. A probléma megoldásának legkézenfekvőbb módja a semlegesítés, tehát a vörösiszap pH-jának csökkentése (legalább 8-ra) savas kezeléssel – a folyamat elve nagyon hasonló a középiskolában vagy egyetemen megismert sav-bázis titrálásokhoz. A vörösiszapnak azonban van egy rossz tulajdonsága: a pH alapján kiszámolt mennyiségű savat hozzáadva gyorsan csökkenthető ugyan a pH értéke, de lassan, néhány hét alatt visszaáll az erősen lúgos kémhatás. Ennek az az oka, hogy a vörösiszapban bizonyos szilárd komponensek folyamatosan kioldódnak és visszalúgosítják az iszapot. A fő komponens a vas-oxid, ez adja a vörösiszap vörös színét, de kémiailag ez egyszerű ballasztanyag, nem ez okozza a lúgosságot. A magas pH-t okozó összetevők főként a Bayer-folyamat során képződnek, mint pl. a trikalcium-aluminát, a kalcium-karbonát, valamint a lúgosító komponensek egy külön csoportját alkotó, aluminoszilikátok csoportjába tartozó szodalitok. A nevük is mutatja, hogy ezek nátriumtartalmú vegyületek (nátrium angolul sodium), melyek a zeolitokkal nagyfokú szerkezeti hasonlóságokat mutatnak. A szodalitok mindjárt a Bayer-folyamat egyik legelső lépésében képződnek: a bauxit ugyanis több-kevesebb mennyiségben kaolinitet (egy másik aluminoszilikátot) tartalmaz, ami hajlamos beoldódni a forró nátrium-hidroxidba. Egy külön szilikátmentesítési lépésben az így feloldódott szilícium szodalitok képződése közben újra kiválik, amit a vörösiszaphoz kevernek. Környezetvédelmi szempontból azonban a szodalit kétszeresen is negatív hatású, mert míg a trikalcium-aluminát és a kalcium-karbonát csak a lúgosságot növeli, a szodalit miat a nátriumtartalom is emelkedik; utóbbi – amennyiben rekultiváció a cél – nem kedvező a növények számára.

Dr. Kutus Bence. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

– Ez azt jelenti, hogy már a gyártási technológia végén kellene kezelni a vörösiszapot?

– Manapság a technológia végén már nem csak egyszerűen elhelyezik egy tárolóban a vörösiszapot, mint az ajkai katasztrófát megelőzően tették, hanem általában savas előkezelésnek és szárításnak vetik alá. Sajnos az így képződő, paszta vagy granulátum állagú „iszap” legfelső rétegeiben a légköri szén-dioxid miatt szódaréteg képződhet, amit a szél könnyen széthord. Továbbá vízzel történő érintkezés esetén a már fent említett oldódási folyamatok miatt ismét kialakul a lúgos kémhatás. A végső megoldás az lenne, ha a folyamat végén a kilépő vörösiszapot teljesen és véglegesen kezelnénk, hogy azután már közvetlenül lehessen hasznosítani. Ennek megvalósításához azonban elengedhetetlen a lúgosságot okozó reakciók, illetve a semlegesítést kísérő folyamatok kémiájának megértése. A MASOST (Anyag- és Oldatszerkezeti Kutatócsoport / Materials and Solution Structure Research Group) kutatási területe jelenleg lefedia vörösiszap összes jelentős reaktív komponensét. Az én Bolyai-ösztöndíjas kutatási témám pedig kifejezetten a vörösiszapban kioldódó szodalitok semlegesítésére koncentrál.

– Milyen anyagok a szodalitok? Mit kell vizsgálni rajtuk a vörösiszap semlegesítéséhez?

– A szodalitcsoportot kivétel nélkül aluminoszilikátok alkotják; sok közülük a természetben is előfordul, a névadó szodalit például szép kék kristályokat alkot. Nátrium-, alumínium-, szilícium-, illetve oxigénatomokból felépülő kristályrácsuk van; elemi cellájukban (melyek a kristályos anyagok alapvető szerkezeti egységei) különböző anionok helyezkedhetnek el. Ezek közül leggyakoribbak a hidroxid- és aluminátionok, mindkettő nagy koncentrációban van jelen a Bayer-oldatokban. A karbonátionok a levegővel történő érintkezés miatt jutnak az oldatokba, míg a klorid és szulfátionok az eredeti bauxitból vagy a Bayer-folyamatban vízkőeltávolításra használt sósavból, illetve kénsavból származnak.

Említettem, hogy a szilárd komponensek kisebb-nagyobb mennyiségben vízben is oldódnak, emiatt lúgosodik a vörösiszap. A folyamat pontos mechanizmusa azonban nagyrészt tisztázatlan: nem ismerjük a sebességét, nem tudjuk pontosan, milyen kémiai folyamatok játszódnak le, amelyek ezt az oldódást elősegítik, vannak-e mellékreakciók, amiket eddig nem észleltek. Mi megpróbáljuk feltérképezni, hogy a szodalitok a vizes oldatokkal hogyan reagálnak, mi az, ami kioldódik belőlük, illetve van-e olyan anyag, ami a kioldódás során képződik mint melléktermék, és később problémás lehet a savas semlegesítés szempontjából. A kutatásunk első része tehát az, hogy az oldódás kémiáját feltárjuk. Ezután következik a semlegesítés problémája, vagyis annak a vizsgálata, hogy a szodalitok hogyan viselkednek a sósavval vagy más semlegesítő reagenssel szemben, milyen folyamatok játszódnak le, esetleg itt is keletkezik-e melléktermék, ami hozzájárul a lúgossághoz. Az ipar szempontjából a legvégső, legfontosabb kérdés pedig az, hogy mennyi sósavat kell a vörösiszaphoz adni, hogy a pH-t tartósan egy kívánt értékre csökkentsük. A végső cél tehát egy olyan modell kidolgozása, ami alapján nagy pontossággal kiszámítható, hogy adott mennyiségű, többféle szodalit keverékét tartalmazó vörösiszap mennyi savat fogyaszt Ehhez először is a különböző aniontartalmú szodalitokat fogjuk tiszta formában előállítani, és ezek tulajdonságait illetve savfogyasztását vizsgálni.

– Milyen vizsgálati módszereket használnak?

– A szintézis sikerességének megállapítására a legalapvetőbb mérési módszer a porröntgen-diffraktometria – ezzel a szerkezetvizsgálati módszerrel gyorsan eldönthető, hogy egyáltalán szodalit képződött-e vagy valami más. Ezt követ(het)i a termék diffraktogjamjának mennyiségi analízise, amit tapasztalt krisztallográfusok szoktak végezni tudományos együttműködés keretein belül. A további szerkezetvizsgálati módszerek közé tartozik még az infravörös és Raman-, valamint a szintén szilárd minták vizsgálatára alkalmas ún. mágikus szögben elforqatott NMR spektroszkópia, illetve pásztázó elektronmikroszkópia. Mennyiségi meghatározás szempontjából a számunkra két legfontosabb módszer az induktív csatolású plazma tömegspektrometria (ICP-MS) és termogravimetria. Utóbbi két berendezés része annak az analitikai kémiai labornak, amelyet néhány éve a MOL és a Szegedi Tudományegyetem közös tudományos konzorciumában hoztak létre.

– A kísérletek mellett alkalmaznak szimulációs számításokat is?

– Az első szakasz, a reakciók feltérképezése kifejezetten kísérletes kutatás. A Bolyai-projektnek lesz olyan része is, ahol az oldódási folyamatok modellezése is szerepel. A szodalitok oldódása ugyanis mindig egyensúlyra vezető reakció, ezzel kapcsolatos egyik célkitűzésünk, hogy az oldhatóságra jellemző egyensúlyi állandókat (oldhatósági szorzatnak is hívják) meghatározzuk. Így a későbbiekben ki tudjuk számítani, hogy ha vízbe szodalitot teszünk, mennyi lesz az oldat pH-ja. Ipari szempontból az egyensúlyi állandók meghatározása nem feltétlenül szükséges a savfogyasztás számításához, ha azonban a technológia számára pontos modelleket szeretnénk létrehozni, akkor ezen paraméterek ismerete elengedhetetlen. A távlati célként kitűzött modell alapján azt is meg lehet majd jósolni, hogy milyen gyorsan játszódik le adott reakció; ipari szempontból ugyanis fontos az egyes folyamatok időablaka is. Egy ilyen modell felállítása azonban jóval túlmutat a Bolyai-pályázaton.

 Dr. Kutus Bence. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

– A kívülálló úgy képzeli, a kísérletes szervetlen kémiában aligha maradtak fehér foltok, ön pedig azt mondja, a szodalit komponensek kioldódása nem teljesen feltárt területet. Kutatóként ez motiválja?

– Kicsit ironikusan fogalmazok: ahogy halad előre a kémia tudománya, egyre inkább elfogynak az egyszerű témák. Magukról a szodalitokról sem mondanám, hogy most kezdjük el feltérképezni a szerkezetüket, mert ezt már az 1930-as években megtették.

Az én motivációm az, hogy szervetlen kémiai ismeretekre alapozva próbáljunk megválaszolni egy ipari kérdést: hogyan semlegesítsük savakkal a vörösiszapban lévő szodalitokat. Amennyiben szerencsések vagyunk, közben előfordulhat, hogy új reakciótípust találunk vagy új anyag képződik, amit még nem írtak le. A szodalitcsoport tagjai az összetett szervetlen vegyületek közé tartoznak, ott ez bármikor előfordulhat. A kutatásra készülve sok publikációt olvastam – szinte évente előfordul, hogy a Bayer-körülményeket szimuláló kísérletek során új fázis képződését írják le. A Bolyai-ösztöndíj programban legalább 3 cikket vállaltam, ezek a különböző szilárd fázisok előállítását, vízzel való reakciójukat és az oldódási egyensúlyokat, illetve a savval történő semlegesítésüket ismertetik majd, valamint annak a vizsgálatát, hogy milyen savfogyasztással rendelkeznek ezek az egyes fázisok. Most már tudjuk, hogy érdemes vizsgálni a területet, működőképes a kutatás, de a meglehetősen lassú reakciók tanulmányozása időigényes. A 3 éves Bolyai-program tehát kiváló lehetőséget biztosít a fő célkitűzések megvalósítására.

– Milyen egyetemi kutatói környezetben dolgozik a témán?

– A Bolyai-ösztöndíj programját a kiírás szerint egy befogadó kutatócsoportban lehet megvalósítani. Esetünkben ez a MASOST kutatócsoport, amelyet Dr. Sipos Pál Miklós, az SZTE TTIK Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék egyetemi tanára vezet, amelynek magam is tagja vagyok. A csoportban futnak más kutatási projektek is, amelyek a vörösiszap-kutatáshoz kapcsolódnak, én legaktívabban a szodalitos témával foglalkozom. Fontos még megemlíteni, hogy az egész Kémiai Intézet műszerparkja hozzáférhető és használható, ami a kutatás sikeres megvalósítása mellett számos együttműködés kialakítására is lehetőséget teremt.

Panek Sándor

A borítóképen: Dr. Kutus Bence, a Szegedi Tudományegyetem TTIK Molekuláris és Analitikai Kémiai Tanszék tudományos munkatársa. Fotó: Kovács-Jerney Ádám