История открытия
Термин «кадмий» известен с древних времен. Его использовали античные авторы и алхимики Средневековья для обозначения различных веществ, преимущественно содержащих окислы и углекислые соли цинка, которые придавали меди при плавке золотистый оттенок. Однако это скорее собирательное понятие, чем точное название. Само слово происходит от имени финикийца Кадмоса, которому приписывают открытие камня, способного изменять цвет меди при выплавке из руды. В семитских языках «Кадмос» означает «восточный» и является именем мифологического героя-полубога, основателя Фив и победителя дракона, правившего этим регионом. От греческого слова происходит арабское название каламия (или каламин), которое затем стало основой для слова галмей. В алхимическом словаре Руланда искусственный кадмий определялся как тончайший пепел пирита.Металл кадмий был впервые выделен и описан в 1817 году Фридрихом Штромейером. История его открытия связана с инспекцией аптек в окрестностях Магдебурга, где выявили желтый осадок при реакции сероводорода с одной из партий окиси цинка, что позволило предположить присутствие мышьяка. После запрета продажи данной окиси владелец фабрики провел собственные исследования и не обнаружил мышьяка. Образцы были направлены в Геттинген профессору Штромейеру, который обнаружил, что прокаливание окиси цинка изменяет её цвет с серого на желтый. При дальнейшем анализе была выявлена примесь нового металла, легко отделяемого от цинка с помощью сероводорода. Новый металл получил название кадмий, что связано с латинским «cadmia furnacum» (кадмиевая печь), а в 1818 году Штромейер опубликовал подробные сведения о своем открытии.
Токсикология кадмия
Основной вред, наносимый кадмием организму человека, связан с поражением почечных канальцев. Повреждение почечных канальцев может носить необратимый характер, поэтому профилактика таких нарушений является приоритетной задачей. Продолжительный период биологического полураспада кадмия приводит к хроническому развитию почечных заболеваний, что делает опасным длительное воздействие металла даже спустя много лет после контакта.
Воздействие кадмия способно вызывать химическую пневмонию и лихорадочные состояния, вызванные испарениями металла. Из-за этих рисков и ужесточения нормативных требований производство и применение изделий с кадмием регулируются и ограничиваются во многих странах.Области применения кадмия
Кадмий традиционно используется в производстве перезаряжаемых никель-кадмиевых аккумуляторов. Кроме того, металл находит применение в пигментах, защитных покрытиях и гальванических процессах.Наблюдается рост использования кадмия в полупроводниковой индустрии, особенно в технологии тонкопленочных солнечных элементов на основе CdTe. В Соединенных Штатах действуют три крупных производства общей мощностью около 6 ГВт в год, преимущественно расположенные в штате Огайо. Еще один завод в Алабаме планировался к запуску с дополнительной мощностью 3,5 ГВт в год в 2025 году.
В июне 2023 года были объявлены планы строительства пятого завода в Луизиане, который, согласно прогнозам, добавит к 2026 году ещё 3,5 ГВт мощности. Активное развитие этого сегмента рынка связано с принятием Закона о снижении инфляции (Inflation Reduction Act) 2022 года, предусматривающего стимулы для перехода на возобновляемые источники энергии.
По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory, NREL), на конец 2022 года 34% коммунальных фотоэлектрических установок и 21% всех фотоэлектрических систем были построены с использованием технологий CdTe.
Новым направлением применения кадмия являются субстраты из кадмий-цинк-теллурида, используемые в системах безопасности и медицинской визуализации.
В то же время кадмий подвергается конкурентному давлению со стороны других металлов и технологий. Литий-ионные аккумуляторы постепенно вытесняют никель-кадмиевые в ряде областей. В производстве пигментов кадмий заменяют сульфидом церия, а бариевые стабилизаторы применяются в гибких материалах из поливинилхлорида вместо кадмиевых стабилизаторов. Также развиваются новые тонкопленочные солнечные технологии на основе меди, индия, галлия, селенида и перовскитов.Добыча кадмия
Кадмий в основном извлекается как побочный продукт из цинковых концентратов. В типичных цинковых рудах соотношение цинка к кадмию составляет от 200:1 до 400:1. Наиболее значимым минералом для добычи цинка является сфалерит (ZnS), который содержит небольшие примеси кадмия, замещающего цинк в кристаллической решетке.Значительные объемы кадмия получают также из переработки отработанных никель-кадмиевых аккумуляторов.
Согласно данным Геологической службы США за 2024 год, основные запасы кадмия связаны с месторождениями цинка. Среднее содержание кадмия в руде составляет примерно 0,03%. В 2023 году мировая добыча кадмия составила около 23 000 тонн, при этом крупнейшими производителями стали:
- Китай — 9,0 тыс. тонн;
- Южная Корея — 4,0 тыс. тонн;
- Япония — 1,8 тыс. тонн;
- Канада — 1,8 тыс. тонн;
- Мексика — 1,1 тыс. тонн;
- Россия — 1,0 тыс. тонн;
- Казахстан — 1,0 тыс. тонн.
Кадмий в России
Россия занимает второе место в мире по запасам цинка — основного сырья для производства кадмия, уступая лишь Китаю. Качество отечественных рудных ресурсов в целом сопоставимо с зарубежными аналогами, что обеспечивает стабильное сырьевое обеспечение.Горнорудные и обогатительные предприятия России выпускают цинковые концентраты различных марок, которые затем подвергаются переработке на металлургических заводах. Ключевые регионы добычи цинка и сопутствующего кадмия сосредоточены на Урале (Челябинская, Свердловская и Оренбургская области, Республика Башкортостан), где эксплуатируются крупные медно-колчеданные месторождения — Узельгинское, Ново-Шемурское, Гайское, Юбилейное. В Сибири и на Дальнем Востоке добыча ведется на свинцово-цинковых месторождениях Горевское (Красноярский край) и Нойон-Тологой (Забайкальский край), а также на полиметаллических объектах Кызыл-Таштыгское (Республика Тыва), Степное и Корбалихинское (Алтайский край), Ново-Широкинское (Забайкальский край).
Почти половину производства цинка в стране (49%, или 258 000 тонн в 2021 году) обеспечивает вертикально интегрированный холдинг ОАО «Уральская горно-металлургическая компания» (ОАО «УГМК»). Еще 23% производства приходится на три компании с китайскими инвестициями: ООО «Лунсин», ООО «Байкалруд» и АО «Ново-Широкинский рудник», работающие в Республике Тыва и Забайкальском крае. Остальной объем добычи обеспечивают предприятия группы компаний «Новоангарский обогатительный комбинат и Горевский горно-обогатительный комбинат» (ГК «НОК, ГГОК»), а также фирмы, входящие в холдинги АО «Русская медная компания» (АО «РМК») и АО «ГМК «Дальполиметалл», наряду с рядом более мелких предприятий. Переработка добываемых руд осуществляется в основном на собственных обогатительных фабриках предприятий.
В Российской Федерации производство кадмия регулируется государственными стандартами ГОСТ 1467—93 «Кадмий. Технические условия» и ГОСТ 22860—93 «Кадмий высокой чистоты. Технические условия».
Поскольку кадмий является побочным продуктом при переработке цинка, его производство в стране полностью обеспечивается двумя основными цинковыми заводами: АО «Челябинский цинковый завод» и ОАО «Электроцинк».Патентный аспект
Согласно базе данных Google Patents, по ключевому слову «cadmium» насчитывается около 100 000 патентных документов, из которых 11 918 были опубликованы только в 2023 году.Патентный портфель по кадмию широко распределен между многочисленными промышленными компаниями, без явных доминирующих лидеров. Среди наиболее активных патентообладателей выделяются следующие организации:
Samsung Electronics Co., Ltd. — около 2,5%;
The University Of California — примерно 0,9%;
First Solar, Inc. — около 0,8%.
На первом месте находится южнокорейская корпорация Samsung, за ней следует Калифорнийский университет, а также компания First Solar, являющаяся одним из мировых лидеров в производстве солнечных панелей.Заключение
Из-за высокой токсичности кадмия промышленность стремится минимизировать его использование, внедряя технологии, позволяющие использовать кадмий в запечатанной и безопасной форме. Одним из перспективных направлений является разработка микроэлектронных устройств с минимальным содержанием кадмия, сочетающим малую массу и высокую эффективность.Кадмиевые соединения востребованы в производстве матричных фотоприемников с диапазоном спектральной чувствительности от 3 до 12 мкм, охватывающих длинноволновый ультрафиолет, видимый и инфракрасный спектры.
Кроме того, кадмий играет важную роль в развитии современных солнечных батарей и лазерной техники. В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области НИОКР, направленные на создание композитных органо-неорганических материалов и изучение процессов, влияющих на поглощение и показатель преломления коллоидных растворов наночастиц кадмия под воздействием электромагнитного излучения. Исследуются механизмы разделения носителей заряда на границе фаз композиционного материала, при которых дырки концентрируются в полимерной фазе, а электроны — в неорганической. Изучаются также процессы переноса электронов в неорганической фазе. На базе тонких пленок таких композитных материалов планируется создание прототипов фотовольтаических и оптоэлектронных устройств для изучения эффективности переноса носителей заряда и экситонов в активном слое.
В то же время значение кадмия в электроэнергетике, особенно в области крупногабаритных аккумуляторов, высоковольтных контактов и припоев, постепенно снижается из-за развития альтернативных технологий, таких как литий-ионные и натрий-ионные аккумуляторные системы.