Поиск - новости науки и техники

Из того, что было. Редкоземельные металлы станут дешевле и доступнее

Редкоземельные элементы не случайно называются редкими. Их вообще нечасто удается обнаружить в земной коре, да и в открытых месторождениях этих ценных металлов, как правило, не слишком много. Но мало найти, их еще надо извлечь из сопутствующей руды, а это очень и очень непросто. Ученые умы не дремлют, предлагают для этих целей более эффективные методы взамен традиционных.
Например, ассистент кафедры общей и физической химии Национального минерально-сырьевого университета “Горный” (Санкт-Петербург) кандидат хими-
ческих наук Наталья ДЖЕВАГА изучает возможности адсорбционно-пузырькового способа извлечения и разделения редкоземельных элементов. Ее проект, посвященный этой теме, поддержан грантом Президента РФ. Секретами своей научной кухни молодой ученый делится с нашим корреспондентом.

– Редкоземельные элементы (РЗЭ) играют большую роль в создании инновационных технологий, – начинает беседу Наталья Владимировна. – Их широко применяют в производстве лазеров, магнитов, проводников, в других областях промышленности. Особенно стоит отметить каталитические фильтры, нейтрализующие выхлопные газы автотранспорта. Оксид церия способствует переводу оксида углерода, несгоревших углеводородов и оксида азота в безо­пасные углекислый газ, воду, азот. Небольшая доля РЗЭ используется в производстве промышленных катализаторов для нефтеперерабатывающей и химической отраслей. Их действие (стимулирование процессов окисления, обезвоживания, увлажнения, полимеризации) усиливается в присутствии таких элементов.
Благодаря способности поддерживать каталитические реакции углеводородов редкоземельные элементы играют важную роль в нефтеперерабатывающей промышленности и при производстве пластмасс. В состав FCC-катализаторов, которые используются при переработке нефти в нефтепродукты, входят лантан и церий. Они очень устойчивы к таким катализаторным ядам, как никель, ванадий, сера. В частности, из сырой нефти примеси серы удаляются с помощью систем, содержащих церий.
Все более широко РЗЭ применяют при производстве магнитов. Например, неодим-железо-боровых, без которых трудно обойтись в компьютерной промышленности, автомобилестроении, при производстве двигателей, насосов, компрессоров. Острая нужда и в самарий-кобальтовых магнитах, более коррозионностойких, нежели другие, и сохраняющих свои магнитные свойства при температурах до 330°С.
Немалая доля РЗЭ используется и в производстве люминофоров, они входят в состав матрицы вещества и являются центрами возбуждения. Высокоэнергетическое возбуждение различными видами излучения необходимо для получения узкополосного люминесцентного свечения в видимой области спектра за счет особой структуры атомов.
Не обошлось без применения РЗЭ производство пигментов и покрытий различных окрасок. Например, сульфид церия придает красно-оранжевый оттенок, это отличный заменитель соединений кадмия и свинца. А оксид церия используется в стекольной промышленности для полировки стекол, линз, зеркал, электроннолучевых трубок. Кроме того, церий входит в состав добавок к экранному стеклу и снижает эффект побурения.
Достаточно весомая часть рынка сбыта РЗЭ – производство керамики в различных отраслях промышленности. Лантан, церий, неодим добавляют в изолирующие слои многослойных керамических конденсаторов, сотовых телефонов, фотокамер.
Эрбий нужен для активизации волокна, входящего в состав оптоволоконного кабеля, передающего сигналы на большие расстояния.
– Где и как добывают редкоземельные элементы в России?
– У нас в стране – это ловозерские лопаритовые, эвдиалитовые, хибинские апатит-нефелиновые руды на Кольском полуострове. Следует отметить, что для развития российской редкометальной промышленности особый упор следует делать на попутное извлечение РЗЭ из перерабатываемых руд, а не на разработку новых месторождений.
Современные гидрометаллургические схемы переработки концентратов РЗЭ имеют общие недостатки – из-за сравнительно бедного многокомпонентного сырья (например, в эвдиалите общее содержание оксидов циркония, гафния, ниобия, тантала и РЗЭ около 13%, это мало). Нужны сложные технологические схемы с большой затратой реагентов и энергии. Кроме того, при переработке образуется большое количество отходов. Где их можно использовать, пока не понятно, а с захоронением вообще возникают серьезные трудности. Особую ценность представляют индивидуальные элементы, имеющие на мировом рынке наибольший спрос, поэтому необходимо развивать методы извлечения и разделения РЗЭ.
– Расскажите об адсорбционно-пузырьковом методе, который вы изучаете.
– Адсорбционно-пузырьковыми называются методы разделения, в которых адсорбентом служат пузырьки газа. До середины XX века существовало несколько классификаций этих методов: по механизму действия и по крупности извлекаемых соединений. Была путаница в терминологии. В 1967 году Роберт Лемлих, Барри Каргер, Феликс Себба и Роберт Гривс предложили классификацию адсорбционно-пузырьковых методов разделения на пенные и беспенные. Она включала все известные методы извлечения различных по дисперсности компонентов.
Ионной флотацией называют процессы, основанные на сорбции на поверхности раздела фаз “жидкость – газ” продуктов взаимодействия ПАВ (поверхностно-активного вещества) с ионами неорганических соединений. Метод подходит для извлечения веществ из растворов с концентрацией вплоть до одной стомиллионной моль на литр. В основе ионной флотации лежит притяжение извлекаемого иона противоположно заряженными ионами собирателя, который закреплен на поверхности пропускаемых через раствор пузырьков воздуха или газа. При ионной флотации возможны два механизма: адсорбционный и адгезионный. При первом в результате адсорбции сублат (сфлотированное вещество) концентрируется на поверхности пузырька. При втором механизме образуется осадок, прилипающий к пузырькам.
Процесс ионной флотации проводят во флотационных машинах – пневматических, пневмомеханических, механических, пневмогидравлических. Для селективного выделения катионов металлов из водных растворов нужно правильно подобрать параметры флотомашины. На процесс ионной флотации оказывают влияние высота и объем аппарата, время флотации, скорость потока воздуха или газа, размер пузырьков.
Мы использовали анионное ПАВ – додецилсульфат натрия, который сочетает в себе свойства вспенивателя и собирателя. Такой выбор объясняется его широкой распространенностью во флотационных технологиях, дешевизной, нетоксичностью, простотой применения.
– Что бы вы хотели отметить как важное в ваших исследованиях?
– В XXI веке любая отрасль промышленности должна быть не только эффективной, но и экологичной. Для оптимальной работы гидрометаллургических схем переработки руд полезных ископаемых и концентратов редкоземельных элементов необходимо вовлечение в производственную цепочку стадий попутного извлечения ценных компонентов из бедных многокомпонентных рабочих растворов и отходов производства. В числе компонентов, имеющих особую промышленную ценность, – индивидуальные редкоземельные элементы. На мировом рынке они пользуются очень большим спросом. Но их получение осложняется тем, что они обладают схожими физическими и химическими свойствами, затрудняющими процесс выделения элемента из состава. В этом случае лучше использовать метод ионной флотации. Он позволяет извлекать инактивные неорганические ионы с использованием поверхностно-активных веществ. В растворе катионы редкоземельных элементов образуют с ПАВ прочные гидрофобные комплексы, которые переходят в пену.
Ионная флотация отличается от других известных способов извлечения – экстракции и сорбции – избирательностью, простотой, высокой скоростью, эффективностью даже при низких концентрациях компонентов. Ионная флотация в горно-добывающей, горно-перерабатывающей и гидрометаллургической отраслях промышленности помогает повысить эффективность технологий благодаря попутному извлечению ценных компонентов из отходов производства. Это уменьшает степень их токсичности, снижает риск нанесения вреда окружающей среде, повышает рентабельность схем переработки, увеличивает объем извлечения нужных компонентов, причем без дополнительных затрат на разработку новых месторождений.
Научная новизна результатов в том, что мы аналитически и термодинамически обосновали флотационное извлечение и разделение редкоземельных элементов в гетерогенных системах при определенных условиях. Удалось получить принципиально новые зависимости коэффициентов распределения РЗЭ при ионной флотации. Кроме того, появляется возможность достигнуть максимальных степеней извлечения соответствующих мировым стандартам целевых компонентов из растворов ионной флотацией с применением в качестве ПАВ додецилсульфата натрия NaDS.
Результаты наших исследований имеют огромное значение для развития промышленности России. Их можно использовать при разработке эффективных способов извлечения и разделения редкоземельных элементов ионной флотацией из растворов переработки бедного или техногенного редкоземельного сырья. Наши разработки помогут расширить сырьевую базу производства редкоземельных металлов. Переработка низкоконцентрированного минерального сырья станет рентабельной благодаря сокращению капитальных затрат.

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставлены Н.Джевага

Нет комментариев