CC BY
33
6. Technosols on mining wastes in the Subarctic: Efficiency of remediation under Cu-Ni atmospheric pollution / M.
V. Slukovskaya et al. // International Soil and Water Conservation Research. 2019. No. 7. P. 297-307. Сведения об авторах
Мосендз Ирина Александровна
младший научный сотрудник, Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты; Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, ia.mosendz@ksc.ru Кременецкая Ирина Петровна
кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, i.kremenetskaia@ksc.ru Дрогобужская Светлана Витальевна
кандидат химических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, s.drogobuzhskaia@ksc.ru
Mosendz Irina Alexandrovna
Junior Researcher, Laboratory of Nature-Inspired Technologies and Environmental Safety of the Arctic, Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity; Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, ia.mosendz@ksc.ru Kremenetskaya Irina Petrovna
PhD (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, i.kremenetskaia@ksc.ru Drogobuzhskaya Svetlana Vitalevna
PhD (Chemistry), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, s.drogobuzhskaia@ksc.ru
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.026 УДК 553.3/.4
ПРОБЛЕМА РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАК ПРЕДМЕТ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
А. В. Нечаев, Е. Г. Поляков
НПК «Русредмет», Санкт-Петербург, Россия Аннотация
Рассматривается ситуация на мировом рынке редкоземельных металлов (РЗМ), тенденции её изменения, нарастающий дисбаланс в структуре производства / потребления. Проанализированы текущая ситуация с РЗМ в России и пути решения существующих в этой области проблем. Рассмотрена схема взаимодействия участников во всех звеньях технологической цепи — от сырья до потребительской продукции на основе РЗМ. Ключевые слова:
редкоземельные металлы, рынок, сырьё, технологическая цепочка, кооперация участников.
PROBLEM OF RARE EARTHS IN RUSSIA AS A SUBJECT OF MULTIDISCIPLINARY STUDY A. V. Nechaev, E. G. Polyakov
NPC "Rusredmet", Saint Petersburg, Russia Abstract
World market of REE as well as its current trends and growing disbalance in the production / consumption structure are considered in this paper. Analysis of the rare earths production in our country and ways to solve problems available were done. Scheme of interaction of technological chain participants from raw materials to consumer goods is discussed. Keywords:
rare earth metals, market, raw materials, technological chain, cooperation of participants.
Такого роста мирового производства, который демонстрирует в последние четверть века металлургия редкоземельных металлов, не знает ни одна другая отрасль производства металлов и их соединений. Увеличение составило 3,5 раза, превысив 180 тыс. т, и тенденция роста сохраняется.
Растёт потребление в традиционных облостях, появляются новые высокотехнологичные области применения, произошла «специализация» отдельных РЗМ и расслоение в этой группе металлов, сформировалось понятие «критические элементы», к которым относятся Pr, Nd, Eu, ТЬ, Dy и Y. Производство магнитов — наиболее динамичная область потребления РЗЭ — 20 % в 2012 г., 31 % в 2016 г. и 35 % в 2018 г. Пока новых объёмных областей применения отдельных РЗЭ не появится, «квартет» Pr, Nd, ТЬ и Dy будет наиболее критическим в структуре грядущего потребления РЗЭ. Основываясь на анализе мирового рынка сырья, эксперты прогнозируют возникновение дефицита неодима уже через пять лет, а диспрозия — с начала текущей декады. Поскольку 90 % извлекаемого из недр редкоземельного сырья представлено элементами цериевой группы, попытки покрыть с его помощью растущую потребность в Nd и Dy оборачиваются перепроизводством других РЗМ, прежде всего церия, потребление которого не достигает и половины от добытого. Как известно, во всех сырьевых источниках редкие земли всегда встречаются в виде группы в тех или иных пропорциях, а получение отдельных членов редкоземельного ряда ввиду близости свойств предполагает длинную цепочку разделительных операций. В результате затраты на получение невостребованных РЗМ ложатся бременем на весь производственный процесс и отражаются на цене востребованных.
Таким образом, в настоящее время и в прогнозируемой перспективе безусловное преимущество с экономической и технологической точек зрения имеют те минеральные ресурсы, где содержание критических элементов наиболее высоко, а избыточных на рынке — минимально. Как видим, предварительный анализ рыночной ситуации указывает путь к осмысленному выбору сырья, способного удовлетворить кратко- и среднесрочные потребности государства в редкоземельной продукции. Поскольку РЗЭ чаще всего встречаются в месторождениях в качестве попутного компонента, приходится учитывать рыночную ситуацию и для других составляющих минерального сырья.
В настоящее время проблема редких земель в РФ стоит настолько остро (в 2018 г. потребление составило всего 973 т с распределением: катализаторы — 61 %, магниты — 2 %), что была создана специальная государственная программа для её решения. Слабые результаты выполнения программы породили разработку новой стратегии, в рамках которой предполагается решить значительную часть составляющих этой большой и разноплановой проблемы. Современная мировая структура потребления РЗЭ в сопоставлении с составом реального, намеченных к освоению и потенциальных отечественных источников сырья представлен в таблице. Очевидно, что ни лопарит из единственного разрабатываемого источника РЗЭ в стране, ни потенциальные альтернативные источники не соответствуют текущей структуре их потребления в мире. Приближение к ней с целью развития современных высокотехнологичных отраслей производства требует акцента на добычу сырья с высокой долей среднетяжёлых лантаноидов. Решение проблемы сбалансированного производства / потребления редких земель в нашей стране возможно в комбинированном потреблении сырья из разных источников, например: лопарит — эвдиалит, лопарит — колумбит Зашихинского месторождения. В зависимости от объёмов переработки самодостаточными представляются производные апатита и красный шлам.
Мировая структура потребления и состав отдельных РЗЭ в минеральных и техногенных источниках РФ, % от £ РЗЭ [1]
Потребление Лопа-рит Концентрат Томтора Колумбит Зашихи Эвдиалит Фосфо-гипс ЭФК* Красный шлам
Y 7,0 - 7,6 66,2 22,0 3,5 18,2 16,2
La 29,0 25,0 21,0 0,63 11,5 20,5 14,1 17,6
Ce 35,0 53,0 46,0 1,13 28,5 45,9 26,7 32,1
Pr 7,0 6,0 5,0 0,34 3,6 5,1 3,9 3,8
Ш 18,0 14,0 14,0 1,12 14,5 17,0 24,8 15,3
Sm 1,0 0,9 2,1 2,38 3,6 2,3 4,0 3,4
Dy 1,0 0,09 0,8 6,13 4,4 0,9 2,3 2,5
Eu + Gd + ТЬ 2,0 0,41 2,5 4,98 6,1 2,5 5,7 5,0
* Экстракционная фосфорная кислота.
Попытаемся нарисовать идеальную схему решения проблемы РЗЭ в нашей стране. Общая методология действий в этом случае представлена на рисунке.
Опробование
Обогащение
—— хим-технол. металлурги
1
Извл. Полезных экономисты
компонентов хим-технол. металлурги
Произв. промежуточных продуктов
Произв. Функцио-нальн. Материалов
экономисты | хим-технол. металлурги
материаловеды материаловеды
Произв. Потребит. продукции
Схема взаимодействия участников процесса при решении проблемы редких земель
Вначале экономисты (маркетологи) совместно с материаловедами, владеющими информацией о сегодняшних и перспективных областях использования РЗЭ, формируют представления о текущих и грядущих потребностях в тех или иных металлах этой группы. Отталкиваясь от этих представлений, группа экспертов, включающая экономистов, горняков, обогатителей, химиков-технологов, металлургов и экологов, на основе собственного опыта и литературных данных анализирует состояние рудной и техногенной сырьевых баз страны и с учётом внутренних потребностей и возможностей экспорта определяет и ранжирует объекты возможного освоения. Победители конкурсов на проведение соответствующих исследований лабораторного уровня проводят работы при взаимодействии специалистов разного профиля, завершающиеся разработкой приемлемой концепции всей технологической цепочки, её опробованием с использованием реального сырья и предварительной разносторонней оценкой технологической схемы. Независимая экспертиза проектов позволяет выявить их привлекательность для потенциальных инвесторов. Не рассматривая организационные, правовые и финансовые вопросы, перейдём к глубокой проработке и технико-экономической оценке всех этапов длинной технологической цепи.
Первый вопрос — организация на основе данных геологоразведки и расчётов горняков, экологов и экономистов рудника или карьера для добычи руды и складирования отходов. Следующий за извлечением минерального сырья наиболее рациональным способом из природной среды этап длинной технологической цепи — обогащение, целесообразная степень которого также является компромиссом между технологией и экономикой, поскольку на каком-то рубеже дальнейшее обогащение руды может оказаться слишком затратным. Таким образом, в разработке операций горно-обогатительной части цепи производств участвуют в режиме обратной связи геологи, горняки, обогатители, минералоги, экономисты и экологи, минимизирующие воздействие производств на окружающую среду. Кроме того, взаимодействие обогатителей, экономистов и химиков-технологов или металлургов позволяет оптимизировать состав концентрата, поступающего на следующую стадию гидро- или пирометаллургической переработки, поскольку некоторые из его составляющих могут оказаться нейтральными или даже полезными на стадии вскрытия сырья,
например, в качестве флюсов. Это, в свою очередь, может уменьшить число операций обогатительного передела, хотя и с понижением содержания целевого продукта в концентрате.
В дальнейшем на основании маркетинговых исследований, определяющих наиболее интересные рынку формы конечной продукции (металлы, химические соединения), объёмное соотношение между ними, набор и содержание в них контролируемых примесей, должны быть выданы рекомендации к структуре конечной продукции, получаемой из редкоземельных концентратов. И здесь снова в режиме обратной связи должны сотрудничать химики-технологи, металлурги, экологи и экономисты. В общем, при разработке технологической схемы следует стремиться к максимальному извлечению целевого продукта, но, чтобы понять, достигнутое значение, скажем, в 90 %, достаточно или нужно добиваться большего, требуется провести экономические расчёты, позволяющие найти оптимум. В свою очередь, химики-технологи и металлурги (как и разработчики предшествующих процессов) при решении практических задач могут формулировать проблемы, для решения которых необходимо проведение фундаментальных исследований и не обязательно в области химии. Кроме того, при разработке технологической схемы переработки того или иного сырья неизбежно сталкиваются с появлением побочных продуктов, дальнейшая судьба которых — захоронение в виде отходов или дальнейшая переработка с получением ликвидной продукции — решается в виде компромисса технологических, экологических и экономических подходов.
На основе промежуточных продуктов (химических соединений, металлов, сплавов) материаловеды, опять-таки, с экологами и экономистами разрабатывают способы получения конкретных функциональных материалов, необходимых в производстве потребительской продукции. Окончательные решения о целесообразности и способах вовлечения в переработку того или иного сырья принимается на основе ТЭО (экономисты с подачи профильных технологов) всей технологической цепи.
В условиях рыночной экономики, когда и сырьевые источники, и средства производства находятся в основном в частных руках, существенно выросла роль экономических оценок на всех этапах рассмотренной цепочки. Это позволяет не только выявить её лимитирующие, наиболее проблемные стадии и сконцентрировать на них внимание технологов, но и в случае невозможности в силу тех или иных причин, например отсутствия конкурентного в сравнении с зарубежным сырья, при необходимости замещения импорта ставить обоснованные вопросы о мерах государственной поддержки или протекционизма. Возвращаясь к таблице, следует отметить, что из семи рассматриваемых источников редкоземельного сырья четыре, в силу географических и исторических причин, накопленного научного и производственного опыта, находятся в сфере интересов ФИЦ КНЦ РАН. И хотя круг сосредоточенных здесь, как может быть нигде, специалистов охватывает весь комплекс рассматриваемых проблем, роль научного центра в их решении сегодня не соответствует имеющемуся потенциалу.
Литература
1. Поляков Е. Г., Нечаев А. В., Смирнов А. В. Металлургия редкоземельных металлов. М.: Металлургиздат, 2018, 732 с.
Сведения об авторах Нечаев Андрей Валерьевич
кандидат технических наук, НПК «Русредмет», г. Санкт-Петербург, Россия, anechaev@rusredmet.ru Поляков Евгений Георгиевич
доктор химических наук, НПК «Русредмет», г. Санкт-Петербург, Россия, ev-polyakov@mail.ru Nechaev Andrey Valerievich
PhD (Engineering), NPC "Rusredmet", Saint Petersburg, Russia, anechaev@rusredmet.ru Polyakov Eugeny Georrgievich,
Dr. Sc. (Chemistry), NPC "Rusredmet" Saint Petersburg, Russia, ev-polyakov@mail.ru
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.027 УДК 542.61:547.235:546.650
К ПРОБЛЕМЕ ЭКСТРАКЦИИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ СЕРНОКИСЛЫХ СРЕД: ВОЗМОЖНОСТИ ГИДРАЗИДОВ НЕОКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
В. А. Никитина, А. В. Радушев, Т. Д. Батуева
Институт технической химии Уральского отделения РАН — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН, Пермь, Россия
Аннотация
Установлены оптимальные условия и селективность экстракции смеси девяти ионов РЗМ3+ 0,5 моль/л раствором гидразидов неокарбоновых кислот фракции С15-С19 в керосине из сернокислых сред в зависимости от содержания H2SO4 и соотношения фаз V0 : Vs. Определена емкость органической фазы по индивидуальным РЗМ3+ из сред, содержащих 0,3 моль/л H2SO4. Ключевые слова:
экстракция, редкоземельные металлы, гидразиды неокарбоновых кислот, сернокислая среда.
THE PROBLEM OF EXTRACTION OF RARE-EARTH METALS FROM SULFURIC ACID MEDIA: POSSIBILITIES OF HYDRAZIDES OF NEOCARBOXYLIC ACIDS
w
V. A. Nikitina, A. V. Radushev, T. D. Batueva
Institute of Technical Chemistry, Ural Branch of the RAS, Perm, Russia Abstract
Optimal conditions and selectivity of extraction of a mixture of nine REM3+ ions with 0,5 mol / L solution of neocarboxylic acid hydrazides of the C15-C19 fraction from sulfuric acid media and the ratio of the phases Vg : V were determined. The capacity of the organic phase relative to individual REM3+ from media containing 0,3 mol / L H2SO4 was determined. Keywords:
extraction, rare-earth metals, hydrazides of neocarboxylic acids, sulfuric acid medium.
В доступной литературе не найдено сведений об эффективных экстрагентах для извлечения РЗМ3+ из сернокислых сред [1, 2]. Современное состояние производства редкоземельных металлов (РЗМ) в России проанализировано в обзоре [3]. Доступным источником РЗМ является многотоннажный отход производства удобрений — фосфогипс, содержащий 0,4-0,6 % РЗМ [4]. В работах Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья ФИЦ КНЦ РАН изучено выщелачивание РЗМ из фосфогипса серной кислотой [5, 6]. Ранее показано [7], что гидразиды неокарбоновых кислот фракции С15-С19 хорошо извлекают La3+ из растворов 0,1-2,5 моль/л H2SO4. Представляло интерес выяснить поведение и других РЗМ в сернокислых средах.
Эксперимент проводили при различном отношении объемов водной и органической фаз Уо : Ув = 1 : 1 и 1 : 5. Использовали раствор суммы РЗМ3+, представляющий собой смесь нитратов La, Ce, Nd, Sm, Gd, Ho, Er, Yb и Y c содержанием всех РЗМ 12-14 мг/мл.
В делительную воронку вносили расчетное количество раствора суммы РЗМ3+, H2SO4 и воды до объема водной фазы 10 или 50 мл (в зависимости от соотношения Уо : Ув). Содержание серной кислоты в водной фазе изменяли от 0,1 до 1,0 моль/л, РЗМ — 1,2-1,4 мг/мл. Затем прибавляли 10 мл 0,5 моль/л раствора ГД1519 в керосине. Энергично встряхивали 5 мин. После расслаивания в течение 5 мин водную фазу отделяли.
Содержание каждого РЗМ в водной фазе до и после экстракции определяли при помощи атомно-эмиссионного спектрального анализа с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП) на спектрометре PRODIGY 7 компании Teledyne Leeman Labs.
Степень извлечения (Е, %) определялась по методу введено — найдено:
где А — исходное количество РЗМ в водной фазе, мг; В — количество РЗМ в водной фазе после экстракции, мг.
