Введение к работе
Актуальность работы.
Несмотря на то, что Россия занимает второе место в мире по запасам редкоземельных металлов, индивидуальные РЗМ и их смеси для нужд Российского металлургического комплекса приобретаются у зарубежных производителей, крупнейшим из которых является Китай. Сложившаяся ситуация приводит к сырьевой зависимости от импортных производителей. Для удовлетворения потребностей высокотехнологичного сектора экономики требуется восстановление имеющихся и создания новых мощностей по производству редкоземельной продукции, в том числе разработка новых технологий получения разделенных РЗМ.
Существующие технологии разделения редкоземельных металлов, разработанные Л.М. Гиндиным, А.С. Соловкиным, В.А. Маслобоевым, А.И. Михайличенко были созданы для получения небольших объемов конечной продукции и рассчитаны на относительно богатые сырьевые источники РЗМ Казахстана и Киргизии; для них характерны многостадийность, высокие расходные коэффициенты, затратные технологии очистки стоков.
Для территориально доступных российских месторождений РЗМ характерно низкое содержание целевых компонентов и сложный минеральный состав. Вследствие этого в сложившихся экономических условиях существует необходимость разработки ресурсосберегающих технологий для разделения суммы РЗМ адаптированных для низкокачественного редкоземельного сырья и/или промежуточных продуктов его переработки.
Степень разработанности
Традиционно разделение редкоземельных металлов ведут методом жидкостной экстракции из кислых нитратных растворов трибутилфосфатом или его аналогами, что требует применения высаливателей, больших расходов экстрагента и применительно к переработке низкокачественного сырья и растворов сложного водно-солевого состава практически не применим. Способы повышения эффективности разделения РЗМ ТБФ и его аналогами не вышли за рамки исследовательских испытаний. Необходима разработка новых технических решений, удовлетворяющих современным требованиям энергоэффективности и нормам рационального природопользования.
Цель работы.
Физико-химическое обоснование и разработка технических решений, обеспечивающих повышение эффективности разделения редкоземельных металлов при переработке низкокачественного сырья.
Задачи исследования
-
Анализ современного состояния российской минерально-сырьевой базы, производства и потребления редкоземельных металлов и технологий их разделения.
-
Поиск эффективных экстрагентов и условий выделения редкоземельных металлов из разбавленных растворов сложного состава.
-
Математическое моделирование экстракционных равновесий с участием катионообменных ПАВ.
-
Разработка технических решений, обеспечивающих разделение суммы РЗМ с получением индивидуальных лантаноидов.
Научная новизна работы.
-
Доказано, что при рН > 4 экстрагируется смесь сольватов аква- и гидроксокомплексов РЗМ в соотношении 1:1.
-
Выявлено, что по мере роста сродства катиона РЗМ к молекуле воды увеличивается эффективная энергия Гиббса реакции экстракции катионов РЗМ карбоновыми кислотами, снижается степень извлечения катиона РЗМ в экстракт. Для повышения экстрагируемости следует увеличивать рН водного раствора и/или концентрацию карбоновой кислоты в составе экстрагента.
-
Установлено, что при разности энергий Гиббса не менее 3 кДж/моль коэффициент разделения не менее 1,5 и для экстракционного разделения лантаноидов не требуется применение высаливателей или добавок, обеспечивающих синергетический эффект.
-
Определены кинетические параметры процесса экстракции: константа скорости экстракции, энергия активации, порядок и механизм процесса экстракции. Установлено, что лимитирующей стадией процесса следует считать диффузию в поверхностном слое «экстрагент-водный раствор».
-
Получены изотермы экстракции ряда редкоземельных металлов раствором олеиновой кислоты, позволяющие определить необходимое количество ступеней экстракции и реэкстракци при их извлечении.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Полученные научные результаты дополняют существующие представления в части термодинамики экстракционных процессов, а также механизма и кинетики процесса экстракции, что способствует развитию теории гидрометаллургических процессов в соответствии с пунктом 13 паспорта специальности.
-
Полученные результаты могут быть использованы в проекте экстракционных установок и при составлении планов экспериментальных исследований более высокого уровня.
-
Полученные научные и технологические результаты работы используются при проведении практических и лабораторных занятий со студентами, обучающимися по специальности «Металлургия цветных металлов».
Личный вклад автора
заключается в выборе и обосновании направлений исследования, проведении исследовательских испытаний в лабораторном и укрупненно-лабораторном масштабах и обобщении результатов экспериментов. Все разработки осуществлялись под непосредственным руководством и при участии соискателя.
Методы исследований.
В работе применена совокупность экспериментальных и теоретических методов исследований, физико-химических и химических методов изучения состава исходных и равновесных фаз. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторном масштабе. Расчет полученных данных производился на основе методов термодинамического анализа с использованием принципа минимизации энергии Гиббса. Анализ состава водных растворов и органических сред выполнен с привлечением методов фотометрии, инфракрасной и рентгенофлуоресцентной спектроскопии.
Степень достоверности и апробация результатов
Гипотезы и прогнозы, положенные в основу экспериментальных исследований, подтвердились полученными опытными данными. Достоверность результатов была доказана их воспроизводимостью с использованием современного аналитического оборудования. Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами аналогичных исследований, описанных в литературе.
Основные результаты работы представлялись: на политехническом фестивале для студентов и молодых ученых (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012г.), на VI всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным учестием «Менделеев 2012» (Санкт-Петербург, 2012г.), на семнадцатой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2012г.), на XV, XVII международных экологических конференциях «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск 2010, 2012г.), на втором и третьем международных конгрессах «Цветные металлы-2010», «Цветные металлы-2011» (Красноярск, 2010, 2011г.), на международной научной конференции Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2011г.)
Работа выполнялась в рамках АВЦП Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы в 2009-2011 г.», проект № 2.1.2/912 «Развитие теории экстракционного извлечения редкоземельных металлов при переработке бедного минерального и техногенного сырья»; ФЦП «Научные кадры высшей школы» госконтракт № 0622 от 05.11.2010; «гранта Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук, 2012 г.», диплом ПСП № 12213; ГК 12.527.12.5001.
![Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс]](/i/i/4263/169004.png "Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс] Рябчиков Михаил Юрьевич")