Смесь элементов и отдельные продукты
Редкоземельные элементы обычно объединяют в группу лантаноидов, иттрия и скандия. Их сырьевые цепочки различаются: важны бастнезит, монацит, лопарит и ионно-адсорбционные глины. Название «редкоземельные» не означает одинаковую распространённость или взаимозаменяемость. Для производства магнитного материала требуется определённый элементный состав; большая суммарная доля РЗЭ в сырье ещё не указывает, сколько нужного элемента удастся получить.
Металлургическую цепочку разделяют на обогащение или подготовку сырья, перевод компонентов в раствор, очистку от посторонних элементов, разделение РЗЭ и получение товарного соединения либо металла. Для минеральных концентратов и глин начальные операции различаются. Поэтому извлечение, достигнутое на одном сырье, нельзя переносить на другой объект по сходному суммарному анализу.
Почему разделение требует каскада
Близкое химическое поведение соседних лантаноидов затрудняет получение индивидуальных продуктов. Небольшие различия размеров ионов и образования комплексов позволяют менять распределение между фазами; последовательные ступени усиливают эффект. Экстракция и ионный обмен решают задачи группового и индивидуального разделения. Однако селективность зависит от состава раствора, а высокая степень переноса всей группы ещё не означает разделения соседних элементов.
Очищенный смешанный раствор может дать смешанный оксидный продукт. Для индивидуального оксида нужны подтверждённое разделение и анализ примесей других РЗЭ. Получение металла — следующая самостоятельная операция; нельзя назвать смешанный оксид «металлом» или оценить его пригодность для сплава только по общему содержанию группы. Природные примеси, включая торий и уран в некоторых минералах, учитывают при характеристике сырья и обращении с остатками.
Условный баланс на единой основе REO
Пусть 1000 кг сухого питания содержат 1,00 массовый процент суммарных редкоземельных оксидов, обозначаемых REO. Вход равен 10,000 кг REO-эквивалента. Для примера примем извлечения последовательных стадий 90,0%, 95,0% и 98,0% относительно входа каждой стадии. Все величины ниже остаются на одной оксидной основе; это условный расчёт, а не норматив выхода конкретной установки.
| Стадия | Вход, кг REO-экв. | Выход, кг REO-экв. | Потери на стадии, кг REO-экв. |
|---|---|---|---|
| Выделение, 90,0% | 10,000 | 9,000 | 1,000 |
| Очистка/разделение, 95,0% | 9,000 | 8,550 | 0,450 |
| Получение смешанного оксидного продукта, 98,0% | 8,550 | 8,379 | 0,171 |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Сквозное извлечение равно 0,90 × 0,95 × 0,98 = 0,8379, или 83,79%. Суммарные потери составляют 1,000 + 0,450 + 0,171 = 1,621 кг REO-эквивалента. Проценты потерь 10%, 5% и 2% имеют разные входные массы; их простое сложение дало бы неверный результат. Улучшение отдельной стадии оценивают по изменению всего произведения извлечений, сохраняя остальные допущения.
Полученные 8,379 кг не являются массой металлических РЗЭ или какого-либо одного элемента. Для пересчёта нужна доля каждого оксида и его стехиометрия. Например, коэффициент перехода от Nd2O3 к содержащемуся Nd равен (2 × 144,24) / (2 × 144,24 + 3 × 16,00) ≈ 0,8573. Применять его ко всей смеси без анализа нельзя; отдельные оксиды имеют другие коэффициенты.
Что проверять при приёмке
Суммарный REO дополняют распределением элементов, влажностью и перечнем посторонних примесей. Для индивидуального продукта чистоту можно выражать как долю целевого оксида среди всех REO либо как долю в полной массе материала — это разные знаменатели. Паспорт должен прямо указывать принятую основу, иначе одинаковые проценты описывают разные продукты.
Полноту извлечения устанавливают по массам и анализам входа, остатков, растворов, продуктов и изменению внутренних запасов. Поток, возвращаемый в процесс, не считается новым внешним сырьём. Представительность проб особенно важна для неоднородного минерального питания: аналитическая точность не исправляет неверный пробоотбор. Требования к чистоте и допустимым примесям устанавливают по назначению продукта; универсального предела для всех РЗЭ нет.
Первичные источники
- USGS: Rare Earths Statistics and Information — группа и основные виды сырья
- USGS: Rare-earth elements — геология и ресурсы
- Li и соавт.: Hydration counteracts the separation of lanthanides by solvent extraction — исходное исследование селективности