РАЗДЕЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА И РЗЭ ПРИ СОВМЕСТНОМ ПРИСУТСТВИИ ГИДРОЛИТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Одним из важнейших показателей экономики страны является потребление редкоземельных элементов (РЗЭ) в различных ее сферах, которые совершенно меняют свойства выпускаемых продуктов. В условиях современного научно-технического прогресса конкурентоспособность экономики определяется состоянием и развитием высокотехнологичных производств: точного приборостроения, машиностроения, авиапромышленности, нанопромышленности, электроники, атомной энергетики, нефтехимии. Наукоемкие технологии становятся основой для обеспечения занимаемых позиций экономики России на глобальном мировом рынке, поэтому стратегически важным является создание оптимальных условий их интенсивного развития, а также материальное обеспечение. Учитывая, что природные рудные источники РЗЭ на данный момент и ближайшую перспективу далеки от освоения, встает задача попутного извлечения РЗЭ на действующих производствах горно-металлургического и химического комплекса, а также переработки накопленных техногенных отходов, которые отличаются приемлемым, для промышленного освоения, содержанием РЗЭ. Широкое использование таких источников позволит повысить ресурсосбережение в огромных масштабах за счет экономии эксплуатационных и капитальных затрат на разведку и добычу минерального сырья, отчасти решит экологическую проблему и позволит в короткий срок запустить добычу РЗЭ. К особенностям переработки следует отнести низкое содержание РЗЭ и сложный химический состав.

В настоящее время на редкоземельные (РЗЭ) и редкие металлы вырос спрос предприятий различных отраслей промышленности, главным образом высокотехнологичных. Однако Россия, занимая второе место в мире по запасам данного сырья, при этом ввозит его из-за рубежа, так как многие отработанные промышленностью технологии концентрирования и извлечения РЗЭ оказываются непригодными и малопроизводительными.

Уникальные физико-химические свойства РЗЭ определяют их возможность широкого использования в различных областях промышленности как в виде неразделенных РЗЭ, так и в виде индивидуальных.

В работе использованы методы химического и физико-химического анализа: спектрофотометрический, потенциометрический, гравиметрический для определения количественного состава магнитного сплава.

Крупные запасы РЗМ имеются в КНР (38 % от общемировых запасов), Бразилии (19 %), Вьетнаме (19 %), России (10 %), Индии (6 %). Однако из всех этих стран лишь Китай - бесспорный мировой лидер и по себестоимости, и по технологиям, который диктует и уровень мировых цен, не только добывая соединения, но и разделяя их на чистые металлы, столь востребованные у потребителей. В 2019 году на китайские компании приходится 71 % мировой добычи РЗМ и 77 % мировых поставок (в натуральном выражении). В России разработана «Стратегия производства редких и редкоземельных металлов до 2035 года», направленная на увеличение количества источников сырья и создание разделительных мощностей по РЗМ. К 2035 году наша страна может занять до 10-15 % на мировом рынке, снизив импорт с текущих 80-85 % до 40 %. Также прогнозируется экспорт продукции более высокого передела (разделенные соединения и/или конечная продукция) [2].

Редкоземельные элементы - это группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. В рамках международной торговли наиболее распространена классификация лантаноидов по плотности элементов. Исходя из значений плотности, их можно разделить на две группы: лёгкие и тяжелые (твердые). Это наиболее часто встречающаяся классификация РЗЭ. Следует отметить, что данная классификация распространяется как на индивидуальные редкоземельные элементы, так и на их оксиды.

По физико-химическим свойствам лантаноиды весьма близки между собой. Это объясняется особенностью строения их электронных оболочек. Они образуют весьма прочные окислы, галоидные соединения, сульфиды. Для лантаноидов наиболее характерны соединения трёхвалентных элементов. Исключение составляет церий, легко переходящий в четырёхвалентное состояние. Двухвалентные соединения известны у самария, европия и иттербия. Кроме церия четырёхвалентные соединения образуют празеодим и тербий.

Все эти элементы - металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства. При нагревании они окисляются, покрываясь оксидной пленкой. Для быстроты реакции нужен нагрев до 180 градусов Цельсия. Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. В редкоземельных минералах наблюдается преобладание элементов одной из подгрупп (цериевой или иттриевой), хотя в небольших количествах есть и остальные РЗЭ.

Тербий - весьма необычный металл из ряда лантаноидов и обладает значительным спектром уникальных физических характеристик, как и ряд его сплавов и соединений. В стандартных условиях вещество является парамагнетиком, которые относятся к слабомагнитным материалам. Тербий - моноизотопный элемент, наиболее стабильным является тербий-159 [1].

Монокристаллический сплав тербий-кобальт при температурах, близких к абсолютному нулю, является самым мощным магнитотвёрдым материалом (произведение магнитной энергии (BH)_max = 408 кДж/м³, что более чем в 5-7 раз выше, чем у сплавов самарий-кобальт или железо-неодим-бор).

Сплав тербий-железо - лучший магнитострикционный материал современной техники, особенно его монокристалл, который применяется для производства мощных приводов малых перемещений, как адаптивная оптика крупных телескопов-рефлекторов; источников звука огромной мощности; сверхмощных ультразвуковых излучателей. Кроме того, ряд соединений тербия также обнаруживает гигантскую магнитострикцию, и в этом отношении особый интерес представляет титанат тербия, а также его монокристалл.

Среди переходных металлов наиболее распространенным является железо, которое и в настоящее время остается одним из главных, самых востребованных. Железо - блестящий серебристо-белый металл (плотность 7,87 г/см³;3200 °С); его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).

Магнитные сплавы могут быть исследованы с помощью широкого спектра методов, которые различаются по действию реагента и по форме образующегося соединения.

В начале работы выбрали методику растворения магнитного сплава на основе железа и тербия в серной кислоте, отвечающей основным поставленным задачам и требованиям.

Железо быстро растворяется в кислотах. Высокая кислотность раствора не только способствует увеличению потенциала водорода, но и обеспечивает сохранение в растворе гидратированных ионов металлов, предотвращая их гидролиз, что особенно актуально для легкогидролизуемых элементов.

Извлечение тербия проводили гидролитическим способом путем селективного осаждения железа раствором аммиака NH₄OH при рН=3,8, а затем осаждения тербия при рН = 9,5. При повышении рН раствора до 3,8 железо осаждается (~98 %) до следов.

Спектрофотометрическое определение железа и тербия было основано на взаимодействии Fe(III) с сульфосалициловой кислотой, которая образовала в кислой среде (рН 1,8 - 2,5) комплекс. Измеряли оптические плотности растворов относительно воды на выбранном диапазоне длин волн и толщине слоя кюветы 1 см. Зарегистрировали оптические плотности на λ_max - 260 нм и 520 нм. На основе полученных данных построили градуировочные графики зависимости оптической плотности D от концентрации C (мг/мл). Нашли содержание железа и тербия по полученным данным.

Методом потенциометрического титрования, используя стандартный раствор ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислота - C₁₀H₁₆N₂O₈), определив точку эквивалентности, нашли точное содержание железа в растворе. С помощью графика определили соответствующее количество железа.

Тербий определяли с сульфосалициловой кислотой Титровали 0,05 М раствором трилона Б, прибавляя его медленно при сильном перемешивании, до перехода красно-фиолетовой окраски раствора в лимонно-желтую (при рН 1-3). По полученным данным вычислили количество железа и тербия.

Гравиметрическим методом определяли количественное содержание железа и тербия в сплаве. Гравиметрическое определение железа основано на осаждении иона Fe³⁺ в виде Fe(OH)₃ и иона Tb³⁺ в виде Tb(OH)₃ раствором гидроксида аммония NH₄OH. Вычислили содержание элементов по формуле, получив постоянную массу гравиметрической формы. Результаты данных методик коррелируются.

Проведенные исследования позволили определить количественное содержание железа и тербия в магнитном сплаве различными физико-химическими методами, при этом не используя более сложные методы. Найден целесообразный способ отделения железа от тербия, позволяющий применять его для определения состава магнита.

Список литературы:

1. Барахтин Б. К., Немец А. М. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Аналитический контроль состава материалов черной и цветной металлургии. Т. III. - СПб.: НПО «Профессионал», 2007. - 490 с.
2. В Москве прошла международная конференция «Редкоземельные металлы 2019» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rareearth.ru/ru/pub/20190329/04205.html (дата обращения: 30.03.19)