Исследователи «Центра рационального использования редкометалльного сырья» на базе Института физической химии и электрохимии имени Фрумкина РАН вместе с коллегами из Института физиологически активных веществ ФИЦ ПХФ и МХ РАН разработали четыре сорбента импрегнированного типа — SIR 1–4.
Основой материалов стали пористый сополимер стирола и дивинилбензола LPS-500 и экстрагент ТОДГА. Сорбенты получают сравнительно простым способом: пористый носитель пропитывают раствором экстрагента, затем растворитель удаляют, а ТОДГА фиксируется на поверхности матрицы за счет нековалентных взаимодействий. Его содержание в разных сорбентах составляет 20–45% по массе.
Наиболее интересным оказался SIR 3. Он показал более высокую сорбционную способность, чем зарубежный аналог Trischem DGA, и позволил разделять редкоземельные элементы в сложных смесях. Авторы связывают различия с гидрофильностью полимерных матриц и подтвердили свои выводы методом ИК-спектроскопии.
Результаты опубликованы в Russian Journal of Inorganic Chemistry.
Не просто извлечь металл, а отделить нужный
Практическую ценность разработки ученые проверили на модельных растворах, полученных при переработке постоянных магнитов NdFeB — сплава неодима, железа и бора. Такие магниты широко используются в электронике, в том числе в жестких дисках, акустических системах и вибромоторах мобильных телефонов.
Содержание редкоземельных элементов в NdFeB может достигать 31–32% по массе. Основная их доля приходится на неодим и празеодим, меньшие количества составляют диспрозий, тербий и гадолиний.
Сначала магнитный лом растворяют в неорганических кислотах — азотной, соляной или серной. Затем из получившегося раствора необходимо экстрагировать редкоземельные элементы, отделив их от железа и друг от друга. Именно на этом этапе исследователи предложили использовать SIR 3.
С его помощью была разработана схема разделения Fe(III) и суммы редкоземельных элементов с последующим выделением индивидуальных празеодима, неодима и диспрозия. Оптимальным оказалось содержание ТОДГА 40–45% по массе.
В растворах нитрата аммония повышение его концентрации с 0,5 до 3 моль/л увеличивало коэффициент распределения неодима с 114 до 272 мл/г. Сорбционная емкость достигала 35,6 ± 0,2 мг неодима на грамм сорбента.
Отдельное преимущество технологии — возможность использовать вместо азотной кислоты нейтральный раствор нитрата аммония с pH около 6,5–7. Его получают предварительной нейтрализацией азотнокислого раствора аммиаком. По данным авторов, такой подход упрощает определение концентрации редкоземельных элементов в элюатах и снижает расход агрессивных реагентов.
В перспективе воспроизводимые характеристики SIR 3 и контролируемые параметры процесса позволяют использовать технологию в автоматизированной промышленной переработке.
Использование растворов NH4NO3 вместо HNO3 в качестве элюентов имеет преимущества: упрощаются методы определения концентрации РЗЭ в элюатах, снижается расход агрессивных реагентов для осаждения, в итоге уменьшается ущерб окружающей среде.
Редкоземельные элементы называют одним из ключевых ресурсов современной электроники. Неодимовые магниты отличаются значительной силой при небольших размерах и применяются в электронике, электродвигателях и другой технике.
Тема переработки электронного лома становится все более актуальной. Ранее Hi-Tech Mail писал о российском проекте по извлечению редкоземельных металлов из электронных отходов и отходов производства магнитов.
Еще один показательный материал посвящен тому, как США строят «магнитный щит» против Китая — зачем американцам нужен свой завод редкоземельных магнитов.
О поиске материалов, способных заменить редкоземельные магниты, Hi-Tech Mail рассказывал здесь.