Ученые из научного центра мирового уровня «Центр рационального использования редкометалльного сырья» на базе Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН совместно с коллегами из Института физиологически активных веществ ФИЦ ПХФ и МХ РАН создали новые вещества — сорбенты (SIR 1−4), которые помогают выделять редкоземельные элементы из переработанного сырья.
Эти сорбенты просты в изготовлении и легко восстанавливаются для повторного использования. В их основе — экстрагент N, N, N', N'-тетраоктилдигликольамида (ТОДГА) и пористый материал (сополимер стирола и дивинилбензола).
Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, сорбенты хорошо справляются с задачей: они эффективно и избирательно извлекают редкоземельные элементы из переработанного сырья. Результаты исследования опубликованы в журнале Russian Journal of Inorganic Chemistry.
Мы синтезировали четыре смолы SIR 1−4 (Solvent Impregnating Resin — SIR) легкодоступным в синтезе методом импрегнации — пропиткой пористого носителя матрицы раствором экстрагента ТОДГА с последующим удалением растворителя и фиксацией экстрагента на пористой поверхности носителей за счет нековалентных взаимодействий. Концентрация экстрагента ТОДГА в смолах составляет 20−45 мас. %. Такое содержание обеспечивает эффективное извлечение редкоземельных элементов, именно в этом диапазоне достигаются наилучшие значения коэффициентов распределения и емкости сорбента по целевым металлам.
Сорбент SIR 3 благодаря своим уникальным свойствам открывает новые возможности для экстракционной хроматографии: он превосходит зарубежный аналог марки Trischem DGA по сорбционной способности и позволяет эффективно выделять целевые редкоземельные элементы из сложных смесей. Специалисты объясняют это преимущество различиями в гидрофильности полимерных матриц, подтверждая свои выводы с помощью ИК-спектроскопии.
Редкоземельные элементы требуются в технике и химической промышленности, из‑за этого их запасы истощаются, а цены растут. Поэтому ученые ищут новые источники редкоземельных элементов, например, из вышедших из строя электронных устройств (жестких дисков, акустических систем, вибромоторов мобильных телефонов) или отработавших магнитов (в них может быть до 32% редкоземельных элементов). Особенно ценны магниты из сплава неодим‑железо‑бор: основное количество составляют неодим и празеодим, в меньшем количестве находятся диспрозий, тербий и гадолиний.
Чтобы добыть редкоземельные элементы из таких магнитов, лом сначала растворяют в кислотах, затем с помощью сорбента SIR 3 выделяют нужные элементы — например, празеодим, неодим и диспрозий — и отделяют их от примесей вроде железа.
Ученые проверили, как лучше вести процесс: изучили, как на извлечение влияют состав сорбента, кислотность раствора и добавки солей. Выяснили, что эффективность растет, если увеличить долю специального вещества (ТОДГА) в сорбенте и добавить в раствор нитрат аммония. Так удается получать нужные элементы чище и в большем количестве.
Наши исследования показывают, что замена HNO3 на NH4NO3 в исходных растворах практически не влияет на сорбцию Nd (III) сорбентом SIR 3. 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.
Методика разделения редкоземельных элементов использует нейтральный раствор нитрата аммония (его получают, добавляя аммиак к кислому раствору). Такой подход не дает редкоземельным элементам слипаться с другими металлами — так удается их лучше отделить.
Еще одно достоинство метода — он работает быстро: нужные элементы оперативно переходят из одного состояния в другое. Если процесс идет медленно, разделение занимает слишком много времени и становится непрактичным. А тут скорость высокая — это важно, потому что редкоземельные элементы похожи друг на друга и их непросто разделить.
Метод выгодный и безопасный для природы. Его можно внедрить на производстве: свойства сорбента SIR 3 стабильны, а все этапы процесса легко контролировать и даже автоматизировать.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что химики создали эффективный сорбент для удаления меди из промышленных стоков.