Как найти редкоземельные металлы

Металлы, составляющие группу редкоземельных

По состоянию на 2019 г., в список редкоземельных металлов входят следующие химические элементы:

1. Скандий: назван в честь Скандинавии.
2. Иттрий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю, расположенного на территории современной Швеции.
3. Лантан: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «таинственный, скрытный».
4. Церий: назван в честь римской богини Цереры и одноименной карликовой планеты в солнечной системе.
5. Празеодим: в переводе с греческого языка наименование этого элемента обозначает «зеленый близнец».
6. Прометий: назван в честь древнегреческого мифического персонажа Прометея.
7. Неодим: в переводе с греческого языка означает «новый близнец».
8. Самарий: получил наименование в честь минерала самарскит.
9. Европий: назван в честь одноименной части света.
10. Гадолиний: получил наименование в честь финского химика Юхана Гадолина.
11. Диспрозий: в переводе с греческого языка наименование этого элемента означает «труднодоступный».
12. Гольмий: назван в честь столицы Швеции – Стокгольма.
13. Эрбий: получил наименование в честь шведской деревни Иттербю.
14. Лютеций: назван в честь старинного названия столицы Франции, используемого древними римлянами.
15. Иттербий: получил наименование в честь населенного пункта Иттербю.
16. Тулий: получил наименование в честь сказочного острова Туле, описанного в скандинавской мифологии.
17. Тербий: назван в честь деревни Иттербю.

Термин «редкоземельные» образован от словосочетания «редкие земли». Он объединяет химические элементы по следующим признакам:

1. Вещества редко встречаются в естественной среде. В нынешнее время только 2% редкоземельных металлов добываются в земной коре. Извлечение металлов в большинстве случаев осуществляется из отходов производства минеральных удобрений. Добыча осуществляется с применением инновационных технологий.
2. При взаимодействии с кислородом элементы образуют тугоплавкие, нерастворимые оксиды, называемые «землями».
3. Представляют собой серебристо-белые металлы, тускнеющие при взаимодействии с воздухом в результате образования оксидной пленки.

Редкоземельный металл лантан является одним из самых дорогих химических элементов. При взаимодействии с алюминием он образует вещества с повышенной интенсивностью поглощения углерода и азота. Благодаря низкой активности по отношению к H2, его можно применять для изоляции водорода от окружающих газов.

Редкоземельные соединения отличаются между собой по химической активности. Этот параметр возрастает от скандия до лантана. До лютеция химическая активность снижается до минимальных значений. Это явления обусловлено постепенным снижением расстояния между атомами и энергетическими уровнями. В научной литературе редкоземельные металлы имеют следующие обозначения:

1. TR: аббревиатура, обозначающая “редкие земли” (Terrae rarae).
2. REE: сокращение английского словосочетания Rare-earth elements (редкоземельные элементы).
3. REM: сокращение английского словосочетания Rare-earth metals (редкоземельные металлы).

В российских учебниках редкоземельные элементы обозначаются аббревиатурами РЗЭ или РЗМ.

История открытия редкоземельных металлов

Впервые редкоземельные металлы были изучены финским химиком Юханом Гадолином в конце XVIII столетия. В 1794 г. ученый во время изучения рудных образцов, найденных вблизи деревни Иттербю, открыл “редкую землю”, названную иттриевой. В начале XIX в. немецкий химик Мартин Клапрот создал первую классификацию редкоземельных соединений. Он раздел эти элементы 2 группы: иттриевые и цериевые.

Спустя несколько десятилетий шведский химик Мосандер выявил наличие новых редкоземельных металлов. В 1840-х г. ученый выделил из образцов “редких земель” окись церия, тербиевую и эрбиевую земли. К концу XIX столетия в мире было открыто 16 редкоземельных элементов. В XX в. был открыт последний редкоземельный металл — прометий. Ее исследованием занимались русские химики Маринский и Гленделин. На основе их экспериментов были проведены опыты по использованию осколков деления атомов урана в ядерном реакторе. По состоянию на 2019 г. группа редкоземельных металлов состоит из 17 химических соединений. В таблице Менделеева они расположены в ячейках 21, 39 – 57, 57 – 61.

Запасы редкоземельных элементов

Общее количество по массе редкоземельных металлов в природе составляет не более 0,02%. Чаще всего в недрах Земли находятся церий, лантан и неодим. Наименее распространенным соединением является Европий. Ее процентное содержание в недрах Земли составляет не более 0,0013% от его общей массе.

В мире редкоземельные металлы находятся в 240 минеральных веществах: фторидах, силикатах и фосфатах. 62 минерала используются в качестве промышленного сырья: монацит, апатит, бастнезит и эвксенит. Процентное соотношение РЗЭ в составе минеральных веществ неодинаково. В бастнезитах содержатся преимущественно представители цериевой подгруппы, в апатитах – иттриевой. Редкоземельные элементы содержаться в естественной среде совместно, образуя сульфиды или галоидные соединения. Валентность веществ составляет не более 3+. В природе церий может образовывать четырехвалентные соединения, что обусловлено особенностями строения его электронной оболочки. Основные запасы редкоземельных металлов содержатся в следующих странах:

• США: 13000000 т;
• Австралия: 1600000 т;
• Бразилия: 36000 т;
• Китай: 55000000 т;
• Индия: 3100000 т;
• Малайзия: 30000 т.

В России 90% редкоземельных элементов импортируется из других стран. Это обусловлено тем, что на российском рынке наблюдается низкий спрос на данные соединения. Из-за развития научно-технического прогресса наибольшее количество редкоземельных ресурсов потребляется развитыми странами Европы и Северной Америки.

Добыча

Добыча редкоземельных металлов из отходов фосфорных удобрений является одной из самых инновационных технологий. Наличие в породном отвале большого количества гипса обуславливает высокую водостойкость и механическую прочность сырья. Эта технология извлечения РЗМ позволяет добыть до 800 000 ценных химических элементов и утилизировать отходы при производстве фосфорных удобрений. Она представляет собой замкнутый цикл. В результате переработки минеральных удобрений выделяются строительный гипс и оксиды редкоземельных металлов: неодима, тербия, церия, диспрозия, празеодима и лантана.

Существуют 3 метода переработки отходов от производства удобрений:

1. Разложение материала с помощью плавиковых или серных кислот: позволяет удалять из веществ оксиды азота в процессе реакции обмена.
2. Хлорирование: атомы неметаллов сменяются на хлор в результате химической реакции замещения.
3. Сплавление гидроксидами, растворимыми в воде: в результате реакции гидролиза из РЗМ удаляются сульфированные поверхностно-активные вещества.
4. Химическое восстановление кальцием: осуществляется в бескислородной среде или в атмосфере аргона. Эта процедура позволяет избавиться от самых прочных химических окислов.

В результате образуется хлориды, сульфаты и оксиды, из которых извлекаются редкоземельные соединения. Для очистки РЗЭ от примесей используются технологии вакуумного переплава или дистилляции.

Наибольшее количество РЗМ добывается на территории США, Канады, Австралии и КНР. С 2010 г. спрос на эти химические соединения растет во многих индустриальных отраслях: машиностроении, электронике, ядерной энергетике и химической промышленности. Одним из крупнейших месторождений редкоземельных металлов является Bayan Obo, расположенное в Китае. Здесь содержится 44 млн. оксидов. Китай экспортирует сырье во многие страны Европы, Азии, Северной Америки и Африки. С 2010 г. КНР сокращает экспорт РЗМ, что связано с ростом потребления на внутреннем рынке. В результате во многих странах возникла физическая нехватка редкоземельных ресурсов. В Российской Федерации добыча РЗМ из горных пород является нерентабельным занятием, что обусловлено низким потреблением этих металлов. Наибольшее количество редкоземельных элементов используют государственная корпорация “Ростехнологии” и предприятия оборонной промышленности. В России РЗМ добываются на территории Мурманской области и Республики Саха (Якутии). В данных регионах находятся крупнейшие месторождения редкоземельных металлов: Ловозерское и Томторское. С 2016 г. в РФ действует госпрограмма по созданию отраслевых предприятий, обеспечивающих российскую промышленность редкоземельными элементами. Она позволила улучшить методы добычи РЗМ и ликвидировала зависимости экономики России от импортных материалов.

Свойства редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы имеют серебристый или желтый окрас. Они поддаются механической обработке и проводят электрический ток. Свойства РЗМ могут изменяться при переходе веществ из металлического состояния в парообразное. При высоком давлении и большой разнице в энергии атомные радиусы уменьшаются, что приводит к увеличению плотности простых веществ.

Физические свойства

Плотность РЗЭ составляет 6000–7000 кг/м³. Температура плавления вещества равняется 900 °С. Переход веществ в газообразное состояние осуществляется при температуре от 3500 °С. Наибольшим захватом тепловых нейтронов обладают гадолиний, самарий и европий. При нагревании до высоких температур элементы становятся пластичными и легко поддаются прокатке или ковке. РЗМ обладают магнитными свойствами. Они относятся к классу парамагнетиков. Магнитная восприимчивость соединений зависит от их температуры. Гадолиний, Диспрозий и Гольмий располагают ферромагнитными свойствами. Они могут увеличить свое магнитное поле в несколько раз при нагреве до критических температур. В естественной среде большая часть редкоземельных металлов являются сверхпроводниками. Переход сверхпроводящее состояние осуществляется при охлаждении веществ до температуры -268,15 °С. Величина данного показателя зависит от избыточного давления.

Механические свойства

Механические свойства РЗЭ находятся в зависимости от количества примесей, содержащихся в веществе: кислорода, серы, азота и углерода. Ими обладают большинство представителей иттриевой и цериевой подгрупп. Чистые металлы, в которых содержится меньше 1% примесей, имеют твердость 500 Мпа. Этот показатель зависит от температуры химического соединения. При охлаждении вещества до 800 °С твердость элемента составляет 30 МПа. Если понизить температуру вещества до 550 °С, то оно полностью размягчится, что обусловлено полиморфным превращением.

При температурах 20-800 °С повышается пластичность редкоземельных металлов. Во время нагревания внутренняя структура элементов переходит на кубическую модификацию. Во время растяжения РЗМ полностью разрушаются при давлении в 150 Мпа. При более низких значениях этого показателя соединения деформируются. Удельное растяжения металлов составляет не менее 12%.

Химические свойства

При взаимодействии с молекулами кислорода РЗЭ покрываются тонкой оксидной пленкой, защищающей металлы от физических деформаций и воздействия иных химических элементов. При высокой влажности вещества начинаются окисляться с большей интенсивностью и превращаются в щелочи. Данный химический процесс осуществляется при температурах до 250 °С. При дальнейшем нагревании в кислородной среде металлы начнут окисляться с выделением большого количества тепловой энергии. Наибольшей реакционной способностью располагают скандий и иттрий. При нагревании до 400 °С они вступают в реакции с водородом, образуя гидриды. Полученные вещества имеют высокую плотность и могут взаимодействовать с солями.  Церий обладает свойством пирофорности. При разрезании этого элемента на воздухе образуется множество искр. В этом случае выделяется до 220 ккал тепла.

Степень окисления редкоземельных соединений равняется +3. Поэтому эти способы образовывать тугоплавкие, твердые и крепкие оксиды. При взаимодействии с водой РЗМ образуют малорастворимые гидроксиды. Растворимость элементов зависит от ряда активности и свойств амфотерности. Из-за высокой активности металлов, соли редкоземельных соединений быстро растворяются в сильных кислотах, относящихся к минеральной группе химических веществ. При взаимодействии РЗМ с неметаллами VI – VII групп получаются галогены. РЗЭ могут вступать в реакцию с селеном, бромом, йодом при нагревании. Они инертны к большинству растворимых гидроксидов.

Применение редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы нашли применение в следующих областях:

1. Производство винчестеров и звуковых динамиков.
2. Изготовление фотокамер, телескопических объективов, проекторов, приспособлений для студийного освещения и аккумуляторов.
3. Переработка сырой нефти.
4. Разработка усиленных металлов и стекол, применяющихся в авиационных моторах и защитных масках для строителей.
5. Создание жидкокристаллических дисплеев, аппаратов для МРТ, рентгеновских систем, энергосберегающих ламп и ядерных реакторов.

Также РЗЭ используются для изготовления добавок и эмалей, необходимых для модификации материалов. Они улучшают пластичность и прочность сырья, что увеличивает срок службы различных аппаратов и металлических устройств. Благодаря повышенной скорости поглощения окисей углерода и азота, РЗМ могут применяться в водородных тиратронах в качестве изолирующего материала. Применение редкоземельных элементов оказывает негативное влияние на экологию планеты. В результате добычи и производства РЗЭ в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ и токсинов, включая углерод. В настоящее время разрабатываются технология определения токсичности РЗМ при помощи биотестирования. Ученые создают биосенсоры, определяющие влияние металлов на организм человека при помощи специальных биосенсоров. При изготовлении тестовых приспособлений используются экологически чистые материалы: Paramecium Bursaria и водоросли Chlorella.

     В последние несколько лет резко вырос интерес к редкоземельным металлам. Это связано c изменением конъюнктуры рынка и развитием технологий, определяющих рост спроса на металлы и их сплавы, обладающие уникальными технологическими свойствами. При этом стоимость некоторых лантаноидов, таких как тербий, лютеций, диспрозий, европий, сопоставима и в ряде случаев превышает стоимость золота и платины.

     К редкоземельным металлам (РЗМ) относят химические элементы побочной подгруппы III группы периодической системы Менделеева: скандий, иттрий, лантан и лантаноиды. Скандий (Sc), однако, не всегда относят к РЗМ. Название “редкоземельные” дано в связи с тем, что они, во-первых, сравнительно редко встречаются в земной коре и, во-вторых, образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде окислы (такие окислы в начале 19 в. и ранее назывались “землями”). В состав группы редкоземельных металлов входят элементы двух подсемейств, — цериевого (лёгкие — La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (тяжёлые — Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Несмотря на повсеместную распространенность редкозмельных элементов, их концентрации в земной коре достаточно низкие. Месторождений характеризующихся высокой концентрацией редкоземельных элементов, позволяющих вести экономически эффективную добычу, чрезвычайно мало. Лантаноиды распространены в природе неодинаково, и элементы с четными атомными номерами встречаются значительно чаще, чем нечетные. Это обстоятельство сказывается на масштабах производств и ценах на редкоземельные металлы.

     В зависимости от конъюнктуры рынка и потребностей отраслей промышленности интерес к освоению месторождений и переработке РЗМ менялся. В последние годы он заметно возрос, в России и странах СНГ можно отметить повышенный интерес к месторождениям РЗМ со стороны иностранных инвесторов. Это обусловлено особенностями рыночной политики последних нескольких лет. Китай, обладая обширной сырьевой базой, фактически монополизировал рынок РЗМ, ведя жесткую маркетинговую политику. В настоящее время Китаем контролируется около 95% рынка редкоземельных металлов. Введение Китаем ограничений на экспортные поставки РЗМ привело к панике на рынке, резкому росту цен и риску потери источника сырья для отдельных отраслей промышленности.

     Столь жесткие ограничительные меры, введенные Китаем, обусловили интерес высокотехнологичных компаний к формированию собственной ресурсной базы, в том числе за счет участия в проектах отработки месторождений редкоземельных металлов. Этим объясняется активность западных и азиатских корпораций к проектам по освоению месторождений и рудопроявлений редкоземельных металлов на территории СНГ, прежде всего в России, Казахстане и на Украине.

     Освоение редкоземельных месторождений в СНГ, несмотря на наличие спроса на конечную продукцию на мировом рынке, сопряжено с рядом сложностей, в т.ч.:

– cложностями привлечения финансирования в проекты стадии Гринфилд;
– достаточно сложным строением месторождений редкоземельных металлов, как правило, представленных комплексными рудами;
– сложностями извлечения отдельных элементов, возникающими при обогащении руд редкоземельных металлов и на последующем металлургическом переделе;
– проблемами лабораторной базы, необходимой для химических и минералогических исследований руд РЗМ.

     Необходимо отметить, что при работе на территории России следует учитывать особый статус редкоземельных месторождений, зачастую относящихся к стратегическим. Это накладывает определенный отпечаток на открытость информации о месторождениях и возможность участия иностранного капитала в их освоении. В тоже время на государственной уровне фактически отсутствует работоспособная программы по проведению геологоразведочных работ с целью поиска новых месторождений. Стратегический статус редкоземельных месторождений вполне оправдан, учитывая их значимость для обеспечения обороноспособности страны и необходимость развития современных отечественных инновационных производств.
     Фактически в России существует одно горнодобывающее предприятие, ведущее добычу руд, содержащих редкоземельные минералы – Ловозерский ГОК. В лопаритовых рудах Ловозерского месторождения содержание РЗМ достигает 1,12%. Извлечение редкоземельных металлов осуществляется попутно с титаном, танталом и ниобием.

     Обогащение рудного сырья Ловозерского ГОКа производится на Обогатительной фабрике «Карнасурт», расположенной в пос. Ревда Ловозерского района Мурманской области. Главным рудным минералом является лопарит – минерал подкласса сложных оксидов, соединение, содержащее в переменных количествах оксиды титана, ниобия, тантала, редкоземельных элементов, стронция и тория. В лопарите редкоземельные элементы относятся преимущественно к цериевой группе с преобладанием оксидов церия и лантана. В технической литературе лопарит обозначается формулами: (Na,Ce)TiO3, (REE,Na)(Ti,Nb)O3, (Na,Ce,Ca)(Ti,Nb,Ta)O3, (Na,Ce,Ca)2(Ti,Nb)2O6.

     Обогащение руды на фабрике осуществляется по развитой гравитационной схеме с доводкой гравитационного чернового концентрата электрической и магнитной сепарацией.

     Обогатительная фабрика выпускает один товарный концентрат – лопаритовый, характеризующийся содержанием лопарита на уровне ~95 % и его извлечением > 80 %. Химический состав лопарита непостоянный, содержание диоксида титана изменяется в пределах 36-40 %, пентаоксид ниобия – 6-15 %, пентаоксида тантала – 0,6-0,8 %. Содержание ΣTR2O3 достигает 34 %, в среднем составляя ~29 %.
Лопаритовый концентрат для дальнейшей переработки направляется на Соликамский магниевый завод (СМЗ). В основе технологического цикла СМЗ заложено производство магния путем электролиза солей магния с получением металлического магния и хлора. Хлор используется в качестве реагента для переработки сложного по составу редкометального сырья – лопаритового концентрата. Производство по переработке комплексного редкометального сырья на СМЗ введено в действие в начале 70-х годов прошлого века. Принципиальная технологическая схема переработки лопаритового концентрата на РЗМ приведена ниже. Редкоземельной продукцией Соликамского магниевого завода являются карбонаты редкоземельных металлов, выпускаемые по ТУ 1767-004-00545484-2002. Содержание ΣTR2O3 в карбонатах составляет ≥40 % с извлечением >95 %.

     Продукция Соликамского магниевого завода отличается высоким качеством и востребована на мировом рынке. Почти вся она поставляется за рубеж, в Эстонию, Австрию, США и другие страны.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема переработки лопаритового концентрата Ловозерского ГОКа на Соликамском магниевом заводе

     Следует отметить, что неоднократно к данному производству проявляли интерес зарубежные (в т.ч. швейцарские, американские и японские) инвесторы. При разрыве производственных цепочек по переработке редкоземельного сырья и спроса со стороны промышленности в 90-е годы производство на комбинате стагнировало. После резкого роста цен на РЗМ в конце 2000-х годов эффективность добычи лопарита на Ловозерском ГОКе увеличилась. Передача контроля над данным рудником иностранному капиталу могла быть сопряжена с рядом рисков для государства, и весьма неслучайно, что были приняты превентивные меры, направленные на сохранение контроля над предприятием.

     Несмотря на существенный износ основных фондов, при соответствующем финансировании Ловозерский ГОК обладает большим потенциалом для роста производительности и повышения рентабельности разработки месторождения. ГОК обладает значительной ресурсной базой. Запасы руды участка Умбозеро Ловозерского месторождения составляют около 28 млн. т, в том числе полезного минерала – 1,2 млн. т. Кроме редкоземельных металлов в составе лопаритовых руд содержится значительное количество оксидов ниобия и тантала.

     Также следует отметить перспективы включения в отработку соседних участков недр, характеризующихся достаточно высоким содержанием редкоземельных металлов, в т.ч. с возможностью открытой добычи. Так, запасы руд участка Аллуайв составляют около 180 млн. т, месторождения Чингласуай – свыше 16 млн. т лопаритовых руд и 546 млн. т эвдиалитовых руд.

     В России были приняты поправки к законодательству, ограничивающие возможности контроля иностранного капитала в проектах отработки стратегических месторождений. Зарубежные инвесторы также рассматривают проекты по промышленному освоению месторождений редкоземельных металлов в странах СНГ. Большинство из данных месторождений находится на стадии Гринфилд или в процессе опытной эксплуатации. Нужно отметить, что российский капитал обладает высокими стартовыми возможностями для реализации проектов в странах СНГ, включая протекционизм, «лояльность» местных властей, транспортную доступность и т.д. Тем не менее, к сожалению, российские инвесторы не столь активны, как их зарубежные коллеги из Китая, Японии и других стран.

     Говоря о месторождениях руд, содержащих редкоземельные металлы, следует указать на существенное отличие их геологических и технологических характеристик. Однако практически на всех месторождениях редкоземельные элементы являются частью комплексных руд, включающих различные полезные компоненты. При этом самостоятельных минералов источников РЗМ немного и зачастую редкоземельные металлы присутствуют в виде изоморфных примесей к другим минералам, или входит в состав комплексных минералов, включающих несколько полезных компонентов. Это накладывает сложности на геологический учет и технологию переработки руд. Зачастую приходится искать баланс между извлечением РЗМ и других полезных компонентов.

     Последнее обуславливает соответствующий единый подход к переработке сырья данных месторождений. Это, в первую очередь, – извлечение основного ценного компонента со сравнительно высоким целевым извлечением, во вторую очередь – попутное извлечение РЗМ в некий продукт с более или менее значимым достигаемым уровнем извлечения. И под «достигаемым уровнем» в данном случае следует понимать, что РЗМ извлекаются в продукцию по принципу «как получится», либо вовсе никак не извлекаются.

     Такая картина наблюдается практически на всех эксплуатируемых российских месторождениях и месторождениях СНГ, независимо от того, какой минерал или элемент является целевым. Исключением является Ловозерский ГОК, но не потому, что там имеет место целевой подход к излечению РЗМ, а лишь потому, что редкоземельные элементы наряду с титаном, танталом и ниобием присутствуют в составе минерала – лопарита – и их извлечение соответствует извлечению лопарита в лопаритовый концентрат.
В условиях роста цен на РЗМ происходит пересмотр статуса уже отрабатываемых месторождений или поставленных на баланс (титан-циркониевые, фосфористого сырья и т.д.). Даже при относительно невысоких концентрациях редкоземельных элементов, ранее не рассматривавшийся, как источник доходности, в новых экономических реалиях стимулируется интерес к поиску технологий переработки с целью максимального извлечения редкоземельных элементов. Фактически месторождения приобретают статус комплексных, при этом в некоторых случаях вклад РЗМ в капитализацию проект освоения месторождения «паритетен» или превалирует над полезным компонентом ранее рассматривавшегося в качестве «основного» или «единственного».

     Относительно РЗМ-содержащих месторождений, не эксплуатируемых в промышленном масштабе, или месторождений из нераспределенного фонда можно отметить следующее. Большинство технологических исследований по данным месторождениям осуществлялось при проведении геологических оценок, в период тех лет, когда редкоземельные элементы по различным причинам не могли рассматриваться в качестве товарного продукта. Изучению их поведения при переработке уделялось недостаточно внимания, выполненные исследования по извлечению РЗМ носили полуколичественный или даже качественный характер. А при опытной эксплуатации редкоземельных месторождений получаемые целевые концентраты зачастую выбраковывались по причине высокого радиационного фона, создаваемого в том числе содержащимися в них редкоземельными металлами. Такая ситуация имела место, например, на одном титано-циркониевом объекте, расположенном в Республике Казахстан. Именно высокий фон ильменитового и цирконового концентратов заставил собственников организовать на опытном производстве поиск технологических решений по выделению РЗМ в ильменитовые и цирконовые хвосты, которые в настоящее время, в условиях положительных изменений на рынке редкоземельных металлов, могут рассматриваться как концентраты РЗМ, пригодные для дальнейшей переработки.

     Месторождения РЗМ по основному извлекаемому компоненту можно условно разделить на три группы: апатитовые, титан-циркониевые и тантал-ниобиевые.

     Основное количество рудных месторождений РЗМ России и Новополтавское месторождение Украины относятся к апатит-нефелиновым и апатит-карбанатитовым горно-промышленным типам месторождений. К числу крупных российских месторождений относятся Юкспорское, Коашвинское, Олений ручей (апатит-нефелиновый тип), Селигдарское (апатитовый в карбонатитах), Белозиминское (коры выветривания карбонатитов). Во всех вышеперечисленных месторождениях в качестве основного сырьевого компонента выступает апатит, и переработка этих руд предусматривает обязательное выделение апатитового концентрата. При этом РЗМ в рудах данного типа в значительной степени ассоциированы как с апатитом, так и с другими рудными составляющими, а собственная минерализация редких земель имеет подчиненное значение. Это обуславливает количественное распределение РЗМ между апатитовым концентратом и хвостами апатитовой флотации, которое может варьироваться в существенной степени.
Юкспорское, Коашвинское месторождения и месторождение Олений ручей принадлежат Хибинской группе месторождений, содержание РЗМ в их рудах невелико, всего около 0,4% ΣTR2O3.

     Первые два месторождения промышленно разрабатываются ОАО «Апатит», технология переработки сырья предусматривает флотационное обогащение с формированием апатитового и нефелинового концентратов, редкоземельные элементы количественно не извлекаются, а складируются либо в хвостохранилищах обогатительных фабрик, либо на шламохранилищах заводов по производству минеральных удобрений.
     Лицензией на разработку месторождения Олений ручей владеет ЗАО «Северо-западная фосфорная компания». В настоящее время производство находится на этапе рабочего проектирования и строительства. В проектной технологии обогащения сырья основной акцент также делается на производство апатитовых и нефелиновых концентратов, однако, программа комплексной переработки предусматривает ряд мероприятий, направленных на извлечение РЗМ.

     Содержание РЗМ в рудах Селигдарского месторождения находится на уровне близком к апатитам Хибинской группы, его руды содержат в среднем около 0,35%. При этом редкоземельные элементы находятся в руде не только в виде изоморфной примеси в апатите, но и в виде микровключений монацита. Проект создания Селигдарского горно-химического комплекса включал в себя строительство на базе месторождения горно-обогатительного комбината (карьер и обогатительная фабрика) и химического завода по производству комплексных фосфорно-магниевых удобрений. Технология переработки предусматривала получение апатитового концентрата. Производство продукта, содержащего РЗМ, данной концепцией не предполагалось. Однако вопрос с выбором недропользовователя до настоящего времени не решен, а месторождение по-прежнему рассматривается как месторождение апатитовых руд, редкоземельных металлов и строительного камня.
     Белозиминское и Новополтавское месторождения в настоящее время не разрабатываются, проектирование по ним не ведется.

     Рассматривая проблему извлечения РЗМ из апатит-нефелиновых и апатит-карбанатитовых руд, в которых редкие земли в большей или меньшей степени ассоциированы с апатитом, следует обратить особое внимание на дальнейшую переработку апатитового концентрата. В настоящее время в России апатитовый концентрат перерабатывают на удобрения преимущественно (~85 %) сернокислотным способом. При сернокислотном разложении РЗМ в собственный продукт не извлекаются, а переходят в низкоконцентрированные по РЗМ гипсовые отходы, которые вследствие присутствия лантаноидов характеризуются повышенным радиационным фоном, что приводит к известным сложностям при их складировании.

     Вместе с тем, редкие земли могут быть извлечены из апатитового концентрата при его дальнейшей химической переработке на экстракционную фосфорную кислоту по азотокислому способу. Проведенные ранее исследования комплексной химической переработки апатитовых концентратов одного из вышеуказанных месторождений подтвердили возможность получения РЗМ в виде первичного осадка концентрата с извлечением РЗМ на уровне 72-78 % с содержанием суммы лантаноидов в данном продукте порядка 40-48 %. Полученная экстракционная фосфорная кислота была пригодна для дальнейшей переработки на минеральные удобрения: аммофос, диаммофос, нитрофоску, двойной суперфосфат и т.д.

     В россыпных месторождениях редкие земли зачастую ассоциированы с титан-циркониевыми песками, РЗМ характеризуются собственной минерализацей и их содержание значительно превышает данный показатель для месторожденияй первой группы, и составляет 0,5-1,0%, по отдельным участкам достигая 4 % по ΣTRO. Одним из наиболее перспективных российских сырьевых источников россыпных РЗМ является циркон-рутил-ильменитовое месторождение Центральное. Республика Казахстан также обладает богатым по содержанию РЗМ ильменит-циркон-рутиловым месторождением Обуховское.

     Извлечение РЗМ из титано-цирконивыех песков как правило происходит по двухстадийной схеме, где на первом этапе по гравитационной схеме получают коллективный концентрат, содержащий титан, цирконий и РЗМ. Далее коллективный концентрат подвергается переработке по многооперационной разветвленной схеме с использованием магнитных (слабое и сильное поле), электрических и гравитационных методов обогащения. В результате селективного обогащения образуются титансодержащие и цирконовые концентраты и концентраты РЗМ. По данной схеме переработки тяжелые РЗМ ассоциируются титансодержащими продуктами, а легкие РЗМ – с цирконом, при этом содержание ΣTRO в концентрате легких РЗМ достигает 12 %.

     К третьему типу тантал-ниобиевых месторождений на территории России относятся Ловозерское месторождение, Катугинское танталовое месторождение, содержащее руду, богатую иттрием, а также преимущественно ниобиевые Томторское и Чуктуконское месторождения. Про Ловозерское месторождение было сказано выше, а три других месторождения в настоящее время промышленно не разрабатываются. Кроме того все они характеризуются проблемами, связанными с обогащением руд. Так, для Катугинского месторождения характерно получение несоответствующего действующим стандартам радиоактивно-опасных концентратов РЗМ: пирохлорового (ΣTR+YO=8,6 %) и гагаринит-флюоритового (ΣTR+YO=15 %). Руды Томторского месторождения, содержащие ~ 10 % ΣTRO (участок Буранный), являются весьма сложным объектом для механического обогащения, ввиду тесной ассоциации минералов, и могут рассматриваться как природные черновые концентраты, пригодные непосредственно для гидрометаллургического передела. Руды Чуктуконского месторождений ( до 5 % ΣTRO) являются труднообогатимыми и извлечение полезных компонентов из них возможно только посредством применения химических методов.

     Говоря о вопросах переработки руд и концентратов содержащих РЗЭ нельзя не указать на сложность проблемы металлургического передела. Получение концентратов РЗЭ является лишь первым этапом к получению товарного продукта. Несмотря на то, что на внешнем рынке могут быть востребованы достаточно бедные концентраты с содержанием РЗЭ от 10%, фактически промышленностью востребованы металлы с чистотой 99% и выше. Реализация на внешнем рынке бедных концентратов с одной стороны минимизирует выручку, в силу существенного дисконта на данное сырье, с другой стороны не позволяет использовать данное сырье непосредственно в России.

     Переработка бедных концентратов в металлы достаточно сложный и энергоемкий процесс Технология получения высокочистых РЗМ в высокой степени зависит от особенностей используемого минерального сырья, однако имеет некоторые общие особенности. Как правило, на первом этапе технология предусматривает гидрометаллургическую переработку концентратов, включающую химическую обработку, вскрытие, выщелачивание и избавление от примесей, в результате чего получают коллективные химические соединения РЗМ. Далее следует процесс разделения лантаноидов, который технологически весьма сложен ввиду близости свойств металлов. Разделение первоначально производится на подгруппы, которые затем разъединяются на индивидуальные элементы путем дальнейшей экстракции из растворов. Индивидуальные редкие земли обычно осаждаются в виде оксалатов, которые обжигаются до получения оксидов. Очень высокая чистота оксидов может быть достигнута с помощью применения ионно-обменной технологии.

     Достаточно развитые технологии извлечения индивидуальных РЗМ в металлы имеются во Франции и Китае. В России в настоящее время производство высокочистых РЗМ в промышленном масштабе не осуществляется.

     Другой проблемой России, существенно влияющей на перспективы освоения новых месторождений РЗМ и переоценку балансовой принадлежности имеющихся, является сложность обеспечения оперативных и качественных лабораторных исследований руд редкоземельных элементов. Сложности лабораторных исследований обусловлены следующими факторами:

– редкоземельные элементы зачастую содержаться в очень низких (но промышленных) концентрациях, выходящих за порог чувствительности оборудования имеющегося в Российских лабораториях;
– отсутствием в лабораториях «стандартов» для проведения надежных анализов;
– невозможностью выполнять исследования по комплексным рудам содержащим самый широкий спектр элементов;
– ограниченной пропускной способностью лабораторий по количеству единовременно исследуемых проб, обуславливающих длительные сроки анализов;
– сложностью пробоподготовки для минералогического анализа руд содержащих РЗМ (достаточно сложных для анализа в т.ч. в силу изоморфных включений редкоземельных элементов), обусловленной отсутствием необходимой аппаратной части, методик и опыта исполнителей.

     Несмотря на то, что в России имеются достаточно большой опыт исследований руд редкоземельных металлов, длительный период недофинансирования данного направления не мог не сказаться на состоянии лабораторной базы, не говоря уже про острый дефицит высококвалифицированных специалистов. По сути, вопрос возрождения и развития профильных научно-исследовательских организаций является приоритетной задачей государства. Необходимо разработать работоспособные механизмы стимулирования частных инвесторов к финансированию, как технологических исследований, так и лабораторно-исследовательской базы. Учитывая стратегическую значимость отрасли для страны вполне оправданным будет также целевое государственное финансирование приоритетных программ и месторождений РЗМ.

     Следует отметить, основная задача перед страной состоит в формировании устойчивого внутреннего спроса на редкоземельные металлы, что невозможно без развития инновационных отраслей промышленности, а добыча редкоземельных руд и их переработка является только элементом инновационной составляющей экономики.

     Уровень развития техники и технологии, а также инновационность промышленного производства коррелируется с количеством элементов таблицы Менделеева, используемых промышленностью. Если в древнем мире активно использовались только широко известные металлы (железо, медь, олово, золото, серебро, свинец), то в начале 20 века использовалось около 40-50 элементов. В настоящее время, из 118 элементов таблицы Д. И. Менделеева современной промышленность используется около 90 элемента. При этом, отмечен существенный разрыв в активном использовании данных элементов между наиболее инновационными и промышленно развитыми странами и развивающимися странами. По данному критерию последние, по сути, находятся в первой половине 20 века.

     Простое декларирование перехода от сырьевой промышленности к промышленности высоких технологий невозможно без государственной стратегической программы, подкрепленной соответствующим финансированием. Россия имеет все возможности (сырьевые, интеллектуальные, технологические) быть в авангарде по многим направлениям науки и технологии. Одним из элементов обеспечивающих реализацию данных планов является внимание, как к развитию технологий на основе уникальных свойств редкоземельных металлов, так и поддержка горнодобывающей и перерабатывающей отрасли в освоении новых месторождений РЗМ.

Алла Постолатьева – инженер-металлург, к.т.н.
Андрей Твердов – к.т.н., Руководитель направления развития горных работ IMC Montan
Алексей Жура – к.э.н., Руководитель экономической оценки горных предприятий IMC Montan

Опубликовано в журнале “Золото и технологии” № 1(19)/март 2013 г.

Редкоземельные элементы: где они находятся?
 Николас ЛеПан
 23 ноября 2021 г.

Редкоземельные элементы: где они находятся?
Редкоземельные элементы — это группа металлов, которые являются критически важными ингредиентами для более зеленой экономики, и расположение запасов для добычи становится все более важным и ценным.
В этой инфографике представлены данные Геологического общества США (USGS), которые выявляют страны с крупнейшими известными запасами редкоземельных элементов (РЗЭ).
Что такое редкоземельные металлы?
РЗЭ, также называемые редкоземельными металлами или оксидами редкоземельных элементов, или лантаноидами, представляют собой набор из 17 мягких тяжелых металлов серебристо-белого цвета.
17 редкоземельных элементов: лантан (La), церий (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb). ), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Yb), лютеций (Lu), скандий (Sc) и иттрий (Y).
Скандий и иттрий не относятся к семейству лантанидов, но конечные пользователи включают их, потому что они встречаются в тех же месторождениях полезных ископаемых, что и лантаноиды, и имеют схожие химические свойства.
Термин «редкоземельный элемент» является неправильным, поскольку редкоземельные металлы на самом деле изобилуют в земной коре. Однако они редко встречаются в крупных, концентрированных месторождениях сами по себе, а скорее среди других элементов.
Редкоземельные элементы, как они работают?
Большинство редкоземельных элементов находят свое применение в качестве катализаторов и магнитов в традиционных и низкоуглеродных технологиях. Другие важные применения редкоземельных элементов — это производство специальных металлических сплавов, стекла и высокопроизводительной электроники.
Сплавы неодима (Nd) и самария (Sm) могут использоваться для создания сильных магнитов, выдерживающих высокие температуры, что делает их идеальными для широкого спектра критически важных электронных и оборонных приложений.

Источник
Самый сильный известный магнит — это сплав неодима с железом и бором. Добавление других РЗЭ, таких как диспрозий и празеодим, может изменить характеристики и свойства магнитов.
Эти магниты и элементы требуются для двигателей гибридных и электрических транспортных средств, генераторов в ветровых турбинах, жестких дисков, портативной электроники и сотовых телефонов. Эта роль в технологиях делает их добычу и переработку предметом озабоченности для многих стран.
Например, для получения одного мегаватта энергии ветра требуется 171 кг редкоземельных элементов, для одного американского истребителя F-35 требуется около 427 кг редкоземельных элементов , а для атомной подводной лодки класса «Вирджиния» требуется около 4,2 тонны.
Мировые запасы редкоземельных минералов
Китай возглавляет список по добыче рудников и запасам редкоземельных элементов с 44 миллионами тонн запасов и 140 000 тонн годовой добычи рудников.
В то время как Вьетнам и Бразилия имеют вторые и третьи места по запасам редкоземельных металлов с 22 миллионами тонн запасов и 21 миллионами тонн соответственно, их добыча на рудниках является одной из самых низких среди всех стран — всего по 1000 тонн в год каждая.

Хотя запасы США составляют 1,5 миллиона тонн, они в значительной степени зависят от импорта из Китая рафинированных редкоземельных элементов.
Обеспечение глобального предложения
В индустрии редкоземельных металлов доминирование Китая не случайно. Годы исследований и промышленной политики помогли стране занять лидирующие позиции на рынке, и теперь у страны есть возможность контролировать производство и глобальную доступность этих ценных металлов.
[font=Arial, «sans-serif»]Столь жесткий контроль над поставками этих важных металлов заставляет мир искать собственные запасы. С началом добычи полезных ископаемых в других странах доля Китая в мировом производстве упала с 92% в 2010 году до 58%

Отредактировано: Хранитель Храма — 24 ноября 2021 08:10:19