مقدمه‌ای بر فناوری صنعت عناصر خاکی کمیاب
·عناصر خاکی کمیاب ۱یک عنصر فلزی نیست، بلکه یک اصطلاح جمعی برای ۱۵ عنصر خاکی کمیاب است وایتریمواسکاندیمبنابراین، ۱۷ عنصر خاکی کمیاب و ترکیبات مختلف آنها کاربردهای متنوعی دارند، از کلریدها با خلوص ۴۶٪ گرفته تا اکسیدهای منفرد خاکی کمیاب وفلزات خاکی کمیاببا خلوص ۹۹.۹۹۹۹٪. با افزودن ترکیبات و مخلوط‌های مرتبط، محصولات خاکی کمیاب بی‌شماری به دست می‌آید. بنابراین،خاک کمیابفناوری نیز بر اساس تفاوت‌های این ۱۷ عنصر متنوع است. با این حال، با توجه به این واقعیت که عناصر خاکی کمیاب را می‌توان به سریم وایتریمبر اساس ویژگی‌های معدنی، گروه‌هایی از مواد معدنی، فرآیندهای استخراج، ذوب و جداسازی مواد معدنی خاکی کمیاب نیز نسبتاً یکپارچه هستند. با شروع از استخراج اولیه سنگ معدن، روش‌های جداسازی، فرآیندهای ذوب، روش‌های استخراج و فرآیندهای خالص‌سازی عناصر خاکی کمیاب یک به یک معرفی خواهند شد.
فرآوری مواد معدنی عناصر نادر خاکی
فرآوری مواد معدنی یک فرآیند فرآوری مکانیکی است که از تفاوت‌های خواص فیزیکی و شیمیایی بین کانی‌های مختلف تشکیل‌دهنده سنگ معدن استفاده می‌کند، از روش‌ها، فرآیندها و تجهیزات مختلف غنی‌سازی برای غنی‌سازی کانی‌های مفید در سنگ معدن، حذف ناخالصی‌های مضر و جداسازی آنها از کانی‌های باطله استفاده می‌کند.
·درخاک کمیابسنگ معدن‌های استخراج‌شده در سراسر جهان، محتوایاکسیدهای عناصر کمیابتنها چند درصد و برخی حتی کمتر است. به منظور برآورده کردن نیازهای تولید ذوب،خاک کمیابمواد معدنی قبل از ذوب، از طریق فرآوری از کانی‌های گانگ و سایر کانی‌های مفید جدا می‌شوند تا محتوای اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب افزایش یابد و کنسانتره‌های عناصر خاکی کمیابی به دست آید که بتوانند الزامات متالورژی عناصر خاکی کمیاب را برآورده کنند. فرآوری سنگ معدن عناصر خاکی کمیاب عموماً از روش شناورسازی استفاده می‌کند که اغلب با ترکیبی از جداسازی گرانشی و مغناطیسی تکمیل می‌شود تا یک جریان فرآیند فرآوری را تشکیل دهد.
خاک کمیابکانسار موجود در معدن بایونه‌بو در مغولستان داخلی، یک کانسار دولومیت آهن از نوع سنگ کربناته است که عمدتاً از کانی‌های خاکی کمیاب همراه با سنگ آهن تشکیل شده است (علاوه بر سنگ معدن سریم فلوروکربن و مونازیت، چندین کانی دیگر نیز وجود دارد).نیوبیوموخاک کمیابمواد معدنی).
سنگ معدن استخراج شده حاوی حدود 30٪ آهن و حدود 5٪ اکسیدهای عناصر کمیاب است. پس از خرد کردن سنگ معدن بزرگ در معدن، آن را با قطار به کارخانه فرآوری شرکت گروه آهن و فولاد بائوتو منتقل می‌کنند. وظیفه کارخانه فرآوری افزایش ...Fe2O3از ۳۳٪ تا بیش از ۵۵٪، ابتدا آسیاب و دانه‌بندی روی آسیاب گلوله‌ای مخروطی، و سپس انتخاب کنسانتره آهن اولیه با عیار ۶۲-۶۵٪ Fe2O3 (اکسید آهن) با استفاده از جداکننده مغناطیسی استوانه‌ای. باطله‌ها همچنان تحت شناورسازی و جداسازی مغناطیسی قرار می‌گیرند تا کنسانتره آهن ثانویه حاوی بیش از ۴۵٪ به دست آید.Fe2O3(اکسید آهن). عناصر خاکی کمیاب در فوم فلوتاسیون با عیار ۱۰ تا ۱۵ درصد غنی می‌شوند. کنسانتره را می‌توان با استفاده از میز لرزان انتخاب کرد تا کنسانتره درشت با محتوای REO 30 درصد تولید شود. پس از فرآوری مجدد توسط تجهیزات غنی‌سازی، می‌توان کنسانتره عناصر خاکی کمیاب با محتوای REO بیش از ۶۰ درصد به دست آورد.
روش تجزیه کنسانتره عناصر نادر خاکی
·عناصر خاکی کمیابعناصر موجود در کنسانتره‌ها عموماً به شکل کربنات‌ها، فلورایدها، فسفات‌ها، اکسیدها یا سیلیکات‌های نامحلول وجود دارند. عناصر خاکی کمیاب باید از طریق تغییرات شیمیایی مختلف به ترکیبات محلول در آب یا اسیدهای معدنی تبدیل شوند و سپس فرآیندهایی مانند انحلال، جداسازی، خالص‌سازی، تغلیظ یا کلسیناسیون را برای تولید ترکیبات مختلف مخلوط انجام دهند.خاک کمیابترکیباتی مانند کلریدهای مخلوط عناصر خاکی کمیاب، که می‌توانند به عنوان محصولات یا مواد اولیه برای جداسازی عناصر خاکی کمیاب منفرد استفاده شوند. این فرآیند ... نامیده می‌شود.خاک کمیابتجزیه کنسانتره، که به عنوان پیش تصفیه نیز شناخته می‌شود.
· روش‌های زیادی برای تجزیه وجود داردخاک کمیابکنسانتره‌ها، که عموماً به سه دسته تقسیم می‌شوند: روش اسیدی، روش قلیایی و تجزیه کلرزنی. تجزیه اسیدی را می‌توان بیشتر به تجزیه اسید هیدروکلریک، تجزیه اسید سولفوریک و تجزیه اسید هیدروفلوئوریک تقسیم کرد. تجزیه قلیایی را می‌توان بیشتر به روش‌های تجزیه هیدروکسید سدیم، ذوب هیدروکسید سدیم یا برشته کردن با سودا تقسیم کرد. جریان فرآیند مناسب عموماً بر اساس اصول نوع کنسانتره، ویژگی‌های عیار، طرح محصول، سهولت بازیابی و استفاده جامع از عناصر غیر نادر خاکی، مزایای بهداشت کار و حفاظت از محیط زیست و عقلانیت اقتصادی انتخاب می‌شود.
اگرچه نزدیک به ۲۰۰ کانی عنصری کمیاب و پراکنده کشف شده‌اند، اما به دلیل کمیابی‌شان، با معدنکاری صنعتی به صورت ذخایر مستقل غنی‌سازی نشده‌اند. تاکنون، فقط کانی‌های مستقل کمیابژرمانیوم, سلنیوم، وتلوریمذخایری کشف شده‌اند، اما مقیاس این ذخایر خیلی بزرگ نیست.
ذوب عناصر خاکی کمیاب
دو روش برایخاک کمیابذوب فلزات، هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی.
کل فرآیند هیدرومتالورژی عناصر خاکی کمیاب و متالورژی شیمیایی فلزات عمدتاً در محلول و حلال انجام می‌شود، مانند تجزیه کنسانتره عناصر خاکی کمیاب، جداسازی و استخراجاکسیدهای عناصر کمیاب، ترکیبات و فلزات خاکی کمیاب منفرد، که از فرآیندهای جداسازی شیمیایی مانند رسوب، تبلور، اکسیداسیون-احیا، استخراج حلال و تبادل یونی استفاده می‌کنند. رایج‌ترین روش مورد استفاده، استخراج با حلال آلی است که یک فرآیند جهانی برای جداسازی صنعتی عناصر خاکی کمیاب منفرد با خلوص بالا است. فرآیند هیدرومتالورژی پیچیده است و خلوص محصول بالا است. این روش کاربردهای گسترده‌ای در تولید محصولات نهایی دارد.
فرآیند پیرومتالورژی ساده و با بهره‌وری بالا است.عناصر خاکی کمیابپیرومتالورژی عمدتاً شامل تولیدآلیاژهای خاکی کمیاببا روش کاهش سیلیکوترمی، تولید فلزات یا آلیاژهای خاکی کمیاب با روش الکترولیز نمک مذاب، و تولیدآلیاژهای خاکی کمیاببا روش کاهش حرارتی فلز و غیره
ویژگی مشترک پیرومتالورژی، تولید در شرایط دمای بالا است.
فرآیند تولید عناصر نادر خاکی
·عناصر خاکی کمیابکربنات وکلرید عناصر کمیابدو محصول اصلی اولیه درخاک کمیابصنعت. به طور کلی، در حال حاضر دو فرآیند اصلی برای تولید این دو محصول وجود دارد. یک فرآیند، فرآیند تشویه با اسید سولفوریک غلیظ است و فرآیند دیگر، فرآیند سود سوزآور نام دارد که به اختصار فرآیند سود سوزآور نامیده می‌شود.
علاوه بر اینکه در کانی‌های مختلف خاکی کمیاب وجود دارد، بخش قابل توجهی ازعناصر خاکی کمیابدر طبیعت با آپاتیت و کانی‌های سنگ فسفات همزیستی دارند. کل ذخایر سنگ فسفات جهان تقریباً ۱۰۰ میلیارد تن است که به طور متوسطخاک کمیابمحتوای 0.5 ‰. تخمین زده می‌شود که مقدار کلخاک کمیابمرتبط با سنگ معدن فسفات در جهان 50 میلیون تن است. در پاسخ به ویژگی‌های پایینخاک کمیاببا توجه به محتوای عناصر کمیاب و وضعیت وقوع ویژه در معادن، فرآیندهای بازیابی مختلفی چه در داخل و چه در سطح بین‌المللی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند که می‌توان آنها را به روش‌های تر و حرارتی تقسیم کرد. در روش‌های تر، می‌توان آنها را بر اساس اسیدهای تجزیه مختلف به روش اسید نیتریک، روش اسید هیدروکلریک و روش اسید سولفوریک تقسیم کرد. روش‌های مختلفی برای بازیابی عناصر خاکی کمیاب از فرآیندهای شیمیایی فسفر وجود دارد که همگی ارتباط نزدیکی با روش‌های فرآوری سنگ معدن فسفات دارند. در طول فرآیند تولید حرارتی،خاک کمیابمیزان بهبودی می‌تواند به 60٪ برسد.
با استفاده مداوم از منابع سنگ فسفات و تغییر به سمت توسعه سنگ فسفات با کیفیت پایین، فرآیند مرطوب اسید سولفوریک، فرآیند اسید فسفریک به روش اصلی در صنعت شیمیایی فسفات تبدیل شده است و بازیابی ...عناصر خاکی کمیابدر فرآیند مرطوب اسید سولفوریک، اسید فسفریک به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است. در فرآیند تولید اسید سولفوریک، فرآیند کنترل غنی‌سازی عناصر خاکی کمیاب در اسید فسفریک و سپس استفاده از استخراج با حلال آلی برای استخراج عناصر خاکی کمیاب، مزایای بیشتری نسبت به روش‌های توسعه‌یافته اولیه دارد.
فرآیند استخراج عناصر نادر خاکی
حلالیت اسید سولفوریک
سریمگروه (نامحلول در نمک‌های کمپلکس سولفات) –لانتانیم, سریم، پراسئودیمیوم, نئودیمیمو پرومتیوم؛
تربیمگروه (کمی محلول در نمک‌های کمپلکس سولفات) -ساماریوم, یوروپیوم, گادولینیم, تربیم, دیسپروزیم، وهولمیم;
جداسازی استخراجی
نورخاک کمیاب(استخراج با اسیدیته ضعیف P204) –لانتانیم،سریم، پراسئودیمیوم،نئودیمیمو پرومتیوم؛
مقدمه‌ای بر فرآیند استخراج
در فرآیند جداسازیعناصر خاکی کمیاب،به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار مشابه ۱۷ عنصر، و همچنین فراوانی ناخالصی‌های همراه درعناصر خاکی کمیاب، فرآیند استخراج نسبتاً پیچیده و معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سه نوع فرآیند استخراج وجود دارد: روش گام به گام، تبادل یونی و استخراج با حلال.
روش گام به گام
روش جداسازی و خالص‌سازی با استفاده از تفاوت در حلالیت ترکیبات در حلال‌ها، روش گام به گام نامیده می‌شود. ازایتریم(ی) بهلوتیتیم(لو)، یک جدایی واحد بین همه چیزهایی که به طور طبیعی وجود دارندعناصر خاکی کمیاباز جمله رادیوم کشف شده توسط زوج کوری،
همه آنها با استفاده از این روش جدا می‌شوند. روش عملیاتی این روش نسبتاً پیچیده است و جداسازی تکی همه عناصر خاکی کمیاب بیش از ۱۰۰ سال طول می‌کشد، که با یک جداسازی و عملیات مکرر به ۲۰۰۰۰ بار می‌رسد. برای کارگران شیمیایی، کار آنها
استحکام آن نسبتاً بالا و فرآیند آن نسبتاً پیچیده است. بنابراین، با استفاده از این روش نمی‌توان یک عنصر خاکی کمیاب را در مقادیر زیاد تولید کرد.
تبادل یونی
کار تحقیقاتی روی عناصر خاکی کمیاب به دلیل ناتوانی در تولید یک نمونه واحد، با مانع مواجه شده است.عنصر خاکی کمیابدر مقادیر زیاد از طریق روش‌های گام به گام. به منظور تجزیه و تحلیلعناصر خاکی کمیابموجود در محصولات شکافت هسته‌ای و حذف عناصر خاکی کمیاب از اورانیوم و توریم، کروماتوگرافی تبادل یونی (کروماتوگرافی تبادل یونی) با موفقیت مورد مطالعه قرار گرفت که سپس برای جداسازی مورد استفاده قرار گرفتعنصر خاکی کمیابمزیت روش تبادل یونی این است که می‌توان چندین عنصر را در یک عملیات از هم جدا کرد. و همچنین می‌توان محصولات با خلوص بالا به دست آورد. با این حال، عیب آن این است که نمی‌توان آن را به طور مداوم پردازش کرد، چرخه عملیاتی طولانی و هزینه‌های بالای بازسازی و تبادل رزین دارد. بنابراین، این روش که زمانی روش اصلی برای جداسازی مقادیر زیادی از عناصر خاکی کمیاب بود، از روش جداسازی جریان اصلی کنار گذاشته شده و با روش استخراج با حلال جایگزین شده است. با این حال، با توجه به ویژگی‌های برجسته کروماتوگرافی تبادل یونی در به دست آوردن محصولات خاکی کمیاب منفرد با خلوص بالا، در حال حاضر، برای تولید محصولات تکی با خلوص فوق العاده بالا و جداسازی برخی از عناصر خاکی کمیاب سنگین، استفاده از کروماتوگرافی تبادل یونی برای جداسازی و تولید محصول خاکی کمیاب نیز ضروری است.
استخراج با حلال
روش استفاده از حلال‌های آلی برای استخراج و جداسازی ماده استخراج شده از یک محلول آبی غیر قابل امتزاج، استخراج مایع-مایع با حلال آلی نامیده می‌شود که به اختصار استخراج حلال نامیده می‌شود. این یک فرآیند انتقال جرم است که مواد را از یک فاز مایع به فاز دیگر منتقل می‌کند. روش استخراج حلال پیش از این در پتروشیمی، شیمی آلی، شیمی دارویی و شیمی تجزیه به کار گرفته شده است. با این حال، در چهل سال گذشته، به دلیل توسعه علم و فناوری انرژی اتمی و همچنین نیاز به تولید مواد فوق خالص و عناصر کمیاب، استخراج حلال در صنایعی مانند صنعت سوخت هسته‌ای و متالورژی کمیاب پیشرفت زیادی داشته است. چین به سطح بالایی از تحقیقات در نظریه استخراج، سنتز و کاربرد استخراج‌کننده‌های جدید و فرآیند استخراج برای جداسازی عناصر خاکی کمیاب دست یافته است. در مقایسه با روش‌های جداسازی مانند رسوب درجه‌بندی شده، تبلور درجه‌بندی شده و تبادل یونی، استخراج حلال دارای مجموعه‌ای از مزایا مانند اثر جداسازی خوب، ظرفیت تولید زیاد، راحتی برای تولید سریع و مداوم و کنترل خودکار آسان است. بنابراین، به تدریج به روش اصلی برای جداسازی مقادیر زیادی از ... تبدیل شده است.خاک کمیابs.
تصفیه عناصر کمیاب
مواد اولیه تولید
فلزات خاکی کمیاببه طور کلی به فلزات خاکی کمیاب مخلوط و فلزات خاکی کمیاب منفرد تقسیم می‌شوندفلزات خاکی کمیابترکیب مخلوطفلزات خاکی کمیابشبیه به ترکیب اولیه عناصر کمیاب در سنگ معدن است و یک فلز واحد، فلزی است که از هر عنصر کمیاب جدا و تصفیه شده است. کاهش آن دشوار استاکسید عناصر کمیابها (به جز اکسیدهایساماریوم،یوروپیوم,, تولیم،ایتربیم) به دلیل گرمای تشکیل بالا و پایداری بالا، با استفاده از روش‌های متالورژیکی عمومی به یک فلز واحد تبدیل می‌شوند. بنابراین، مواد اولیه رایج برای تولیدفلزات خاکی کمیابامروزه کلریدها و فلورایدهای آنها هستند.
الکترولیز نمک مذاب
تولید انبوه مخلوطفلزات خاکی کمیابدر صنعت عموماً از روش الکترولیز نمک مذاب استفاده می‌شود. دو روش الکترولیز وجود دارد: الکترولیز کلرید و الکترولیز اکسید. روش تهیه یکفلزات خاکی کمیاببسته به عنصر متفاوت است.ساماریوم،یوروپیوم،،تولیم،ایتربیمبه دلیل فشار بخار بالا برای تهیه الکترولیتی مناسب نیستند و در عوض با استفاده از روش تقطیر کاهشی تهیه می‌شوند. سایر عناصر را می‌توان با الکترولیز یا روش کاهش حرارتی فلز تهیه کرد.
الکترولیز کلرید رایج‌ترین روش برای تولید فلزات، به ویژه برای فلزات خاکی کمیاب مخلوط است. این فرآیند ساده، مقرون به صرفه و نیازمند حداقل سرمایه‌گذاری است. با این حال، بزرگترین عیب آن آزاد شدن گاز کلر است که محیط زیست را آلوده می‌کند. الکترولیز اکسید گازهای مضر آزاد نمی‌کند، اما هزینه آن کمی بیشتر است. به طور کلی، الکترولیز تک مرحله‌ای با قیمت بالاعناصر خاکی کمیابمانندنئودیمیموپراسئودیمیومبا استفاده از الکترولیز اکسید تولید می‌شوند.
روش الکترولیز کاهش خلاء فقط می‌تواند گرید صنعتی عمومی را آماده کند.فلزات خاکی کمیابآماده کردنفلزات خاکی کمیاببا ناخالصی کم و خلوص بالا، معمولاً از روش کاهش حرارتی در خلاء استفاده می‌شود. این روش می‌تواند تمام فلزات خاکی کمیاب منفرد را تولید کند، اماساماریوم،یوروپیوم،،تولیم،ایتربیمبا استفاده از این روش قابل تولید نیست. پتانسیل اکسایش-کاهشساماریوم،یوروپیوم،،تولیم،ایتربیمو کلسیم فقط تا حدی کاهش می‌دهدخاک کمیابفلوراید. به طور کلی، تهیه این فلزات بر اساس اصول فشار بخار بالای این فلزات و فشار بخار پایین ...فلز لانتانیماکسیدهای این چهارعناصر خاکی کمیاببا تکه‌هایی از آنها مخلوط شده‌اندفلز لانتانیمو به صورت بلوک‌هایی فشرده شده و در کوره خلاء احیا می‌شود.لانتانیمفعال‌تر است، در حالی کهساماریوم،یوروپیوم،،تولیم،ایتربیمبه طلا تبدیل می‌شوندلانتانیمو در اثر تراکم جمع می‌شود و جداسازی آن از سرباره را آسان می‌کند.
زمان ارسال: نوامبر-07-2023