مقدمه ای بر فناوری صنعت خاک کمیاب
·زمین کمیاب iیک عنصر فلزی نیست، بلکه یک اصطلاح جمعی برای 15 عنصر خاکی کمیاب وایتریمواسکاندیم.بنابراین، 17 عنصر خاکی کمیاب و ترکیبات مختلف آنها کاربردهای مختلفی دارند، از کلریدهای با خلوص 46 درصد تا تک اکسیدهای خاکی کمیاب وفلزات خاکی کمیاببا خلوص 99.9999٪.با افزودن ترکیبات و مخلوط های مرتبط، محصولات خاکی کمیاب بی شماری وجود دارد.بنابراین،زمین کمیابفناوری نیز بر اساس تفاوت این 17 عنصر متنوع است.اما با توجه به اینکه عناصر خاکی کمیاب را می توان به سریم وایتریمگروه‌های بر اساس ویژگی‌های معدنی، فرآیندهای استخراج، ذوب و جداسازی مواد معدنی کمیاب نیز نسبتاً یکپارچه هستند.با شروع استخراج اولیه سنگ معدن، روش‌های جداسازی، فرآیندهای ذوب، روش‌های استخراج و فرآیندهای تصفیه خاکهای کمیاب یکی یکی معرفی خواهند شد.
فرآوری مواد معدنی خاکهای کمیاب
فرآوری مواد معدنی یک فرآیند فرآوری مکانیکی است که از تفاوت‌های خواص فیزیکی و شیمیایی بین مواد معدنی مختلف تشکیل‌دهنده سنگ معدن استفاده می‌کند، از روش‌ها، فرآیندها و تجهیزات مختلف برای غنی‌سازی مواد معدنی مفید در سنگ معدن، حذف ناخالصی‌های مضر و جداسازی آنها استفاده می‌کند. از مواد معدنی گنگ
·درزمین کمیابسنگ معدن استخراج شده در سراسر جهان، محتوایاکسیدهای خاکی کمیابتنها چند درصد و برخی حتی کمتر است.به منظور برآوردن نیازهای تولید ذوب،زمین کمیابمواد معدنی قبل از ذوب از مواد معدنی گنگ و سایر مواد معدنی مفید جدا می شوند تا محتوای اکسیدهای خاکی کمیاب افزایش یابد و کنسانتره خاکی کمیاب که بتواند نیازهای متالورژی خاکی کمیاب را برآورده کند، بدست آورد.بهره‌برداری از سنگ‌های خاکی کمیاب معمولاً از روش فلوتاسیون استفاده می‌کند که اغلب با ترکیب‌های متعدد گرانش و جداسازی مغناطیسی تکمیل می‌شود تا جریان فرآیند بهره‌برداری را تشکیل دهد.
اینزمین کمیابکانسار در معدن Baiyunebo در مغولستان داخلی یک کانسار از نوع سنگ کربناته از دولومیت آهن است که عمدتاً از مواد معدنی خاکی کمیاب در سنگ آهن تشکیل شده است (علاوه بر سنگ سریم فلوئوروکربن و مونازیت، چندین معدن نیز وجود دارد.نیوبیموزمین کمیابمواد معدنی).
سنگ معدن استخراج شده حاوی حدود 30 درصد آهن و حدود 5 درصد اکسیدهای خاکی کمیاب است که پس از خرد کردن سنگ معدن بزرگ در معدن، با قطار به کارخانه بهره‌برداری شرکت گروه آهن و فولاد بائوتو منتقل می‌شود.وظیفه کارخانه بهره برداری افزایش استFe2O3از 33 درصد تا بیش از 55 درصد، ابتدا آسیاب و دانه بندی روی آسیاب گلوله ای شکل، و سپس انتخاب کنسانتره آهن اولیه 62 تا 65 درصد Fe2O3.اکسید آهن) با استفاده از جداکننده مغناطیسی استوانه ای.باطله ها همچنان تحت شناورسازی و جداسازی مغناطیسی قرار می گیرند تا کنسانتره آهن ثانویه حاوی بیش از 45٪ بدست آید.Fe2O3(اکسید آهن).خاک کمیاب در فوم فلوتاسیون با عیار 10-15 درصد غنی شده است.کنسانتره را می توان با استفاده از میز تکان دهنده برای تولید کنسانتره درشت با محتوای REO 30 درصد انتخاب کرد.پس از پردازش مجدد توسط تجهیزات بهره‌وری، می‌توان یک کنسانتره خاکی کمیاب با محتوای REO بیش از 60 درصد بدست آورد.
روش تجزیه کنسانتره خاکی کمیاب
·زمین کمیابعناصر موجود در کنسانتره عموماً به شکل کربناتهای نامحلول، فلوریدها، فسفاتها، اکسیدها یا سیلیکاتها وجود دارند.عناصر خاکی کمیاب باید از طریق تغییرات شیمیایی مختلف به ترکیبات محلول در آب یا اسیدهای معدنی تبدیل شوند و سپس تحت فرآیندهایی مانند انحلال، جداسازی، خالص سازی، تغلیظ یا تکلیس قرار گیرند تا ترکیبات مختلف تولید شود.زمین کمیابترکیباتی مانند کلریدهای خاکی کمیاب مخلوط که می توانند به عنوان محصولات یا مواد خام برای جداسازی عناصر منفرد خاکی کمیاب استفاده شوند.این فرآیند نامیده می شودزمین کمیابتجزیه کنسانتره که به عنوان پیش تصفیه نیز شناخته می شود.
· روش های زیادی برای تجزیه وجود داردزمین کمیابکنسانتره ها که به طور کلی می توان آنها را به سه دسته تقسیم کرد: روش اسیدی، روش قلیایی و تجزیه کلر.تجزیه اسید را می توان به تجزیه اسید هیدروکلریک، تجزیه اسید سولفوریک و تجزیه اسید هیدروفلوریک تقسیم کرد.تجزیه قلیایی را می توان به روش های تجزیه هیدروکسید سدیم، ذوب هیدروکسید سدیم یا برشته کردن سودا تقسیم کرد.جریان فرآیند مناسب به طور کلی بر اساس اصول نوع کنسانتره، ویژگی‌های درجه، طرح محصول، راحتی برای بازیابی و استفاده جامع از عناصر غیر کمیاب، سود برای بهداشت کار و حفاظت از محیط زیست و عقلانیت اقتصادی انتخاب می‌شود.
· اگرچه نزدیک به 200 ماده معدنی عناصر کمیاب و پراکنده کشف شده است، اما به دلیل نادر بودن آنها به ذخایر مستقل با معادن صنعتی غنی نشده اند.تا کنون، تنها نادر مستقل استژرمانیوم, سلنیوم، وتلوریمذخایر کشف شده است، اما مقیاس ذخایر چندان بزرگ نیست.
ذوب خاکهای کمیاب
· دو روش برای وجود داردزمین کمیابذوب، هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی.
کل فرآیند هیدرومتالورژی خاکی کمیاب و متالورژی شیمیایی فلزات عمدتاً در محلول و حلال است، مانند تجزیه کنسانتره خاکی کمیاب، جداسازی و استخراجاکسیدهای خاکی کمیاب، ترکیبات و فلزات خاکی کمیاب که از فرآیندهای جداسازی شیمیایی مانند رسوب، تبلور، اکسیداسیون- احیا، استخراج با حلال و تبادل یونی استفاده می کنند.متداول ترین روش مورد استفاده استخراج با حلال آلی است که یک فرآیند جهانی برای جداسازی صنعتی عناصر تک خاکی کمیاب با خلوص بالا است.فرآیند هیدرومتالورژی پیچیده است و خلوص محصول بالا است.این روش کاربردهای گسترده ای در تولید محصولات نهایی دارد.
فرآیند پیرومتالورژی ساده است و بهره وری بالایی دارد.زمین کمیابپیرومتالورژی عمدتاً شامل تولیدآلیاژهای خاکی کمیاببا روش احیای سیلیکوترمی، تولید فلزات یا آلیاژهای خاکی کمیاب به روش الکترولیز نمک مذاب و تولیدآلیاژهای خاکی کمیاببا روش احیای حرارتی فلز و غیره
ویژگی مشترک پیرومتالورژی تولید در شرایط دمای بالا است.
فرآیند تولید خاک کمیاب
·زمین کمیابکربنات وکلرید خاکی کمیابدو محصول اصلی اصلی درزمین کمیابصنعت.به طور کلی در حال حاضر دو فرآیند اصلی برای تولید این دو محصول وجود دارد.یکی از فرآیندها فرآیند برشته کردن اسید سولفوریک غلیظ است و فرآیند دیگر فرآیند سود سوزآور نامیده می شود که به اختصار فرآیند سود سوزآور نامیده می شود.
·علاوه بر وجود کانی های مختلف خاکی کمیاب، بخش قابل توجهی ازعناصر خاکی کمیابدر طبیعت با کانی های سنگ آپاتیت و فسفات وجود دارد.کل ذخایر سنگ فسفات جهان تقریباً 100 میلیارد تن با میانگین استزمین کمیابمحتوای 0.5 ‰.تخمین زده می شود که مقدار کلزمین کمیابمرتبط با سنگ معدن فسفات در جهان 50 میلیون تن است.در پاسخ به ویژگی های کمزمین کمیابمحتوا و وضعیت وقوع خاص در معادن، فرآیندهای بازیابی مختلفی هم در داخل و هم در سطح بین‌المللی مورد بررسی قرار گرفته است که می‌توان آنها را به روش‌های مرطوب و حرارتی تقسیم کرد.در روش های مرطوب می توان آنها را با توجه به اسیدهای تجزیه مختلف به روش اسید نیتریک، روش اسید کلریدریک و روش اسید سولفوریک تقسیم کرد.روش های مختلفی برای بازیابی خاک های کمیاب از فرآیندهای شیمیایی فسفر وجود دارد که همگی با روش های فرآوری سنگ فسفات مرتبط هستند.در طول فرآیند تولید حرارتی،زمین کمیابنرخ بازیابی می تواند به 60٪ برسد.
با استفاده مستمر از منابع سنگ فسفات و تغییر جهت به سمت توسعه سنگ فسفات با کیفیت پایین، فرآیند تر اسید سولفوریک اسید فسفریک به روش اصلی در صنایع شیمیایی فسفات تبدیل شده است.عناصر خاکی کمیابدر فرآیند مرطوب اسید سولفوریک اسید فسفریک به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است.در فرآیند تولید اسید فسفریک اسید سولفوریک فرآیند مرطوب، فرآیند کنترل غنی‌سازی خاکهای کمیاب در اسید فسفریک و سپس استفاده از استخراج با حلال آلی برای استخراج خاکهای کمیاب دارای مزایای بیشتری نسبت به روش‌های توسعه‌یافته اولیه است.
فرآیند استخراج خاک کمیاب
حلالیت اسید سولفوریک
سریمگروه (نامحلول در نمک های کمپلکس سولفات) –لانتانیم, سریم، پرازئودیمیم, نئودیمیمو پرومتیم؛
تربیومگروه (کمی محلول در نمک های کمپلکس سولفات) -ساماریوم, یوروپیوم, گادولینیم, تربیوم, دیسپروزیم، وهولمیوم;
جداسازی استخراج
سبکزمین کمیاب( استخراج اسیدیته ضعیف P204) –لانتانیم،سریم، پرازئودیمیم،نئودیمیمو پرومتیم؛
سنگینزمین کمیابعناصر(استخراج اسیدی در P204) -هولمیوم،
مقدمه ای بر فرآیند استخراج
در مرحله جدا شدنعناصر خاکی کمیاب،به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار مشابه 17 عنصر و همچنین فراوانی ناخالصی های همراه درعناصر خاکی کمیاب، فرآیند استخراج نسبتاً پیچیده است و معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد.
سه نوع فرآیند استخراج وجود دارد: روش گام به گام، تبادل یونی و استخراج با حلال.
روش گام به گام
روش جداسازی و خالص سازی با استفاده از اختلاف حلالیت ترکیبات در حلال ها را روش گام به گام می نامند.از جانبایتریم(Y) بهلوتتیوم(Lu)، جدایی واحد بین همه چیزهای طبیعیعناصر خاکی کمیاباز جمله رادیوم کشف شده توسط زوج کوری،
همه آنها با استفاده از این روش جدا می شوند.روش عملیاتی این روش نسبتاً پیچیده است و جداسازی واحد همه عناصر کمیاب خاکی بیش از 100 سال طول کشید، با یک جداسازی و تکرار عملیات به 20000 بار.برای کارگران شیمیایی، کار آنها
استحکام نسبتاً زیاد است و فرآیند نسبتاً پیچیده است.بنابراین با استفاده از این روش نمی توان یک زمین کمیاب را در مقادیر زیاد تولید کرد.
تبادل یونی
کار تحقیقاتی روی عناصر کمیاب خاکی به دلیل ناتوانی در تولید یک قطعه مانع شده استعنصر خاکی کمیابدر مقادیر زیاد از طریق روش های گام به گام.به منظور تجزیه و تحلیلعناصر خاکی کمیابموجود در محصولات شکافت هسته ای 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 گرفت.عنصر خاکی کمیابسمزیت روش تبادل یونی این است که چندین عنصر را می توان در یک عملیات جدا کرد.و همچنین می تواند محصولات با خلوص بالا را بدست آورد.با این حال، نقطه ضعف آن این است که نمی توان آن را به طور مداوم پردازش کرد، با چرخه عملیات طولانی و هزینه های بالا برای بازسازی و تعویض رزین.بنابراین، زمانی این روش اصلی برای جداسازی مقادیر زیادی خاکی کمیاب از روش جداسازی جریان اصلی کنار گذاشته شده و با روش استخراج با حلال جایگزین شده است.اما با توجه به ویژگی های برجسته کروماتوگرافی تبادل یونی در دستیابی به محصولات تک خاکی کمیاب با خلوص بالا، در حال حاضر به منظور تولید تک محصولات با خلوص فوق العاده بالا و جداسازی برخی عناصر خاکی کمیاب سنگین، استفاده از کروماتوگرافی تبادل یونی نیز ضروری است. برای جداسازی و تولید یک محصول خاکی کمیاب.
استخراج با حلال
روش استفاده از حلال های آلی برای استخراج و جداسازی ماده استخراج شده از محلول آبی غیر قابل امتزاج، استخراج مایع-مایع با حلال آلی نامیده می شود که به اختصار استخراج با حلال خوانده می شود.این یک فرآیند انتقال جرم است که مواد را از یک فاز مایع به فاز دیگر منتقل می کند.روش استخراج با حلال قبلاً در پتروشیمی، شیمی آلی، شیمی دارویی و شیمی تجزیه به کار گرفته شده است.اما در چهل سال گذشته با توجه به پیشرفت علم و فناوری انرژی اتمی و همچنین نیاز به تولید مواد فوق خالص و عناصر کمیاب، استخراج با حلال پیشرفت زیادی در صنایعی مانند صنعت سوخت هسته ای و متالورژی کمیاب داشته است. .چین به سطح بالایی از تحقیقات در تئوری استخراج، سنتز و کاربرد استخراج‌کننده‌های جدید، و فرآیند استخراج برای جداسازی عناصر خاکی کمیاب دست یافته است.در مقایسه با روش های جداسازی مانند بارش درجه بندی شده، تبلور درجه بندی شده و تبادل یونی، استخراج با حلال دارای یک سری مزایای مانند اثر جداسازی خوب، ظرفیت تولید زیاد، راحتی برای تولید سریع و مداوم و دسترسی آسان به کنترل خودکار است.بنابراین به تدریج به روش اصلی جداسازی مقادیر زیاد تبدیل شده استزمین کمیابs.
تصفیه زمین کمیاب
مواد اولیه تولید
فلزات خاکی کمیاببه طور کلی به فلزات خاکی کمیاب مخلوط و تک تقسیم می شوندفلزات خاکی کمیاب.ترکیب مخلوطفلزات خاکی کمیابشبیه ترکیب اولیه خاکی کمیاب در سنگ معدن است و یک فلز منفرد فلزی است که از هر خاک کمیاب جدا و تصفیه شده است.کاهش آن دشوار استاکسید خاکی کمیابs (به جز اکسیدهایساماریوم،یوروپیوم,, تولیوم،ایتربیوم) با استفاده از روش های متالورژی عمومی به دلیل گرمای تشکیل و پایداری بالا به یک فلز تبدیل می شوند.بنابراین، مواد اولیه رایج برای تولیدفلزات خاکی کمیابامروزه کلریدها و فلوراید آنها هستند.
الکترولیز نمک مذاب
تولید انبوه مخلوطفلزات خاکی کمیابدر صنعت به طور کلی از روش الکترولیز نمک مذاب استفاده می شود.دو روش الکترولیز وجود دارد: الکترولیز کلرید و الکترولیز اکسید.روش تهیه تکفلزات خاکی کمیاببسته به عنصر متفاوت است.ساماریوم،یوروپیوم،،تولیوم،ایتربیومبه دلیل فشار بخار بالا برای آماده سازی الکترولیتی مناسب نیستند و در عوض با روش تقطیر احیا تهیه می شوند.سایر عناصر را می توان با روش الکترولیز یا احیای حرارتی فلز تهیه کرد.
الکترولیز کلرید رایج ترین روش برای تولید فلزات به ویژه برای فلزات خاکی کمیاب مخلوط است.این فرآیند ساده، مقرون به صرفه است و نیاز به حداقل سرمایه گذاری دارد.با این حال، بزرگترین ایراد انتشار گاز کلر است که باعث آلودگی محیط زیست می شود.الکترولیز اکسید گازهای مضر آزاد نمی کند، اما هزینه آن کمی بالاتر است.به طور کلی، قیمت بالا تکخاک های کمیابمانندنئودیمیموپرازئودیمیمبا استفاده از الکترولیز اکسید تولید می شوند.
روش الکترولیز کاهش خلاء فقط می تواند درجه صنعتی عمومی را تهیه کندفلزات خاکی کمیاب.برای تهیهفلزات خاکی کمیاببا ناخالصی کم و خلوص بالا، روش کاهش حرارتی خلاء به طور کلی استفاده می شود.این روش می تواند تمام فلزات خاکی کمیاب را تولید کند، اماساماریوم،یوروپیوم،،تولیوم،ایتربیومبا این روش نمی توان تولید کرد.پتانسیل ردوکس ازساماریوم،یوروپیوم،،تولیوم،ایتربیومو کلسیم را فقط تا حدی کاهش می دهدزمین کمیابفلورایدبه طور کلی، تهیه این فلزات بر اساس اصول فشار بخار زیاد این فلزات و فشار بخار کم این فلزات است.فلز لانتانیمساکسیدهای این چهارخاک های کمیاببا قطعاتی از مخلوط می شوندفلز لانتانیمs و به صورت بلوک فشرده شده و در یک کوره خلاء کاهش می یابد.لانتانیمفعال تر است، در حالی کهساماریوم،یوروپیوم،،تولیوم،ایتربیومبه طلا تبدیل می شوندلانتانیمو در تراکم جمع آوری می شود و جداسازی آن از سرباره را آسان می کند.
زمان ارسال: نوامبر-07-2023