Химики синтезировали сорбенты для извлечения редкоземельных металлов из отходов
В основе разработки — известный экстрагент ТОДГА и пористая полимерная матрица.
Один из материалов превзошел зарубежный аналог по сорбционной способности.
Учёные‑химики нескольких организаций Российской академии наук синтезировали новые сорбенты, пригодные для выборочного извлечения редкоземельных металлов из отходов промышленного производства. В процессе используется вещество под названием «экстрагент ТОДГА» (тетра‑н‑октилдигликольамид), сообщил ТАСС со ссылкой на пресс‑службу Минобрнауки России.
Исследователи 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 синтезировали ряд сорбентов импрегнированного типа с названиями от SIR 1 до SIR‑4 (Solvent Impregnating Resin). Они отличаются синтетической доступностью и простотой регенерации.
«Разработанные сорбенты на основе известного экстрагента N,N,N',N'-тетраоктилдигликольамида (ТОДГА) и пористой матрицы — сополимера стирола и дивинилбензола марки LPS‑500 — продемонстрировали высокую эффективность селективного извлечения редкоземельных элементов из переработанного сырья», — отметили в пресс‑службе.
От сточных вод до старых магнитов
В мире растёт спрос на редкоземельные металлы, подчеркнули в пресс‑службе. Это связано с безальтернативным применением таких веществ во многих отраслях, например в качестве катализаторов в химической промышленности. Растущий спрос уже привёл к истощению источников традиционного сырья и, как следствие, к росту цен. Это стимулировало поиск новых методов получения редкоземельных элементов из источников, которые ранее не рассматривались как перспективные, — как природного происхождения (сточные воды горных предприятий, дренажные растворы шахт), так и техногенного (от технологических растворов производств фосфорных удобрений до процессов выщелачивания промышленно значимых металлов и рекуперации постоянных магнитов).
Среди вторичных источников редкоземельных элементов особый интерес представляют отработавшие постоянные магниты. Их переработка считается важным аспектом экологической стратегии утилизации вышедших из строя электронных устройств — жёстких дисков, акустических систем, вибромоторов мобильных телефонов, количество которых растёт с каждым годом. Одним из лучших видов сырья считается сплав «неодим‑железо‑бор» (NdFeB), который содержится в постоянных магнитах. Процесс извлечения редкоземельных элементов из магнитов, содержащих NdFeB, начинается со стадии растворения магнитного лома в неорганических кислотах, включая азотную и серную.
Разделение с последующим выделением
Сорбенты были синтезированы легкодоступным методом импрегнации — пропиткой пористого носителя матрицы раствором экстрагента ТОДГА с последующим удалением растворителя и фиксацией экстрагента на пористой поверхности носителей за счёт нековалентных взаимодействий. Концентрация экстрагента ТОДГА в смолах составляет 20–45 %. Такое содержание обеспечивает эффективное извлечение редкоземельных элементов.
Один из новых сорбентов под названием SIR 3 благодаря своим уникальным свойствам открывает новые возможности для такого извлечения. 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 и подтверждают свои выводы с помощью инфракрасной спектроскопии.
Используя сорбент SIR 3, учёные разработали метод экстракционно‑хроматографического разделения ионов железа и суммы редкоземельных элементов из модельных растворов переработки магнитов NdFeB с последующим индивидуальным выделением таких редкоземельных металлов, как неодим, празеодим и диспрозий.
Главное преимущество предложенной методики разделения редкоземельных элементов заключается в использовании нейтрального раствора с содержанием нитрата аммония, легко получаемого предварительной нейтрализацией исходного азотнокислого раствора водным раствором аммиака. Это помогает избежать соосаждения редкоземельных и других металлов, присутствующих в растворах. Кроме того, метод обеспечивает высокую скорость процесса массопереноса, что позволяет целевому компоненту — иону редкоземельного элемента — быстро перемещаться из одной фазы в другую.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Результаты исследования опубликованы в журнале Russian Journal of Inorganic Chemistry.