מבוא לטכנולוגיית תעשיית אדמה נדירה
·אדמה נדירה iזה לא יסוד מתכתי, אלא מונח קיבוצי ל-15 יסודות אדמה נדירים ואיטריוםוסקנדיוםלכן, ל-17 יסודות אדמה נדירה ולתרכובות השונות שלהם יש שימושים מגוונים, החל מכלורידים בעלי טוהר של 46% ועד תחמוצות אדמה נדירה בודדות.מתכות אדמה נדירותעם טוהר של 99.9999%. עם הוספת תרכובות ותערובות קשורות, ישנם אינספור מוצרים של אדמה נדירה. אז,אדמה נדירההטכנולוגיה מגוונת גם בהתבסס על ההבדלים בין 17 היסודות הללו. עם זאת, בשל העובדה שניתן לחלק יסודות אדמה נדירים לצריום ואיטריוםקבוצות המבוססות על מאפייני מינרלים, תהליכי הכרייה, ההתכה וההפרדה של מינרלי אדמה נדירה גם הם מאוחדים יחסית. החל מכריית העפרות הראשונית, יוצגו שיטות ההפרדה, תהליכי ההתכה, שיטות המיצוי ותהליכי הטיהור של אדמה נדירה בזה אחר זה.
עיבוד מינרלים של אדמות נדירות
עיבוד מינרלים הוא תהליך עיבוד מכני המנצל את ההבדלים בתכונות הפיזיקליות והכימיות בין מינרלים שונים המרכיבים את העפרה, תוך שימוש בשיטות, תהליכים וציוד שונים להעשרת מינרלים שימושיים בעפרה, הסרת זיהומים מזיקים והפרדתם ממינרלי גנגה.
·ב-אדמה נדירהעפרות הנכרות ברחבי העולם, התוכן שלתחמוצות אדמה נדירותהוא רק כמה אחוזים, וחלקם אף נמוך יותר. על מנת לעמוד בדרישות הייצור של התכת,אדמה נדירהמינרלים מופרדים ממינרלי גנג ומינרלים שימושיים אחרים באמצעות הטבה לפני ההתכה, על מנת להגדיל את תכולת תחמוצות אדמה נדירה ולקבל תרכיזי אדמה נדירה שיכולים לעמוד בדרישות המטלורגיה של אדמה נדירה. הטבה של עפרות אדמה נדירה בדרך כלל מאמצת שיטת ציפה, שלעתים קרובות משלימה שילובים מרובים של הפרדה כבידה ומגנטית ליצירת זרימת תהליך הטבה.
האדמה נדירההמרבץ במכרה באיונבו במונגוליה הפנימית הוא מרבץ מסוג סלע קרבונט של דולומיט ברזל, המורכב בעיקר ממינרלי אדמה נדירים נלווים בעפרת ברזל (בנוסף לעפרת צריום פלואורו-פחמנית ומונאזיט, ישנם גם מספרניוביוםואדמה נדירהמינרלים).
העפרה המופקת מכילה כ-30% ברזל וכ-5% תחמוצות אדמה נדירות. לאחר ריסוק העפרה הגדולה במכרה, היא מועברת ברכבת למפעל ההשבחה של חברת קבוצת הברזל והפלדה באוטו. משימת מפעל ההשבחה היא להגדילFe2O3מ-33% ליותר מ-55%, תחילה טחינה ודירוג בטחנת כדורים חרוטית, ולאחר מכן בחירת תרכיז ברזל ראשוני של 62-65% Fe2O3 (תחמוצת ברזל) באמצעות מפריד מגנטי גלילי. הפסולת ממשיכה לעבור ציפה והפרדה מגנטית כדי לקבל תרכיז ברזל משני המכיל יותר מ-45%Fe2O3(תחמוצת ברזל). אדמה נדירה מועשרת בקצף ציפה, בדרגה של 10-15%. ניתן לבחור את התרכיז באמצעות שולחן ניעור כדי לייצר תרכיז גס עם תכולת REO של 30%. לאחר עיבוד חוזר על ידי ציוד הטבה, ניתן להשיג תרכיז אדמה נדירה עם תכולת REO של מעל 60%.
שיטת פירוק של תרכיז אדמה נדירה
·אדמה נדירהיסודות בתרכיזים קיימים בדרך כלל בצורה של קרבונטים, פלואורידים, פוספטים, תחמוצות או סיליקטים בלתי מסיסים. יסודות אדמה נדירים חייבים לעבור הפיכה לתרכובות מסיסות במים או חומצות אנאורגניות באמצעות שינויים כימיים שונים, ולאחר מכן לעבור תהליכים כגון המסה, הפרדה, טיהור, ריכוז או קלצינציה כדי לייצר תרכובות מעורבות שונות.אדמה נדירהתרכובות כגון כלורידים מעורבים של יסודות נדירים, אשר יכולים להשתמש בהם כמוצרים או חומרי גלם להפרדת יסודות נדירים בודדים. תהליך זה נקראאדמה נדירהפירוק תרכיז, המכונה גם טיפול מקדים.
· ישנן שיטות רבות לפירוקאדמה נדירהתרכיזים, אשר ניתן לחלק באופן כללי לשלוש קטגוריות: שיטת חומצה, שיטת אלקלית ופירוק כלור. פירוק חומצה ניתן לחלק עוד לפירוק חומצה הידרוכלורית, פירוק חומצה גופרתית ופירוק חומצה הידרופלואורית. פירוק אלקלי ניתן לחלק עוד לפירוק נתרן הידרוקסידי, התכת נתרן הידרוקסידי או שיטות קלייה של סודה. זרימת התהליך המתאימה נבחרת בדרך כלל על סמך עקרונות סוג התרכיז, מאפייני הכיתה, תוכנית המוצר, נוחות ההשבה והניצול המקיף של יסודות אדמה שאינם נדירים, יתרונות להיגיינת עבודה והגנת הסביבה, ורציונליות כלכלית.
למרות שכמעט 200 מינרלים נדירים ומפוזרים התגלו, הם לא הועשרו למרבצים עצמאיים באמצעות כרייה תעשייתית עקב נדירותם. עד כה, רק מינרלים נדירים ועצמאיים...גרמניום, סֵלֶנִיוּם, וטלוריוםהתגלו מרבצים, אך היקף המרבצים אינו גדול במיוחד.
התכת אדמה נדירה
· ישנן שתי שיטות עבוראדמה נדירההתכה, הידרומטלורגיה ופירומטלורגיה.
כל התהליך של הידרומטלורגיה של אדמה נדירה ומטלורגיה כימית של מתכות מתבצע בעיקר בתמיסה ובממס, כגון פירוק תרכיז אדמה נדירה, הפרדה ומיצויתחמוצות אדמה נדירות, תרכובות, ומתכות אדמה נדירות בודדות, המשתמשות בתהליכי הפרדה כימיים כגון משקעים, התגבשות, חמצון-חיזור, מיצוי ממסים וחילוף יונים. השיטה הנפוצה ביותר היא מיצוי ממסים אורגניים, שהוא תהליך אוניברסלי להפרדה תעשייתית של יסודות אדמה נדירים בודדים בעלי טוהר גבוה. תהליך ההידרומטלורגיה הוא מורכב וטוהר המוצר גבוה. לשיטה זו מגוון רחב של יישומים בייצור מוצרים מוגמרים.
התהליך הפירומטלורגי הוא פשוט ובעל פרודוקטיביות גבוהה.אדמה נדירהפירומטלורגיה כוללת בעיקר ייצור שלסגסוגות אדמה נדירותבשיטת חיזור סיליקותרמית, ייצור מתכות אדמה נדירות או סגסוגות בשיטת אלקטרוליזה של מלח מותך, וייצור שלסגסוגות אדמה נדירותבשיטת חיזור תרמי של מתכת וכו'.
המאפיין המשותף של פירומטלורגיה הוא ייצור בתנאי טמפרטורה גבוהים.
תהליך ייצור אדמה נדירה
·אדמה נדירהקרבונט וכלוריד אדמה נדירההם שני המוצרים העיקריים העיקריים ב-אדמה נדירהתעשייה. באופן כללי, ישנם כיום שני תהליכים עיקריים לייצור שני מוצרים אלה. תהליך אחד הוא תהליך קלייה בחומצה גופרתית מרוכזת, והתהליך השני נקרא תהליך סודה קאוסטית, בקיצור תהליך סודה קאוסטית.
בנוסף להימצאותו במינרלי אדמה נדירים שונים, חלק משמעותי שליסודות אדמה נדיריםבטבע מתקיימים יחד עם מינרלים של סלע אפטיט וסלע פוספט. סך עתודות עפרת הפוספט העולמיות הן כ-100 מיליארד טון, עם ממוצע שלאדמה נדירהתכולה של 0.5 ‰. ההערכה היא שהכמות הכוללת שלאדמה נדירההקשור לעפרות פוספט בעולם הוא 50 מיליון טון. בתגובה למאפיינים של רמות נמוכותאדמה נדירהבהתאם לתכולה ולמצב הופעות מיוחד במכרות, נחקרו תהליכי הפקה שונים הן בארץ והן בעולם, אשר ניתן לחלק לשיטות רטובות ותרמיות. בשיטות הרטובות, ניתן לחלק אותן לשיטת חומצה חנקתית, שיטת חומצה הידרוכלורית ושיטת חומצה גופרתית בהתאם לחומצות הפירוק השונות. ישנן דרכים שונות להפקת אדמות נדירות מזרחן בתהליכים כימיים, שכולן קשורות קשר הדוק לשיטות העיבוד של עפרת פוספט. במהלך תהליך הייצור התרמי, ה...אדמה נדירהשיעור ההחלמה יכול להגיע ל-60%.
עם הניצול המתמשך של משאבי סלע פוספט והמעבר לפיתוח סלע פוספט באיכות נמוכה, תהליך חומצה גופרתית רטוב הפך לשיטה המרכזית בתעשיית הכימיקלים של הפוספט, והתאוששותויסודות אדמה נדיריםבתהליך רטוב של חומצה גופרתית, חומצה זרחתית הפכה למוקד מחקר. בתהליך הייצור של חומצה גופרתית בתהליך רטוב, לתהליך של שליטה בהעשרת אדמות נדירות בחומצה זרחתית ולאחר מכן שימוש בממס אורגני לחילוץ אדמות נדירות יש יתרונות רבים יותר בהשוואה לשיטות שפותחו מוקדם יותר.
תהליך מיצוי אדמה נדירה
מסיסות חומצה גופרתית
צריוםקבוצה (לא מסיסה במלחי קומפלקס סולפט) –לנתן, צריום, פרסאודימיום, ניאודימיום, ופרומתיום;
טרביוםקבוצה (מסיסה במקצת במלחי קומפלקס סולפט) -סמריום, אירופיום, גדוליניום, טרביום, דיספרוזיום, והולמיום;
הפרדת מיצוי
אוֹראדמה נדירה(מיצוי חומציות חלשה P204) –לנתן,צריום, פרסאודימיום,ניאודימיום, ופרומתיום;
אדמה נדירה בינונית (מיצוי P204 בעל חומציות נמוכה) -סמריום,אירופיום,גדוליניום,טרביום,דיספרוזיום;
כָּבֵדאדמה נדירהאלמנטים(מיצוי חומציות ב-P204) -הולמיום,
מבוא לתהליך החילוץ
בתהליך של הפרדהיסודות אדמה נדירים,בשל התכונות הפיזיקליות והכימיות הדומות ביותר של 17 יסודות, כמו גם שפע הזיהומים הנלווים ביסודות אדמה נדירים, תהליך החילוץ מורכב יחסית ונמצא בשימוש נפוץ.
ישנם שלושה סוגים של תהליכי מיצוי: שיטה שלב אחר שלב, חילוף יונים ומיצוי באמצעות ממס.
שיטה שלב אחר שלב
שיטת ההפרדה והטיהור המשתמשת בהבדל במסיסות של תרכובות בממסים נקראת שיטת שלב אחר שלב.איטריום(Y) עדלוטציום(לו), הפרדה יחידה בין כל מה שמתרחש באופן טבעייסודות אדמה נדירים, כולל רדיום שהתגלה על ידי הזוג קירי,
כולם מופרדים בשיטה זו. הליך הפעולה של שיטה זו מורכב יחסית, וההפרדה היחידה של כל יסודות אדמה נדירים ארכה למעלה מ-100 שנים, כאשר הפרדה אחת ופעולה חוזרת הגיעו ל-20,000 פעמים. עבור עובדי כימיה, עבודתם
החוזק גבוה יחסית והתהליך מורכב יחסית. לכן, בשיטה זו לא ניתן לייצר אדמה נדירה אחת בכמויות גדולות.
חילוף יונים
עבודת המחקר על יסודות אדמה נדירים הוגבלה עקב חוסר היכולת לייצר יחידיסוד אדמה נדירבכמויות גדולות באמצעות שיטות שלב אחר שלב. על מנת לנתח אתיסודות אדמה נדיריםהכלולים בתוצרי ביקוע גרעיני ומסירים את יסודות האדמה הנדירים מאורניום ותוריום, נחקרה בהצלחה כרומטוגרפיית חילוף יונים (כרומטוגרפיית חילוף יונים), אשר שימשה לאחר מכן להפרדתיסוד אדמה נדיריתרונה של שיטת חילוף היונים הוא שניתן להפריד מספר יסודות בפעולה אחת. בנוסף, ניתן להשיג מוצרים בעלי טוהר גבוה. עם זאת, החיסרון הוא שלא ניתן לעבד אותה ברציפות, עם מחזור פעולה ארוך ועלויות גבוהות עבור התחדשות והחלפת שרף. לכן, שיטת ההפרדה העיקרית הזו, שבעבר הייתה להפרדת כמויות גדולות של יסודות נדירים, הוצאה משיטת ההפרדה הרגילה והוחלפה בשיטת מיצוי באמצעות ממס. עם זאת, בשל המאפיינים הבולטים של כרומטוגרפיית חילוף יונים בהשגת מוצרים של יסודות נדירים בודדים בעלי טוהר גבוה, כיום, על מנת לייצר מוצרים בודדים בעלי טוהר גבוה במיוחד ולהפריד כמה יסודות נדירים כבדים, יש צורך גם להשתמש בכרומטוגרפיית חילוף יונים כדי להפריד ולייצר מוצר של יסודות נדירים.
מיצוי ממס
השיטה של שימוש בממסים אורגניים לחילוץ והפרדת החומר המופק מתמיסה מימית שאינה ניתנת לערבוב נקראת מיצוי נוזל-נוזל אורגני, בקיצור מיצוי ממסים. זהו תהליך העברת מסה המעביר חומרים מפאזה נוזלית אחת לאחרת. שיטת מיצוי הממס יושמה בעבר בפטרוכימיה, כימיה אורגנית, כימיה פרמצבטית וכימיה אנליטית. עם זאת, בארבעים השנים האחרונות, עקב התפתחות מדע וטכנולוגיית האנרגיה האטומית, כמו גם הצורך בייצור חומרים אולטרה-טהורים ויסודות נדירים, מיצוי ממסים עשה התקדמות רבה בתעשיות כמו תעשיית הדלק הגרעיני והמטלורגיה הנדירה. סין השיגה רמה גבוהה של מחקר בתורת המיצוי, סינתזה ויישום של חומרי מיצוי חדשים, ותהליך המיצוי להפרדת יסודות אדמה נדירים. בהשוואה לשיטות הפרדה כגון משקעים מדורג, התגבשות מדורגת וחילוף יונים, למיצוי ממסים יש שורה של יתרונות כגון אפקט הפרדה טוב, כושר ייצור גדול, נוחות לייצור מהיר ורציף, ובקרה אוטומטית קלה להשגה. לכן, הוא הפך בהדרגה לשיטה העיקרית להפרדת כמויות גדולות של...אדמה נדירהs.
טיהור אדמה נדירה
חומרי גלם לייצור
מתכות אדמה נדירותמחולקים בדרך כלל למתכות אדמה נדירות מעורבות ומתכות בודדותמתכות אדמה נדירותהרכב של תערובתמתכות אדמה נדירותדומה להרכב המקורי של אדמה נדירה בעפרה, ומתכת בודדת היא מתכת המופרדת ומזוקקת מכל אדמה נדירה. קשה להפחיתתחמוצת אדמה נדירהs (למעט תחמוצות שלסמריום,אירופיום,, תוליום,איטרביום) למתכת אחת באמצעות שיטות מטלורגיות כלליות, בשל חום היווצרותן הגבוה ויציבותן הגבוהה. לכן, חומרי הגלם הנפוצים לייצורמתכות אדמה נדירותכיום הם הכלורידים והפלואורידים שלהם.
אלקטרוליזה של מלח מותך
ייצור המוני של תערובתמתכות אדמה נדירותבתעשייה משתמשים בדרך כלל בשיטת אלקטרוליזה של מלח מותך. ישנן שתי שיטות לאלקטרוליזה: אלקטרוליזה של כלוריד ואלקטרוליזה של תחמוצת. שיטת ההכנה של יחידמתכות אדמה נדירותמשתנה בהתאם לאלמנט.סמריום,אירופיום,,תוליום,איטרביוםאינם מתאימים להכנה אלקטרוליטית עקב לחץ האדים הגבוה שלהם, ובמקום זאת מוכנים בשיטת זיקוק חיזור. ניתן להכין יסודות אחרים בשיטת אלקטרוליזה או חיזור תרמי של מתכות.
אלקטרוליזה של כלוריד היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור מתכות, במיוחד מתכות אדמה נדירות מעורבות. התהליך פשוט, חסכוני ודורש השקעה מינימלית. עם זאת, החיסרון הגדול ביותר הוא שחרור גז כלור, אשר מזהם את הסביבה. אלקטרוליזה של תחמוצת אינה משחררת גזים מזיקים, אך העלות מעט גבוהה יותר. באופן כללי, מתכות בודדות יקרות...אדמה נדירהכְּגוֹןניאודימיוםופרסאודימיוםמיוצרים באמצעות אלקטרוליזה של תחמוצת.
שיטת אלקטרוליזה להפחתת ואקום יכולה להכין רק דרגה תעשייתית כלליתמתכות אדמה נדירותלהכיןמתכות אדמה נדירותעם זיהומים נמוכים וטוהר גבוה, בדרך כלל משתמשים בשיטת חיזור תרמי בוואקום. שיטה זו יכולה לייצר את כל מתכות אדמה נדירות בודדות, אךסמריום,אירופיום,,תוליום,איטרביוםלא ניתן לייצר באמצעות שיטה זו. פוטנציאל החיזור שלסמריום,אירופיום,,תוליום,איטרביוםוסידן מפחית רק באופן חלקיאדמה נדירהפלואוריד. באופן כללי, הכנת מתכות אלו מבוססת על עקרונות של לחץ אדים גבוה של מתכות אלו ולחץ אדים נמוך שלמתכת לנתןs. תחמוצות של ארבעת אלהאדמה נדירהמעורבבים עם שברימתכת לנתןודחס לבלוקים, ומוחזר בתנור ואקום.לנתןפעיל יותר, בעודסמריום,אירופיום,,תוליום,איטרביוםמופחתים לזהב על ידילנתןונאסף על עיבוי, מה שמקל על ההפרדה מהסיגים.
זמן פרסום: 7 בנובמבר 2023