מבוא לטכנולוגיה של תעשיית כדור הארץ נדיר
·אדמה נדירה iזה לא יסוד מתכתי, אלא מונח כולל ל-15 יסודות אדמה נדירים ואיטריוםוסקנדיום.לכן, ל-17 יסודות האדמה הנדירים ולתרכובותיהם השונות יש שימושים שונים, החל מכלורידים בטוהר של 46% ועד תחמוצות אדמה נדירות בודדות.מתכות אדמה נדירותעם טוהר של 99.9999%.עם תוספת של תרכובות ותערובות קשורות, ישנם אינספור מוצרי אדמה נדירים.כך,אדמה נדירההטכנולוגיה מגוונת גם על סמך ההבדלים בין 17 האלמנטים הללו.עם זאת, בשל העובדה כי יסודות אדמה נדירים ניתן לחלק cerium ואיטריוםגם קבוצות המבוססות על מאפייני מינרלים, תהליכי הכרייה, ההיתוך וההפרדה של מינרלים נדירים מאוחדים יחסית.החל מכריית העפרות הראשונית, יוצגו בזה אחר זה שיטות ההפרדה, תהליכי ההתכה, שיטות המיצוי ותהליכי הטיהור של אדמה נדירה.
עיבוד מינרלי של אדמה נדירה
· עיבוד מינרלי הוא תהליך עיבוד מכני המנצל את ההבדלים בתכונות הפיזיקליות והכימיות בין מינרלים שונים המרכיבים את העפרה, משתמש בשיטות, תהליכים וציוד שונים להעשרת מינרלים שימושיים בעפרה, הסרת זיהומים מזיקים והפרדתם ממינרלי גנגה.
·בתוך האדמה נדירהעפרות שנכרו ברחבי העולם, התוכן שלתחמוצות אדמה נדירותהוא אחוזים בודדים בלבד, וחלקם אף נמוך יותר.על מנת לעמוד בדרישות הייצור של התכה,אדמה נדירהמינרלים מופרדים ממינרלי גנגה ומינרלים שימושיים אחרים באמצעות הטבה לפני ההתכה, על מנת להגדיל את תכולת תחמוצות האדמה הנדירות ולהשיג תרכיזי אדמה נדירים שיכולים לעמוד בדרישות של מטלורגיית אדמה נדירה.ההטבה של עפרות אדמה נדירות נוקטת בדרך כלל בשיטת הציפה, לעתים קרובות מתווספת על ידי שילובים מרובים של כוח משיכה והפרדה מגנטית כדי ליצור זרימת תהליך הטבה.
האדמה נדירהמרבץ במכרה Baiyunebo במונגוליה הפנימית הוא מרבץ מסוג סלע קרבונט של דולומיט ברזל, המורכב בעיקר ממינרלים נדירים נלווים בעפרות ברזל (בנוסף לעפרת צריום פלואורו-פחמן ומונאזיט, יש גם כמהניוביוםואדמה נדירהמינרלים).
העפרה המופקת מכילה כ-30% ברזל וכ-5% תחמוצות אדמה נדירות. לאחר ריסוק העפרות הגדולות במכרה, היא מועברת ברכבת למפעל ההטבה של חברת Baotou Iron and Steel Group.המשימה של מפעל ההטבה היא להגדילFe2O3מ-33% ליותר מ-55%, תחילה טחינה ודירוג על טחנת כדורים חרוטים, ולאחר מכן בחירת תרכיז ברזל ראשוני של 62-65% Fe2O3 (תחמוצת ברזל) באמצעות מפריד מגנטי גלילי.הזנבות ממשיכות לעבור ציפה והפרדה מגנטית לקבלת 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 לייצור תרכיז גס עם תכולת REO של 30%.לאחר עיבוד מחדש 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 בלתי מסיסים, פלואורידים, פוספטים, תחמוצות או סיליקטים.יש להמיר יסודות אדמה נדירים לתרכובות מסיסות במים או בחומצות אנאורגניות באמצעות שינויים כימיים שונים, ולאחר מכן לעבור תהליכים כמו פירוק, הפרדה, טיהור, ריכוז או סידוד כדי לייצר מעורבות שונים.אדמה נדירהתרכובות כגון כלורידי אדמה נדירים מעורבים, שיכולים לשמש כמוצרים או חומרי גלם להפרדת יסודות אדמה נדירים בודדים.תהליך זה נקראאדמה נדירהפירוק תרכיז, המכונה גם טיפול מקדים.
·ישנן שיטות רבות לפירוקאדמה נדירהתרכיזים, אותם ניתן לחלק באופן כללי לשלוש קטגוריות: שיטת חומצה, שיטת אלקלי ופירוק כלור.פירוק חומצה ניתן לחלק נוסף לפירוק חומצה הידרוכלורית, פירוק חומצה גופרתית ופירוק חומצה הידרופלואורית.ניתן לחלק עוד יותר את פירוק האלקלי לפירוק נתרן הידרוקסיד, המסת נתרן הידרוקסיד או שיטות צליית סודה.זרימת התהליך המתאימה נבחרת בדרך כלל על סמך העקרונות של סוג התרכיז, מאפייני הציון, תוכנית המוצר, נוחות לשחזור וניצול מקיף של אלמנטים לא נדירים, תועלת להיגיינת העבודה והגנת הסביבה, ורציונליות כלכלית.
·למרות שכמעט 200 מינרלים נדירים ומפוזרים התגלו, הם לא הועשרו למרבצים עצמאיים בכרייה תעשייתית בשל נדירותם.עד כה, רק עצמאי נדירגרמניום, סֵלֶנִיוּם, וטלוריוםהתגלו מרבצים, אך היקף המרבצים אינו גדול במיוחד.
התכה של אדמה נדירה
· קיימות שתי שיטות עבוראדמה נדירההתכה, הידרומטלורגיה ופירומטלורגיה.
· כל התהליך של הידרו-מטלורגיית אדמה נדירה ומטלורגיה כימית מתכת הוא בעיקר בתמיסה ובממס, כגון פירוק של תרכיז אדמה נדירה, הפרדה ומיצוי שלתחמוצות אדמה נדירות, תרכובות ומתכות בודדות של אדמה נדירה, המשתמשות בתהליכי הפרדה כימיים כמו משקעים, התגבשות, חימצון-הפחתת, מיצוי ממס וחילופי יונים.השיטה הנפוצה ביותר היא מיצוי ממס אורגני, שהוא תהליך אוניברסלי להפרדה תעשייתית של יסודות אדמה נדירים בודדים בטוהר גבוה.תהליך ההידרומטלורגיה מורכב וטוהר המוצר גבוה.לשיטה זו מגוון רחב של יישומים בייצור מוצרים מוגמרים.
התהליך הפירומטלורגי פשוט ובעל פרודוקטיביות גבוהה.אדמה נדירהפירומטלורגיה כוללת בעיקר ייצור שלסגסוגות אדמה נדירותבשיטת הפחתה סיליקותרמית, ייצור מתכות או סגסוגות עפר נדירות בשיטת אלקטרוליזה של מלח מותך, וייצור שלסגסוגות אדמה נדירותבשיטת הפחתת תרמית מתכת וכו'.
המאפיין הנפוץ של פירומטלורגיה הוא ייצור בתנאי טמפרטורה גבוהים.
תהליך ייצור אדמה נדירה
·אדמה נדירהקרבונט וכלוריד אדמה נדירההם שני המוצרים העיקריים העיקריים באדמה נדירהתַעֲשִׂיָה.באופן כללי, ישנם כיום שני תהליכים עיקריים לייצור שני מוצרים אלה.תהליך אחד הוא תהליך קליית חומצה גופרתית מרוכזת, והתהליך השני נקרא תהליך סודה קאוסטית, ובקיצור תהליך הסודה קאוסטית.
· בנוסף להיותו נוכח במינרלים שונים של אדמה נדירה, חלק ניכר מיסודות אדמה נדיריםבטבע מתקיימים יחד עם מינרלים סלע אפטיט ופוספט.העתודות הכוללות של עפרות הפוספט העולמיות הן כ-100 מיליארד טון, עם ממוצעאדמה נדירהתוכן של 0.5 ‰.ההערכה היא כי הסכום הכולל שלאדמה נדירההקשורים לעפרות פוספט בעולם הוא 50 מיליון טון.בתגובה למאפיינים של נמוךאדמה נדירהתוכן ומצב אירוע מיוחד במכרות, תהליכי התאוששות שונים נחקרו הן מקומית והן בינלאומית, אשר ניתן לחלק לשיטות רטובות ותרמיות.בשיטות רטובות ניתן לחלק אותן לשיטת חומצה חנקתית, שיטת חומצה הידרוכלורית ושיטת חומצה גופרתית לפי חומצות הפירוק השונות.ישנן דרכים שונות להחזיר אדמה נדירה מתהליכים כימיים זרחניים, כולן קשורות קשר הדוק לשיטות העיבוד של עפרות פוספט.במהלך תהליך הייצור התרמי, האדמה נדירהשיעור ההחלמה יכול להגיע ל-60%.
עם הניצול המתמשך של משאבי סלע פוספט והמעבר לפיתוח של סלע פוספט באיכות נמוכה, תהליך חומצה גופרתית רטוב הפך לשיטת החומצה הזרחתית המרכזית בתעשייה הכימית של פוספט, והחלמה שליסודות אדמה נדיריםבתהליך רטוב של חומצה גופרתית חומצה זרחתית הפכה למוקד מחקר.בתהליך הייצור של חומצה גופרתית בתהליך רטוב של חומצה זרחתית, לתהליך של בקרה על העשרה של אדמה נדירה בחומצה זרחתית ולאחר מכן שימוש במיצוי ממס אורגני להפקת אדמה נדירה יש יותר יתרונות מאשר שיטות שפותחו מוקדם.
תהליך מיצוי אדמה נדיר
מסיסות חומצה גופרתית
סריוםקבוצה (בלתי מסיס במלחי קומפלקס סולפט) -לנתנום, צריום, פרסאודימיום, ניאודימיום, ופרומתיום;
טרביוםקבוצה (מסיס מעט במלחי קומפלקס סולפט) -סמאריום, אירופיום, גדוליניום, טרביום, דיספרוזיום, והולמיום;
הפרדת מיצוי
אוֹראדמה נדירה(מיצוי חומציות חלשה P204) -לנתנום,צריום, פרסאודימיום,ניאודימיום, ופרומתיום;
אדמה נדירה בינונית (מיצוי P204 עם חומציות נמוכה)-סמאריום,אירופיום,גדוליניום,טרביום,דיספרוזיום;
כָּבֵדאדמה נדירהאלמנטים(חילוץ חומציות ב-P204) -הולמיום,
מבוא לתהליך המיצוי
בתהליך של הפרדהיסודות אדמה נדירים,בשל התכונות הפיזיקליות והכימיות הדומות ביותר של 17 יסודות, כמו גם שפע הזיהומים הנלווים ביסודות אדמה נדירים, תהליך המיצוי מורכב יחסית ונפוץ בשימוש.
ישנם שלושה סוגים של תהליכי מיצוי: שיטה שלב אחר שלב, חילופי יונים ומיצוי ממס.
שיטה שלב אחר שלב
שיטת ההפרדה והטיהור תוך שימוש בהבדל במסיסות של תרכובות בממסים נקראת שיטת שלב אחר שלב.מאיטריום(Y) ללוטטיום(Lu), הפרדה אחת בין כל המתרחש באופן טבעייסודות אדמה נדירים, כולל רדיום שהתגלה על ידי בני הזוג קירי,
כולם מופרדים בשיטה זו.הליך הפעולה של שיטה זו מורכב יחסית, וההפרדה הבודדת של כל יסודות האדמה הנדירים ארכה למעלה מ-100 שנים, כאשר הפרדה אחת ופעולה חוזרת הגיעו ל-20000 פעמים.לעובדים כימיים, העבודה שלהם
החוזק גבוה יחסית והתהליך מורכב יחסית.לכן, שימוש בשיטה זו אינו יכול לייצר אדמה נדירה אחת בכמויות גדולות.
חילוף יונים
עבודת המחקר על יסודות אדמה נדירים הופרעה על ידי חוסר היכולת לייצר יחידיסוד אדמה נדירבכמויות גדולות בשיטות שלב אחר שלב.על מנת לנתח אתיסודות אדמה נדיריםהכלול בתוצרי ביקוע גרעיני ומסירים את יסודות כדור הארץ הנדירים מאורניום ותוריום, נחקרה בהצלחה כרומטוגרפיית חילופי יונים (כרומטוגרפיה חילופי יונים), ששימשה לאחר מכן להפרדה שליסוד אדמה נדירס.היתרון של שיטת החלפת יונים הוא שניתן להפריד מספר אלמנטים בפעולה אחת.והוא יכול גם להשיג מוצרים בטוהר גבוה.עם זאת, החיסרון הוא שלא ניתן לעבד אותו ברציפות, עם מחזור פעולה ארוך ועלויות גבוהות לחידוש והחלפת שרף.לכן, זאת לאחר שהשיטה העיקרית להפרדת כמויות גדולות של כדורי אדמה נדירים הוצאה משיטת ההפרדה המרכזית והוחלפה בשיטת מיצוי הממס.עם זאת, בשל המאפיינים הבולטים של כרומטוגרפיית חילופי יונים בהשגת מוצרי אדמה נדירה יחידה בטוהר גבוה, כיום, על מנת לייצר מוצרים בודדים בטוהר גבוה במיוחד ולהפריד כמה יסודות אדמה נדירים כבדים, יש צורך גם להשתמש בכרומטוגרפיה של חילופי יונים להפריד ולייצר מוצר אדמה נדיר.
חילוץ ממס
שיטת השימוש בממסים אורגניים למיצוי והפרדת החומר המופק מתמיסה מימית בלתי ניתנת לתערובת נקראת מיצוי נוזל-נוזל ממס אורגני, ובקיצור של מיצוי ממסים.זהו תהליך העברת מסה המעביר חומרים משלב נוזלי אחד לאחר.שיטת מיצוי הממס יושמה מוקדם יותר בפטרוכימיה, כימיה אורגנית, כימיה פרמצבטית וכימיה אנליטית.עם זאת, בארבעים השנים האחרונות, עקב התפתחות המדע והטכנולוגיה של אנרגיה אטומית, כמו גם הצורך בייצור של חומרים טהורים ויסודות נדירים, מיצוי הממס התקדמה מאוד בתעשיות כמו תעשיית דלק גרעיני ומטלורגיה נדירה. .סין השיגה רמה גבוהה של מחקר בתורת המיצוי, סינתזה ויישום של חומרים מיצויים חדשים, ותהליך המיצוי להפרדת יסודות אדמה נדירים.בהשוואה לשיטות הפרדה כגון משקעים מדורגים, התגבשות מדורגת וחילופי יונים, למיצוי ממס יש שורה של יתרונות כגון אפקט הפרדה טוב, כושר ייצור גדול, נוחות לייצור מהיר ורציף ושליטה אוטומטית קלה להשגה.לכן, היא הפכה בהדרגה לשיטה העיקרית להפרדת כמויות גדולות שלאדמה נדירהs.
טיהור אדמה נדירה
ייצור חומרי גלם
מתכות אדמה נדירותמחולקים בדרך כלל למתכות אדמה נדירות מעורבות וליחידמתכות אדמה נדירות.הרכב מעורבמתכות אדמה נדירותדומה להרכב האדמה הנדירה המקורית בעפרה, ומתכת בודדת היא מתכת המופרדת ומעודנת מכל אדמה נדירה.קשה לצמצםתחמוצת אדמה נדירהs (למעט תחמוצות שלסמאריום,אירופיום,, טוליום,איטרביום) למתכת בודדת בשיטות מתכות כלליות, בשל חום היווצרותם הגבוה ויציבותם הגבוהה.לכן, חומרי הגלם הנפוצים לייצור שלמתכות אדמה נדירותכיום הם הכלורידים והפלואורידים שלהם.
אלקטרוליזה של מלח מותך
ייצור המוני של מעורבמתכות אדמה נדירותבתעשייה משתמש בדרך כלל בשיטת אלקטרוליזה של מלח מותך.ישנן שתי שיטות של אלקטרוליזה: אלקטרוליזה כלוריד ואלקטרוליזה תחמוצת.שיטת ההכנה של סינגלמתכות אדמה נדירותמשתנה בהתאם לאלמנט.סמאריום,אירופיום,,טוליום,איטרביוםאינם מתאימים להכנה אלקטרוליטית בשל לחץ האדים הגבוה שלהם, ובמקום זאת מוכנים בשיטת זיקוק הפחתה.ניתן להכין אלמנטים אחרים על ידי אלקטרוליזה או שיטת הפחתת מתכת תרמית.
אלקטרוליזה של כלוריד היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור מתכות, במיוחד למתכות אדמה נדירות מעורבות.התהליך פשוט, חסכוני ודורש השקעה מינימלית.עם זאת, החיסרון הגדול ביותר הוא שחרור גז כלור, המזהם את הסביבה.אלקטרוליזה של תחמוצת אינה משחררת גזים מזיקים, אך העלות מעט גבוהה יותר.באופן כללי, סינגל במחיר גבוהכדורי אדמה נדיריםכמוניאודימיוםופרסאודימיוםמיוצרים באמצעות אלקטרוליזה תחמוצת.
שיטת האלקטרוליזה הפחתת ואקום יכולה להכין רק כיתה תעשייתית כלליתמתכות אדמה נדירות.להכיןמתכות אדמה נדירותעם זיהומים נמוכים וטוהר גבוה, נעשה בדרך כלל שימוש בשיטת הפחתת תרמית ואקום.שיטה זו יכולה לייצר את כל מתכות אדמה נדירות בודדות, אבלסמאריום,אירופיום,,טוליום,איטרביוםלא ניתן לייצר בשיטה זו.פוטנציאל החיזור שלסמאריום,אירופיום,,טוליום,איטרביוםוסידן מפחית רק חלקיתאדמה נדירהפלוּאוֹרִיד.בדרך כלל, הכנת מתכות אלו מבוססת על העקרונות של לחץ אדים גבוה של מתכות אלו ולחץ אדים נמוך שלמתכת לנטנוםס.התחמוצות של ארבעת אלוכדורי אדמה נדיריםמעורבבים עם שברים שלמתכת לנטנוםs ודחוס לתוך בלוקים, והצטמצם בתנור ואקום.לנתנוםהוא פעיל יותר, בעודסמאריום,אירופיום,,טוליום,איטרביוםמופחתים לזהב על ידילנתנוםונאסף על עיבוי, מה שמקל על ההפרדה מהסיגים.
זמן פרסום: נובמבר-07-2023