Ученые РАН предложили схему синтеза сорбентов нового поколения для извлечения редкоземельных металлов

Исследователи НЦМУ «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 получили новые сорбенты, пригодные для селективного извлечения редкоземельных металлов из отходов промышленного производства. Сорбенты разработаны на основе известного экстрагента N,N,N',N'-тетраоктилдигликольамида (ТОДГА) и пористой матрицы — сополимера стирола и дивинилбензола марки LPS-500.

В мире растет спрос на редкоземельные элементы (РЗЭ) в связи с их безальтернативным применением в современной технике в качестве функциональных и конструкционных материалов, а также катализаторов в химической промышленности. Это стимулирует поиск новых методов получения РЗЭ из источников как природного, так и техногенного происхождения.

Среди вторичных источников РЗЭ особый интерес представляют отработавшие постоянные магниты. Их использование считается важным аспектом экологической стратегии переработки вышедших из строя электронных устройств (например, жестких дисков, акустических систем, мобильных телефонов), количество которых растет с каждым годом.

В постоянных магнитах из сплава NdFeB (неодим — железо — бор), одного из самых распространенных типов редкоземельных магнитов, содержание РЗЭ может достигать 31–32 мас. %. При этом основное количество составляют неодим и празеодим, в меньшем количестве присутствуют диспрозий, тербий и гадолиний.

Процесс извлечения РЗЭ из магнитов NdFeB начинается со стадии растворения магнитного лома в неорганических кислотах, таких как азотная, соляная и серная. Условия растворения определяют состав, концентрацию целевых и примесных элементов, кислотность и другие характеристики растворов, что влияет на выбор метода и подбор условий извлечения.

Авторы разработали для оптимизации процесса извлечения РЗЭ четыре сорбента импрегнированного типа (SIR 1–4), отличающихся синтетической доступностью и простотой регенерации. Разработанные сорбенты продемонстрировали высокую эффективность селективного извлечения редкоземельных элементов из переработанного сырья.

«Мы синтезировали четыре смолы SIR 1–4 (Solvent Impregnating Resin) легкодоступным в синтезе методом импрегнации — пропиткой пористого носителя матрицы раствором экстрагента ТОДГА с последующим удалением растворителя и фиксацией экстрагента на пористой поверхности носителей за счет нековалентных взаимодействий. Концентрация экстрагента ТОДГА в смолах составляет 20–45 мас. %. Такое содержание обеспечивает эффективное извлечение редкоземельных элементов, именно в этом диапазоне достигаются наилучшие значения коэффициентов распределения и емкости сорбента по целевым металлам», — рассказала один из авторов исследования, младший научный сотрудник НЦМУ ЦРИРС (ИФХЭ РАН) Серафима Слободская.

Используя сорбент SIR 3, ученые разработали метод экстракционно-хроматографического разделения ионов железа Fe(III) и суммы РЗЭ(III) из модельных растворов переработки магнитов NdFeB с последующим выделением индивидуальных празеодима Pr(III), неодима Nd(III) и диспрозия Dy(III).

Методом экстракционной хроматографии авторы также изучили особенности сорбции железа и неодима сорбентами SIR 1–4 из растворов азотной кислоты (HNO₃) и нитрата аммония (NH₄NO₃) и выявили закономерности влияния процентного содержания экстрагента ТОДГА, pH рабочих растворов и наличия солей в растворах на процессы сорбции-десорбции.

Исследования показали, что на смолах SIR 1–4 эффективность извлечения Nd(III) возрастает с увеличением содержания ТОДГА (SIR 1 → SIR 4). При увеличении концентрации NH₄NO₃ в растворе от 0,5 до 3,0 моль/л сорбенты демонстрируют рост эффективности сорбции Nd(III). В этих условиях коэффициент распределения Nd(III) (Kd) увеличивается с 114 до 272 мл/г, а сорбционная емкость достигает 35,6 ±0,2 мг Nd на 1 г сорбента, что свидетельствует о незначительной сорбции в этих условиях.

«Наши исследования показывают, что замена HNO₃ на NH₄NO₃ в исходных растворах практически не влияет на сорбцию Nd(III) сорбентом SIR 3. Использование растворов NH₄NO₃ вместо HNO₃ в качестве элюентов имеет преимущества: упрощаются методы определения концентрации РЗЭ в элюатах, снижается расход агрессивных реагентов для осаждения, в итоге уменьшается ущерб окружающей среде», — отметил руководитель исследования, главный научный сотрудник НЦМУ ЦРИРС (ИФХЭ РАН), доктор химических наук, Владимир Баулин.

По словам ученых, главное преимущество предложенной методики разделения РЗЭ(III) заключается в использовании нейтрального раствора (pH ~ 6,5–7) нитрата аммония, легко получаемого предварительной нейтрализацией исходного азотнокислого раствора водным раствором аммиака. Это помогает избежать соосаждения РЗЭ(III) и других металлов, присутствующих в растворах металлов.

Кроме того, метод обеспечивает высокую скорость процесса массопереноса, что позволяет целевому компоненту, иону редкоземельного элемента, быстро перемещаться из одной фазы в другую. Если этот процесс происходит слишком медленно, это значительно увеличивает время разделения и снижает практическую ценность метода. Поэтому скорость массопереноса является ключевым параметром при работе с РЗЭ, где часто требуется быстро «извлечь» ион с похожими свойствами.

Авторы отмечают, что разработка обеспечивает экономическую эффективность и экологическую безопасность процесса извлечения РЗЭ и может быть реализована в автоматизированном промышленном процессе благодаря воспроизводимым сорбционным характеристикам сорбента SIR 3 и четко контролируемым параметрам процесса.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.