Ученые МГУ придумали термодинамические модели, описывающие процессы экстракции оксидов редкоземельных элементов из отходов химических производств и получение индивидуальных элементов. Содержание этих ценных веществ в остатках сырья может быть даже выше, чем в природных минералах, поэтому очень важно иметь эффективные инструменты для их выделения. Данная разработка позволит создать отечественные технологии и достойно конкурировать с мировым лидером направления — Китаем. Результаты последних исследований опубликованы в журнале The Journal of Chemical Thermodynamics.

Редкоземельными элементами (РЗЭ) называют группу из семнадцати химических элементов, обладающих схожими физико-химическими свойствами. Их соединения широко используются в химической промышленности, металлургии, электронике и технике.

«В настоящее время актуальной является задача комплексной переработки промышленных отходов с максимальным извлечением из них всех полезных веществ, среди которых и РЗЭ. Их количество в техногенных отходах сопоставимо, а иногда и превышает их содержание в минералах, — объяснила автор исследования, научный сотрудник химического факультета, к.х.н. Светлана Курдакова. — Сейчас в области производства редких земель абсолютным лидером является Китай, а любая монополия, как известно, приводит к росту цен и зависимости от производителя. Следовательно, все более актуальной становится задача разработки собственных технологий. Наиболее перспективным методом извлечения РЗЭ считается переработка фосфогипса, который остается после производства фосфорной кислоты из апатитового сырья. Наша задача — предложить эффективную методику выделения из него ценных составляющих».

Редкоземельные элементы чаще всего извлекают при помощи специальных органических соединений, называемых экстрагентами. Элемент связывается с веществом и переходит из водной фазы, в которой он находился после обработки фосфогипса, в органическую. Такой процесс извлечения называется жидкостной экстракцией.

«Эмпирический поиск оптимальных условий извлечения подразумевает выполнение большого числа экспериментов, серьезные затраты материальных ресурсов и времени, — рассказала Светлана Курдакова. — Мы решили построить термодинамическую модель, которая будет описывать многокомпонентные экстракционные системы. Она позволит подбирать оптимальные условия извлечения РЗЭ из сырья различной природы без предварительного экспериментального перебора возможных условий экстракции».

Для построения термодинамической модели необходимо располагать определенным набором данных о свойствах равновесных фаз: составе, плотности, активности компонентов, теплотах смешения и прочих. Объем такой информации ограничен; его должно быть достаточно для определения параметров термодинамической модели.

«Большинство научных групп исследует процесс экстракции, делая приближение, что органическая фаза является идеальной. При этом не учитывается то, что ее свойства могут оказывать существенное влияние на выделение целевого вещества, — пояснила Светлана Курдакова. — Мы подошли с другой стороны: исследовали каждую фазу — водную и органическую — по отдельности, постепенно увеличивая размерность рассматриваемых систем, построили для них физико-химические модели, прогнозирующие свойства которых проверялись на независимых экспериментальных данных по распределению РЗЭ между водной и органической фазами. В настоящее время мы продолжаем исследование экстракционных систем для различных редкоземельных элементов».

В будущем авторы планируют построить термодинамические модели сложных многокомпонентных систем для предсказания оптимальных условий извлечения редких земель из реальных техногенных отходов и минеральных руд.