مقدمة لتكنولوجيا صناعة المعادن النادرة
·العناصر الأرضية النادرةليس عنصرًا معدنيًا، بل هو مصطلح جماعي لـ 15 عنصرًا من العناصر الأرضية النادرة والإيتريوموسكانديوملذلك، فإن العناصر الأرضية النادرة السبعة عشر ومركباتها المختلفة لها استخدامات مختلفة، تتراوح من الكلوريدات ذات نقاء 46% إلى أكاسيد الأرض النادرة المفردة والمعادن الأرضية النادرةبنقاء ٩٩٫٩٩٩٩٪. مع إضافة المركبات والمخاليط ذات الصلة، تتوفر منتجات أرضية نادرة لا حصر لها. لذا،العناصر الأرضية النادرةتتنوع التكنولوجيا أيضًا بناءً على اختلافات هذه العناصر السبعة عشر. ومع ذلك، نظرًا لإمكانية تقسيم العناصر الأرضية النادرة إلى السيريوم والنيكل،الإيتريومبناءً على خصائص المعادن، تُعدّ عمليات التعدين والصهر والفصل لمعادن الأتربة النادرة موحدة نسبيًا. بدءًا من التعدين الأولي للخام، سيتم تقديم طرق الفصل، وعمليات الصهر، وطرق الاستخلاص، وعمليات التنقية للمعادن النادرة واحدةً تلو الأخرى.
معالجة المعادن النادرة
·معالجة المعادن هي عملية معالجة ميكانيكية تستغل الاختلافات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية بين المعادن المختلفة التي تشكل الخام، وتستخدم طرق الاستفادة المختلفة والعمليات والمعدات لتخصيب المعادن المفيدة في الخام، وإزالة الشوائب الضارة، وفصلها عن المعادن العالقة.
·فيالعناصر الأرضية النادرةالخامات المستخرجة في جميع أنحاء العالم، ومحتوىأكاسيد العناصر الأرضية النادرةلا تتجاوز نسبتها بضع نقاط مئوية، وبعضها أقل. ولتلبية متطلبات إنتاج الصهر،العناصر الأرضية النادرةتُفصل المعادن عن معادن الشوائب والمعادن المفيدة الأخرى من خلال عملية التخصيب قبل الصهر، وذلك لزيادة محتوى أكاسيد المعادن النادرة والحصول على مُركّزات من المعادن النادرة تُلبي متطلبات علم معادن المعادن النادرة. تعتمد عملية التخصيب عادةً على طريقة التعويم، والتي غالبًا ما تُكمّلها توليفات متعددة من الفصل بالجاذبية والفصل المغناطيسي لتشكيل مسار عملية التخصيب.
الالعناصر الأرضية النادرةالرواسب الموجودة في منجم بايونيبو في منغوليا الداخلية هي رواسب من نوع الصخور الكربونية من الدولوميت الحديدي، تتكون بشكل أساسي من معادن أرضية نادرة مصاحبة في خام الحديد (بالإضافة إلى خام السيريوم الفلوروكربوني والمونازيت، هناك أيضًا العديد منالنيوبيوموالعناصر الأرضية النادرةالمعادن).
يحتوي الخام المستخرج على حوالي 30% حديد وحوالي 5% أكاسيد أتربة نادرة. بعد سحق الخام الكبير في المنجم، يُنقل بالقطار إلى مصنع الاستخلاص التابع لشركة باوتو للحديد والصلب. مهمة مصنع الاستخلاص هي زيادة...أكسيد الحديد الثلاثيمن 33% إلى أكثر من 55%، أولاً يتم الطحن والتصنيف على مطحنة كرات مخروطية، ثم اختيار تركيز الحديد الأساسي بنسبة 62-65% Fe2O3 (أكسيد الحديد) باستخدام فاصل مغناطيسي أسطواني. تستمر المخلفات في التعويم والفصل المغناطيسي للحصول على مُركّز حديد ثانوي يحتوي على أكثر من 45%أكسيد الحديد الثلاثي(أكسيد الحديد). تُخصب المعادن الأرضية النادرة برغوة التعويم، بنسبة تركيز تتراوح بين 10% و15%. يمكن اختيار المُركّز باستخدام طاولة اهتزاز لإنتاج مُركّز خشن بنسبة 30% من أكسيد الحديد الطبيعي (REO). بعد إعادة المعالجة باستخدام معدات التخصيب، يمكن الحصول على مُركّز من المعادن الأرضية النادرة بنسبة تركيز تزيد عن 60%.
طريقة تحلل تركيز العناصر الأرضية النادرة
·العناصر الأرضية النادرةتوجد العناصر في المُركّزات عادةً على شكل كربونات، أو فلوريدات، أو فوسفات، أو أكاسيد، أو سيليكات غير قابلة للذوبان. يجب تحويل العناصر الأرضية النادرة إلى مركبات قابلة للذوبان في الماء أو الأحماض غير العضوية من خلال تغييرات كيميائية مُختلفة، ثم تخضع لعمليات مثل الذوبان، أو الفصل، أو التنقية، أو التركيز، أو التكليس لإنتاج مُختلطات مُختلفة.العناصر الأرضية النادرةمركبات مثل كلوريدات العناصر الأرضية النادرة المختلطة، والتي يمكن استخدامها كمنتجات أو مواد خام لفصل عناصر أرضية نادرة مفردة. تُسمى هذه العمليةالعناصر الأرضية النادرةتحلل التركيز، والمعروف أيضًا بالمعالجة المسبقة.
·هناك العديد من الطرق للتحللالعناصر الأرضية النادرةالمُركّزات، والتي يُمكن تقسيمها عمومًا إلى ثلاث فئات: الطريقة الحمضية، والطريقة القلوية، والتحلل بالكلور. ويُقسّم التحلل الحمضي أيضًا إلى تحلل حمض الهيدروكلوريك، وتحلل حمض الكبريتيك، وتحلل حمض الهيدروفلوريك. ويُقسّم التحلل القلوي أيضًا إلى تحلل هيدروكسيد الصوديوم، وذوبان هيدروكسيد الصوديوم، أو تحميص الصودا. ويُختار مسار العملية المناسب عمومًا بناءً على مبادئ نوع المُركّز، وخصائص الدرجة، وخطة المنتج، وسهولة الاستعادة والاستخدام الشامل للعناصر الأرضية غير النادرة، وفوائد نظافة العمال وحماية البيئة، والعقلانية الاقتصادية.
على الرغم من اكتشاف ما يقرب من 200 معدن نادر ومشتت من العناصر المعدنية، إلا أنه لم يتم إثراؤها في رواسب مستقلة بالتعدين الصناعي نظرًا لندرتها. حتى الآن، لم يتم اكتشاف سوى معادن مستقلة نادرة.الجرمانيوم, السيلينيوم، والتيلوريومتم اكتشاف رواسب، لكن حجم الرواسب ليس كبيرًا جدًا.
صهر المعادن النادرة
·هناك طريقتان لـالعناصر الأرضية النادرةالصهر، والهيدروميتالورجيا، والبيروميتالورجيا.
·تتم عملية استخلاص المعادن النادرة من الهيدروميتالورجيا والمعادن الكيميائية المعدنية في الغالب في المحلول والمذيب، مثل تحلل تركيزات المعادن النادرة وفصلها واستخراجها.أكاسيد العناصر الأرضية النادرةوالمركبات، والمعادن الأرضية النادرة المفردة، والتي تستخدم عمليات فصل كيميائية مثل الترسيب، والتبلور، والأكسدة والاختزال، والاستخلاص بالمذيبات، والتبادل الأيوني. الطريقة الأكثر شيوعًا هي الاستخلاص بالمذيبات العضوية، وهي عملية عالمية للفصل الصناعي للعناصر الأرضية النادرة المفردة عالية النقاء. عملية الهيدروميتالورجيا معقدة، ونقاء المنتج مرتفع. لهذه الطريقة تطبيقات واسعة في إنتاج المنتجات النهائية.
تعتبر عملية المعالجة الحرارية المعدنية بسيطة وتتمتع بإنتاجية عالية.العناصر الأرضية النادرةتشمل عملية معالجة المعادن بالحرارة بشكل أساسي إنتاجسبائك الأرض النادرةعن طريق طريقة الاختزال السيليكاتيمي، وإنتاج المعادن الأرضية النادرة أو السبائك عن طريق طريقة التحليل الكهربائي للملح المنصهر، وإنتاجسبائك الأرض النادرةعن طريق طريقة التخفيض الحراري المعدني وما إلى ذلك.
السمة المشتركة لعملية المعالجة الحرارية الحرارية هي الإنتاج في ظل ظروف درجات الحرارة العالية.
عملية إنتاج العناصر الأرضية النادرة
·العناصر الأرضية النادرةكربونات وكلوريد العناصر الأرضية النادرةهما المنتجان الرئيسيان الرئيسيان فيالعناصر الأرضية النادرةبشكل عام، هناك حاليًا عمليتان رئيسيتان لإنتاج هذين المنتجين. إحداهما هي عملية تحميص حمض الكبريتيك المركز، والأخرى هي عملية الصودا الكاوية، واختصارًا عملية الصودا الكاوية.
·بالإضافة إلى وجودها في العديد من المعادن الأرضية النادرة، فإن جزءًا كبيرًا منهاالعناصر الأرضية النادرةتتواجد في الطبيعة جنبًا إلى جنب مع معادن الأباتيت والفوسفات الصخرية. يبلغ إجمالي احتياطيات خام الفوسفات العالمي حوالي 100 مليار طن، بمتوسطالعناصر الأرضية النادرةمحتوى 0.5 ‰. ومن المقدر أن الكمية الإجماليةالعناصر الأرضية النادرةتبلغ كمية خام الفوسفات المرتبطة به في العالم 50 مليون طن. واستجابةً لخصائص انخفاضالعناصر الأرضية النادرةنظرًا لمحتوى المعادن النادرة وحالة تواجدها الخاصة في المناجم، دُرست عمليات استخلاص متنوعة محليًا ودوليًا، ويمكن تقسيمها إلى طرق رطبة وحرارية. في الطرق الرطبة، يمكن تقسيمها إلى طريقة حمض النيتريك، وطريقة حمض الهيدروكلوريك، وطريقة حمض الكبريتيك، وذلك وفقًا لأحماض التحلل المختلفة. هناك طرق مختلفة لاستخلاص المعادن الأرضية النادرة من العمليات الكيميائية للفوسفور، وجميعها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بطرق معالجة خام الفوسفات. خلال عملية الإنتاج الحراري،العناصر الأرضية النادرةيمكن أن تصل نسبة الشفاء إلى 60%.
مع الاستخدام المستمر لموارد صخور الفوسفات والتحول نحو تطوير صخور الفوسفات منخفضة الجودة، أصبحت عملية حمض الفوسفوريك الرطبة باستخدام حمض الكبريتيك هي الطريقة السائدة في صناعة الكيماويات الفوسفاتية، واستعادةالعناصر الأرضية النادرةأصبح حمض الفوسفوريك في عملية إنتاج حمض الكبريتيك الرطبة محورًا بحثيًا هامًا. في عملية إنتاج حمض الكبريتيك بالطريقة الرطبة، تتميز عملية التحكم في إثراء العناصر الأرضية النادرة بحمض الفوسفوريك، ثم استخدام الاستخلاص بالمذيبات العضوية، بمزايا أكثر من الطرق القديمة.
عملية استخراج العناصر الأرضية النادرة
ذوبان حمض الكبريتيك
السيريومالمجموعة (غير قابلة للذوبان في أملاح معقدات الكبريتات) -اللانثانوم, السيريوم، براسيوديميوم, نيوديميوم، والبروميثيوم؛
التربيومالمجموعة (قابلة للذوبان بشكل طفيف في أملاح مجمع الكبريتات) -الساماريوم, اليوروبيوم, الغادولينيوم, التربيوم, الديسبروسيوم، والهولميوم;
الإيتريومالمجموعة (قابلة للذوبان في أملاح معقدات الكبريتات) -الإيتريوم, الإربيوم، الثوليوم, الإيتربيوم,اللوتيتيوم، وسكانديوم.
فصل الاستخلاص
ضوءالعناصر الأرضية النادرة(استخراج الحموضة الضعيفة P204) -اللانثانوم،السيريوم، براسيوديميوم،نيوديميوم، والبروميثيوم؛
العناصر الأرضية النادرة المتوسطة (استخراج حموضة منخفضة P204)-الساماريوم،اليوروبيوم،الغادولينيوم،التربيوم،الديسبروسيوم;
ثقيلالعناصر الأرضية النادرةعناصر(استخراج الحموضة في P204) -الهولميوم،
مقدمة لعملية الاستخراج
في عملية الفصلالعناصر الأرضية النادرة،بسبب الخصائص الفيزيائية والكيميائية المتشابهة للغاية لـ 17 عنصرًا، بالإضافة إلى وفرة الشوائب المصاحبة فيالعناصر الأرضية النادرةتعتبر عملية الاستخراج معقدة نسبيًا وتستخدم على نطاق واسع.
هناك ثلاثة أنواع من عمليات الاستخلاص: طريقة خطوة بخطوة، وتبادل الأيونات، والاستخلاص بالمذيبات.
طريقة خطوة بخطوة
تُسمى طريقة الفصل والتنقية باستخدام اختلاف ذائبية المركبات في المذيبات بطريقة الخطوة بخطوة.الإيتريوم(ي) إلىاللوتيتيوم(لو)، وهو فصل واحد بين كل ما يحدث بشكل طبيعيالعناصر الأرضية النادرة، بما في ذلك الراديوم الذي اكتشفه الزوجان كوري،
يتم فصلها جميعًا بهذه الطريقة. عملية تشغيل هذه الطريقة معقدة نسبيًا، إذ استغرق فصل جميع العناصر الأرضية النادرة مرة واحدة أكثر من 100 عام، ووصل عدد مرات الفصل والعمليات المتكررة إلى 20,000 مرة. بالنسبة للعاملين في مجال الكيمياء، فإن عملهم...
قوة هذه المادة عالية نسبيًا، والعملية معقدة نسبيًا. لذلك، لا يُمكن إنتاج عنصر أرضي نادر واحد بكميات كبيرة باستخدام هذه الطريقة.
تبادل الأيونات
لقد تعطلت أعمال البحث في العناصر الأرضية النادرة بسبب عدم القدرة على إنتاج عنصر واحد منها.عنصر الأرض النادرةبكميات كبيرة من خلال طرق تدريجية. لتحليلالعناصر الأرضية النادرةالموجودة في نواتج الانشطار النووي وإزالة العناصر الأرضية النادرة من اليورانيوم والثوريوم، وتمت دراسة كروماتوغرافيا التبادل الأيوني (كروماتوغرافيا التبادل الأيوني) بنجاح، والتي استخدمت بعد ذلك لفصلعنصر الأرض النادرةتتميز طريقة التبادل الأيوني بإمكانية فصل عناصر متعددة في عملية واحدة، والحصول على منتجات عالية النقاء. إلا أن عيبها يكمن في استحالة معالجتها بشكل مستمر، ودورة تشغيل طويلة، وتكاليف عالية لتجديد الراتنج وتبادله. لذلك، استُبدلت هذه الطريقة، التي كانت تُستخدم في السابق لفصل كميات كبيرة من العناصر الأرضية النادرة، بطريقة الاستخلاص بالمذيبات. ومع ذلك، ونظرًا للخصائص المتميزة لكروماتوغرافيا التبادل الأيوني في الحصول على منتجات أرضية نادرة مفردة عالية النقاء، فإنه من الضروري حاليًا استخدام كروماتوغرافيا التبادل الأيوني لفصل وإنتاج منتجات أرضية نادرة لإنتاج منتجات مفردة فائقة النقاء وفصل بعض العناصر الأرضية النادرة الثقيلة.
الاستخلاص بالمذيبات
تُسمى طريقة استخدام المذيبات العضوية لاستخلاص وفصل المواد المستخرجة من محلول مائي غير قابل للامتزاج، أو استخلاص المذيبات. وهي عملية نقل كتلة للمواد من طور سائل إلى آخر. وقد استُخدمت طريقة الاستخلاص بالمذيبات سابقًا في صناعات البتروكيماويات والكيمياء العضوية والكيمياء الصيدلانية والكيمياء التحليلية. ومع ذلك، في الأربعين عامًا الماضية، وبفضل تطور علوم وتكنولوجيا الطاقة الذرية، والحاجة إلى إنتاج مواد فائقة النقاء وعناصر نادرة، حقق الاستخلاص بالمذيبات تقدمًا كبيرًا في صناعات مثل صناعة الوقود النووي والمعادن النادرة. وقد حققت الصين مستوىً بحثيًا رفيعًا في نظرية الاستخلاص، وتخليق وتطبيق مستخلصات جديدة، وعملية استخلاص لفصل العناصر الأرضية النادرة. وبالمقارنة مع طرق الفصل مثل الترسيب المتدرج، والتبلور المتدرج، والتبادل الأيوني، يتميز الاستخلاص بالمذيبات بسلسلة من المزايا، مثل كفاءة الفصل الجيدة، والقدرة الإنتاجية الكبيرة، وسهولة الإنتاج السريع والمستمر، وسهولة التحكم الآلي. لذلك، أصبحت تدريجيا الطريقة الرئيسية لفصل كميات كبيرة منالعناصر الأرضية النادرةs.
تنقية العناصر الأرضية النادرة
مواد خام للإنتاج
المعادن الأرضية النادرةيتم تقسيمها عمومًا إلى معادن أرضية نادرة مختلطة ومعادن أرضية نادرة مفردةالمعادن الأرضية النادرة. تكوين مختلطالمعادن الأرضية النادرةيشبه التركيب الأصلي للعناصر الأرضية النادرة في الخام، والمعدن الواحد هو معدن منفصل ومكرر من كل عنصر أرضي نادر. من الصعب اختزالهأكسيد العناصر الأرضية النادرةس (باستثناء أكاسيدالساماريوم،اليوروبيوم,, الثوليوم،الإيتربيوم) إلى معدن واحد باستخدام الطرق المعدنية العامة، نظرًا لحرارة تكوينها العالية وثباتها العالي. لذلك، تُستخدم المواد الخام الشائعة لإنتاجالمعادن الأرضية النادرةفي الوقت الحاضر هي الكلوريدات والفلوريدات.
التحليل الكهربائي للملح المنصهر
الإنتاج الضخم للمزيجالمعادن الأرضية النادرةفي الصناعة، تُستخدم عادةً طريقة التحليل الكهربائي بالملح المنصهر. هناك طريقتان للتحليل الكهربائي: التحليل الكهربائي للكلوريد والتحليل الكهربائي للأكسيد. طريقة تحضير محلول واحدالمعادن الأرضية النادرةيختلف حسب العنصر.الساماريوم،اليوروبيوم,,الثوليوم،الإيتربيوملا تصلح هذه العناصر للتحضير الكهربائي نظرًا لارتفاع ضغط بخارها، بل تُحضّر بطريقة التقطير الاختزالي. أما العناصر الأخرى، فيمكن تحضيرها بالتحليل الكهربائي أو الاختزال الحراري المعدني.
يُعد التحليل الكهربائي للكلوريد الطريقة الأكثر شيوعًا لإنتاج المعادن، وخاصةً المعادن الأرضية النادرة المختلطة. تتميز هذه العملية بالبساطة والفعالية من حيث التكلفة، وتتطلب استثمارات ضئيلة. ومع ذلك، فإن أكبر عيوبها هو انبعاث غاز الكلور، الذي يُلوث البيئة. لا يُطلق التحليل الكهربائي للأكسيد غازات ضارة، ولكن تكلفته أعلى قليلًا. عادةً ما تُستخدم أجهزة التحليل الكهربائي الفردية باهظة الثمن.العناصر الأرضية النادرةمثلنيوديميوموبراسيوديميوميتم إنتاجها باستخدام التحليل الكهربائي للأكسيد.
لا يمكن لطريقة التحليل الكهربائي بالاختزال الفراغي إلا تحضير مواد صناعية عامةالمعادن الأرضية النادرة. للتحضيرالمعادن الأرضية النادرةنظرًا لانخفاض نسبة الشوائب وارتفاع نقاءها، تُستخدم عادةً طريقة الاختزال الحراري الفراغي. تُنتج هذه الطريقة جميع معادن الأرض النادرة، ولكنالساماريوم،اليوروبيوم,,الثوليوم،الإيتربيوملا يمكن إنتاجها باستخدام هذه الطريقة. إمكانية الأكسدة والاختزال لـالساماريوم،اليوروبيوم,,الثوليوم،الإيتربيوموالكالسيوم يقلل جزئيا فقطالعناصر الأرضية النادرةالفلورايد. بشكل عام، يعتمد تحضير هذه المعادن على مبادئ الضغط البخاري العالي لهذه المعادن والضغط البخاري المنخفض لـمعدن اللانثانومس. أكاسيد هذه العناصر الأربعةالعناصر الأرضية النادرةيتم خلطها مع شظايا منمعدن اللانثانومويتم ضغطها في كتل، ثم يتم تقليصها في فرن التفريغ.اللانثانومأكثر نشاطا، في حينالساماريوم،اليوروبيوم,,الثوليوم،الإيتربيوميتم تحويلها إلى الذهب بواسطةاللانثانومويتم تجميعها بالتكثيف، مما يجعل من السهل فصلها عن الخبث.
وقت النشر: ٧ نوفمبر ٢٠٢٣