В РАН разработали сорбенты для извлечения редкоземельных металлов из магнитного лома

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 для селективного извлечения редкоземельных металлов из техногенного сырья.

Материалы созданы на основе экстрагента N,N,N',N'-тетраоктилдигликольамида (ТОДГА) и пористой матрицы — сополимера стирола и дивинилбензола марки LPS-500.

Редкоземельные металлы в магнитном ломе

Спрос на редкоземельные элементы (РЗЭ) растет из-за их применения в современной технике, производстве функциональных и конструкционных материалов, а также катализаторов для химической промышленности. Это повышает интерес к извлечению РЗЭ не только из природного, но и из техногенного сырья.

Одним из таких источников служат отработавшие постоянные магниты из электронных устройств, включая жесткие диски, акустические системы и мобильные телефоны.

В магнитах из сплава NdFeB — неодим, железо и бор — доля РЗЭ может достигать 31–32 мас. %. Основную часть составляют неодим и празеодим; в меньших количествах присутствуют диспрозий, тербий и гадолиний.

Переработка магнитного лома начинается с растворения в азотной, соляной или серной кислоте. Выбранные условия определяют кислотность, концентрацию целевых и примесных элементов и другие характеристики раствора, от которых зависит дальнейшая схема извлечения.

Четыре сорбента с разным содержанием ТОДГА

Авторы получили четыре импрегнированных сорбента SIR 1–4. Их производят пропиткой пористой полимерной матрицы раствором ТОДГА. После удаления растворителя экстрагент удерживается на поверхности носителя 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 одна из авторов исследования, младший научный сотрудник НЦМУ ЦРИРС ИФХЭ РАН Серафима Слободская.

С использованием сорбента SIR 3 ученые разработали метод экстракционно-хроматографического разделения ионов железа Fe(III) и суммы РЗЭ(III) в модельных растворах переработки магнитов NdFeB. Затем из смеси выделяли празеодим Pr(III), неодим Nd(III) и диспрозий Dy(III).

Как состав раствора влияет на сорбцию

Авторы изучили сорбцию железа и неодима материалами SIR 1–4 из растворов азотной кислоты HNO3 и нитрата аммония NH4NO3. Они оценили влияние доли ТОДГА, pH и содержания солей на сорбцию и десорбцию.

Эффективность извлечения Nd(III) возрастала по мере увеличения содержания ТОДГА в ряду от SIR 1 до SIR 4. При повышении концентрации NH4NO3 с 0,5 до 3,0 моль/л коэффициент распределения Nd(III) увеличивался со 114 до 272 мл/г, а сорбционная емкость достигала 35,6 ± 0,2 мг неодима на грамм сорбента.

«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 упрощает определение концентрации РЗЭ в элюатах и снижает расход агрессивных реагентов для осаждения», — отметил руководитель исследования, главный научный сотрудник НЦМУ ЦРИРС ИФХЭ РАН, доктор химических наук Владимир Баулин.

Нейтральная среда и перспективы применения

Ключевой особенностью методики ученые называют применение нейтрального раствора нитрата аммония с pH около 6,5–7. Его получают предварительной нейтрализацией исходного азотнокислого раствора водным раствором аммиака. Такой подход помогает избежать соосаждения РЗЭ(III) и других металлов, присутствующих в растворе.

Метод также обеспечивает высокую скорость массопереноса между фазами. Для разделения близких по свойствам редкоземельных элементов этот параметр напрямую влияет на продолжительность процесса.

По оценке авторов, воспроизводимые сорбционные характеристики SIR 3 и контролируемые параметры разделения позволяют рассматривать методику для автоматизированного промышленного процесса. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.