Исследование редкоземельных элементов бурого угля южного региона Кыргызстана

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 631.82:662.642.2                              

В настоящее время наблюдается тенденция к изменению структуры мировой экономики, развитию высокотехнологичных производств, формированию в развитых странах модели «зеленой экономики», росту электрогенерации на основе использования возобновляемых источников энергии. В модернизации экономики стран в направлении развития высокотехнологичных отраслей редкоземельные элементы (РЗЭ) играют ключевую роль. Роль РЗЭ в современной экономике объясняется их уникальными свойствами, делающих их незаменимыми для развития высокотехнологичных, наукоемких отраслей. Известно, что к редкоземельным металлам относятся: лантан, церий, неодим, прадезим, самарий, прометий, гадолиний, европий, тербий, гольмий, диспрозий, эрбий, иттербий, лютеций, тулий, скандий, иттрий. Насчитываются десятки сфер эффективного использования редких металлов. Быстрорастущие области использования редкоземельных металлов связаны с ростом производства оборонной, телекоммуникационной, компьютерной техники, катализаторов для крекинга, сверхпроводников, лазеров, топливных элементов, металлургической инновационной продукции. Основные и быстро растущие области применения редких металлов и РЗЭ в мире связаны с производством стали, труб, аккумуляторов, постоянных магнитов и т.д. Среди перечисленных направлений использования РЗЭ в целях перехода к устойчивому развитию, наибольший интерес представляет применение редкоземельных металлов в «зеленых» технологиях: электрические и гибридные автомобили, солнечная энергетика, очистка воды, ветряные турбины, гидроэнергетика [5].

Таким образом, при переходе к модели устойчивого развития редкие металлы и РЗЭ являются необходимым сырьем, что прогнозирует повышение спроса на них в будущем ввиду тенденции к экологизации производства в странах Европейского союза, Японии, США и ряде новых индустриальных стран. Для производства одного ветрогенератора мощностью 2 МВт на постоянных магнитах требуется до 360 кг неодима и 60 кг диспрозия. Редкоземельные элементы обладают стратегической важностью в мировом промышленном производстве, не говоря уже о будущем. Данные элементы и их соединения используются в производстве высокотехнологичной продукции в таких отраслях как атомная энергетика, медицина, оптика, химическая и стекольная промышленность, металлургия, а также при производстве электроники, лазерной техники и телекоммуникационного оборудования и т.д. Отметим, что при производстве оборудования для «зеленой» энергетики, а именно электромобилей, ветрогенераторов, солнечных панелей, энергосберегающих ламп и других технологий, способствующих развитию «зеленого» тренда экономики, РЗЭ являются основными и необходимыми элементами. Зарубежными исследователями (США) к стратегическим и незаменимым в сфере развития технологий «зеленой» энергетики отнесены шесть химических элементов: неодим (постоянные магниты и батарей); диспрозий (ветровые турбины); иттрий, европий и тербий (люминофоры); индий (фотоэлектрические пленки) [1].

Производство покрытий для солнечных батарей обеспечивается за счет индия, галлия, теллура; неодим, диспрозий, празеодим обеспечивают производство магнитов для ветрогенераторов. В производство популярных на сегодняшний день гибридных автомобилей вовлекается целый спектр редкоземельных металлов. Таким образом, РЗЭ являются важнейшим сырьем для современного высокотехнологичного производства, в том числе необходимы для развития «зеленых» технологий, а также возобновляемых источников энергии. В настоящее время крупнейшим производителем и экспортером редкоземельных металлов является Китай, обеспечивающий порядка 95% мировых потребностей, т.е. можно сделать вывод, что КНР имеет потенциальную возможность осуществлять тотальный контроль над всем рынком наукоемкой высокотехнологичной продукции, в том числе над производствами на основе «зеленых» технологий, которые невозможны без использования редких и редкоземельных элементов, (Таблица 1).

Таблица 1

ДОБЫЧА РЗЭ ПО СТРАНАМ, 2023 г.

Ввиду развития высокотехнологичных производств, в том числе «зеленых» технологий, мировые потребности в редкоземельных металлах и РЗЭ будут постоянно увеличиваться и согласно прогнозам, вырастут к 2025 г до 400‒600 тыс. т. в год. Киргизия, по сведениям Industrial Mineral, занимает второе место по запасам сырья [1].

Кыргызская Республика имея собственные месторождения редких и редкоземельных элементов (Кутессай-II и Калесай), не производит редких металлов и РЗЭ. В настоящее время, остаток балансовых запасов месторождение Кутессай-II по категории B+C1+C2 составляет: руда (20,2 млн. т), РЗМ (51,5 тыс. т), молибден (2,4 тыс. т), висмут (2,3 тыс. т), свинец (21,3 тыс. т). Среднее содержание РЗМ в руде составляет 0,25%, 0,012% Mo, 0,012% Bi, 0,12% Pb. Извлечение суммы редких земель составляет 65%. Разведанные запасы с месторождений бериллия Калесай оставляют 9245 тыс. т руды и 11701 т оксида бериллия при среднем содержании 0,127% [2].

На территории Кадамжайского сурьмяного комбината (КСК) Кыргызской Республики имеются десятки миллионов тонн промышленных отходов [3]. Ранее были исследованы и определены химический состав техногенных отходов (шлак намагниченный. шлак в виде песка, флотационные хвостовые отходы) [4]. Результаты химического, спектрального, и рентгено-флуоресцентного анализа показали, что в техногенных отходах содержатся очень ценные редкоземельные элементы: иттербий, иттрий, лантан и скандий (Yb, Y, La, SC), а также титан, ванадий, вольфрам, ниобий, индий, германий, галлий, тантал, молибден, стронций, фермий, цирконий, кобальт и др. Определены оксиды элементов для использования в качестве сырья производства портландцемента и строительных материалов: 50%‒60% SIO 2 ; 4%‒5,6% AL 2 O 3 ; 4%‒7% Fe 2 O 3 ; 4%‒17,5% CaО и др. [5]. Извлечение редкоземельных элементов проводились на основании электроактивированной воды с добавлением 50%-ной серной кислоты в количестве 3%‒10% в соотношении Т:Ж=1:1 и температуре 40‒80⁰C [6]. Разработана технология очистки нежелательных примесей редкоземельных элементов из шлака Кадамжайского сурьмяного комбината с применением неорганических и органических реагентов методом осаждения и методом транспортных реакций с конвекцией газов и получение РЗЭ металлотермическим методом [7, 8].

Спрос и цены на редкие металлы и РЗЭ продолжают расти. В будущем это создает дополнительные риски для высокотехнологичных производств КР и поэтому необходимо развивать собственную редкоземельную промышленность, и она обусловлена следующими обстоятельствами: 1) области применения редких металлов активно развиваются; 2) прогнозируется увеличение производства и потребления редкоземельных металлов ввиду роста использования альтернативных источников энергии и высокотехнологичной продукции. В настоящее время, основным источником редкоземельных элементов являются природные руды, которые добываются в некоторых странах в ограниченных количествах. Однако извлечение редкоземельных элементов из промышленных отходов является сложной технологической задачей, которая требует разработки технологии их извлечения. Исследованы процессы извлечения редкоземельных элементов из фосфогипса и куларита (отхода золотодобычи) [9].

Куларитовый концентрат с размером зерен 0,5–1,0 мм имеет состав, % (мас.): 3,4 Si; 0,5 Th; <0,1 U; 60 РЗЭ. РЗЭ представлены фосфатами, в основном цериевой группы. Минерал легко вскрывается растворами серной кислоты, гидроксида натрия или спеканием с карбонатом натрия. Предложена технология разделения РЗЭ, полученных из куларита до концентратов лантана, церия, самарий-европий-гадолиниевого концентрата и неодима. Изучены особенности извлечения РЗЭ из другого типа отходов — фосфогипса, образующегося при сернокислотном вскрытии апатита. Предложена технология переработки

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №6 2025 фосфогипса, Данная технология обеспечивает 100%-ную утилизацию фосфогипса, являющегося комплексным химическим сырьем. Также существуют ряд работ выделения РЗЭ сернокислотной переработкой из апатита и продукта его переработки фосфогипса с последующим контролем [10].

Наибольшую известность получила экстракция РЗМ трибутилфосфатом (ТБФ), который является нейтральным. Процесс применим для нитратных и азотнокислых растворов. Длительное время экстракцию ТБФ также использовали для разделения РЗМ по группам и получения индивидуальных РЗМ [11].

Рентгенофлуоресцентный анализ — это метод элементного анализа, основанный на взаимодействии вещества с высокоэнергетическим рентгеновским излучением, генерируемым рентгеновской трубкой, которое приводит к испусканию веществом вторичного рентгеновского излучения (рентгеновская флуоресценция). При этом атомы каждого химического элемента излучают фотоны со строго определенной энергией, которая фактически не зависит от химического строения вещества [12].

Спектрофотометрия, особенно в варианте производной, использована для определения не слишком низких содержаний РЗЭ в смесях других РЗЭ в работе «Derivative spectrophotometry — recent applications and directions of developments» [13].

Экспериментальная часть

Метод измерений содержания РЗЭ основан на регистрации и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый образец бурого угля южного района Кыргызстана рентгеновским излучением. При облучении образца возникает возбуждение и характеристическое флуоресцентное излучение атомов, при этом каждый атом испускает фотон с энергией строго определённого значения. После возбуждения спектр регистрируется на детекторе, и далее по пикам полученного спектра можно определить, какие химические элементы присутствуют в данном образце.

Химический состав бурого угля южного района Кыргызстана исследован рентгенофлуоресцентным методом на основе методики XRF-, измерительным аппаратом LANTA olympus. Полученные данные представлены в Таблице 2.

Таблица 2

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БУРЫХ УГЛЕЙ ЮЖНОГО РАЙОНА КЫРГЫЗСТАНА, %

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №6 2025

Для определения количественного содержания, спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами, полученными при облучении стандартных образцов (библиотеки спектров). В настоящее время РФА (XRF) позволяет определять концентрации химических элементов от бериллия (Be) до урана (U) в твердых, жидких и порошкообразных пробах различного происхождения. Рентгенофлуоресцентный анализ — высокоточный, быстрый и неразрушающий метод, с низкими пределами обнаружения (0.1‒10 ppm) и высокой воспроизводимостью результатов. К достоинствам РФА можно также отнести простую и быструю пробоподготовку, а также то, что любую пробу можно анализировать практически любое число раз. Одними из лучших портативных анализаторов (спектрометров) на основе РФА по праву являются XRF-анализаторы.