Rosjanie wymyślili nowatorską metodę wydobycia metali ziem rzadkich. Chiny stracą monopol?

Rosyjscy naukowcy z Syberyjskiego Uniwersytetu Federalnego opracowali nowy typ sorbentu do zbierania rzadkich metali z popiołu i złóż wulkanicznych.

Powstaje na bazie biokrzemionki z łuski ryżowej. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopismach „Analytical Methods” i „Separation Science and Technology”.

Pierwiastki ziem rzadkich lub rzadkie ziemie są szeroko poszukiwane w produkcji nowoczesnej elektroniki, laserów, supermagnesów, samochodów elektrycznych, nadprzewodników, w metalurgii i medycynie. W naturze rzadkie ziemie występują w rozproszeniu w postaci tlenków, co znacznie komplikuje ich wydobycie na skalę przemysłową.

„Największym eksporterem ziem rzadkich w naszych czasach są Chiny, gdzie skoncentrowana jest większość światowych zasobów. Jest oczywiste, że dla rozwoju przemysłu krajowego, w szczególności metalurgicznego i kosmicznego, pożądane jest rozwijanie własnych zasobów” – powiedziała współautorka opracowania Olga Bujko, młodszy pracownik naukowy w Laboratorium Fizykochemii Procesów i Materiałów Metalurgicznych.

Obecnie coraz więcej uwagi poświęca się alternatywnym źródłom pierwiastków ziem rzadkich, z których jednym jest lignit, czyli „niedojrzałe węgle” – produkt pośredni przemiany torfu w węgiel brunatny. Po przeanalizowaniu składu lignitów badacze zidentyfikowali w nich znaczną zawartość germanu i ziem rzadkich i doszli do wniosku, że popiół po spaleniu węgla można z powodzeniem wykorzystać do ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich, którego zawartość w popiele sięga kilku kilogramów na tonę.

Zgodnie z sugestią współautorów badania, pracowników Instytutu Chemii Oddziału Dalekowschodniego Rosyjskiej Akademii Nauk, zrodził się pomysł wykorzystania krzemionki jako sorbentu zagęszczającego metale ziem rzadkich z popiołu, właśnie w tak niezwykłej postaci jak biokrzemionka z łusek ryżowych.

Materiał „ryżowy” nie ustępuje właściwościami zwykłemu tlenkowi krzemu, a jego produkcja rozwiązuje problem odpadów przemysłu spożywczego, który jest bardzo ostry w wielu krajach azjatyckich. Łuska ryżowa zbyt długo się rozkłada i nie można jej spalić, gdyż pył krzemionkowy dostający się do powietrza powoduje choroby układu oddechowego.

Naukowcy opracowali warstwowo zmodyfikowane sorbenty różnych typów do wstępnego zatężania metali ziem rzadkich zarówno z popiołu lignitów, jak i z innego alternatywnego źródła pierwiastków ziem rzadkich – złóż wulkanicznych źródeł gazu i cieczy – fumaroli.

„Przetestowaliśmy sorbenty na dwóch różnych materiałach: popiele węgla brunatnego otrzymywanego z „niedojrzałych” węgli, które są brązowym drewnem kopalnym, oraz osadach fumaroli w pobliżu wulkanu Kudriawyj w grzbiecie Wielkiego Kurylu. Popiół lignitowy to trudne środowisko. Przed oceną zawartości procentowej pierwiastków ziem rzadkich i ich wydobyciem, konieczne jest uzyskanie stężenia pierwiastków ziem rzadkich i oddzielenie ich od towarzyszących składników, takich jak sód, potas, magnez, wapń, bar i inne. Nasze nowe sorbenty doskonale radzą sobie z tym zadaniem” – mówi Olga Bujko.

Sorbent na bazie łuski wygląda jak warstwowy placek: biokrzemionkowa warstwa pokryta jest specjalnym odczynnikiem organicznym – karboksiarsenazo, który tworzy kompleksy z pierwiastkami ziem rzadkich. Odczynnik ten jest „przyklejany” do „ciasta” przy użyciu specjalnego „kleju” z poliamin.

Naukowcy zauważają, że za pomocą biosorbentu udało się osiągnąć stężenie co najmniej 13 pierwiastków ziem rzadkich, w tym lantanu, itru i skandu.

Przy pomocy nowych sorbentów przeanalizowaliśmy lignity, popiół z węgla brunatnego i surowce wulkaniczne. Najbardziej obiecującą matrycą okazał się popiół, ponieważ cała materia organiczna została już usunięta podczas spalania, a metale ziem rzadkich łatwo „wyciągają się” i koncentrują się wokół cząstek sorpcyjnych. Jeśli chodzi o złoża wulkaniczne, to prace sopier rozpoczęto się i będą kontynuowane na nowych modelach – wyjaśniła Olga Bujko.

Naukowcy podkreślają wszechstronność i łatwość użycia powstałego produktu. Sorbent może być stosowany w laboratoriach i każdej produkcji wyposażonej w aparaturę do spektrometrii mas i atomowej spektrometrii emisyjnej.