Сорбент для обнаружения редкоземельных металлов: разработано в СФУ

О технологии рассказала соавтор работы, доктор химических наук, профессор кафедры физической и неорганической химии СФУ Светлана Леонидовна Дидух-Шадрина.

Это вещество используют для производства стекла, керамики, цемента, производства солнечных батарей и даже в качестве пищевой добавки E551, препятствующей слёживанию и комкованию сыпучих продуктов.

Возрастающий спрос на редкоземельные элементы и стремление России к промышленному суверенитету способствуют разработке собственных источников редких металлов, а также вторичных источников — промышленных отходов, золы от сжигания углей и так далее. Изученные исследователями СФУ сорбенты могут использоваться в лабораториях при анализе сложных образцов, содержащих РЗЭ, когда их прямое инструментальное определение затруднено.

Методики определения низких содержаний редкоземельных элементов в природных объектах сложного состава и продуктах их переработки сейчас востребованы. В углях, почве и золе РЗЭ относительно мало, при этом сопутствующие элементы там содержатся в больших количествах — они мешают проведению анализа. Невозможно осуществить прямое атомно-эмиссионное или масс-спектрометрическое определение редких земель, а значит, чтобы устранить «помехи», нужно выделить и сконцентрировать редкоземельные металлы, например, сорбцией.

Метод сорбционного концентрирования позволяет извлечь малые количества редкоземельных элементов из растворов с помощью сорбента, отделить РЗЭ от сопутствующих элементов (кальция, магния, калия, железа и т.д.), а затем «собрать» редкоземельные металлы с поверхности сорбента с помощью разбавленных водных растворов неорганических кислот. После этого редкоземельные металлы можно определить в данных растворах атомно-спектрометрическими методами.

В Институте цветных металлов СФУ впервые применили сорбенты на основе оксидов кремния — кремнезёмов, химически модифицированных аминофосфоновыми группами с их различной поверхностной концентрацией, чтобы концентрировать и определять редкоземельные металлы в ископаемой древесине и в золе от её сжигания. Чем больше таких групп покрывает кремнезём, тем эффективное отделяются РЗЭ от сопутствующих компонентов.

Проверку разработанный в СФУ метод прошёл на так называемых лигнитах. Это уникальная углефицированная древесина, содержащая от 150 до 500 граммов на тонну РЗЭ в зависимости от места залегания. Однако помимо искомых редкоземельных элементов в этой «доисторической кладовой» содержатся щелочные и щелочноземельные металлы, железо, цинк, никель и др. элементы, которые затрудняют прямое определение РЗЭ атомно-спектроскопическими методами.

Учёные СФУ провели предварительное концентрирование и определение РЗЭ в образцах лигнита и стандартном образце угля с помощью нового сорбента.

По словам учёных, в мире известны аналоги таких сорбентов, но в СФУ впервые изучили, как именно концентрация расположенных на сорбенте аминофосфоновых групп влияет на извлечение редкоземельных элементов. Чем выше концентрация привитых аминофосфоновых групп на сорбенте, тем из более кислых сред можно извлекать редкоземельные элементы — это увеличивает сорбционную ёмкость и селективность (избирательность) сорбентов.

Важными качествами нового сорбента являются простота получения и существенная экономичность. Речь идёт о простом синтезе с использованием коммерчески доступных исходных аминопропилсиликагелей.  Новый сорбент на основе кремнезема извлекает скандий, иттрий, лантан и ещё 14 элементов, находящихся за ним в таблице Менделеева, которые называются лантанидами (за исключением прометия, поскольку он не образует стабильных изотопов). Извлечение редкоземельных элементов из слабокислых и нейтральных водных растворов проводится потому, что именно в этой области наблюдается наибольшая степень извлечения РЗЭ и наименьшее мешающее влияние сопутствующих элементов.

Редкоземельные элементы «смываются» (десорбируются) с поверхности сорбентов разбавленными растворами неорганических кислот, например азотной, в которых определяются различными атомно-спектрометрическими методами анализа.