Поведение фосфата церия (III) в карбонатно-щелочной среде

Т. Е. Литвинова; С. А. Герасёв

Научная статья

Геология

Поведение фосфата церия (III) в карбонатно-щелочной среде

Авторы:

Т. Е. Литвинова¹

С. А. Герасёв²

Об авторах

1 — д-р техн. наук Профессор Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II ▪ Orcid
2 — Аспирант Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II ▪ Orcid

Дата отправки:

2024-03-22

Дата принятия:

2024-09-24

Дата публикации онлайн:

2024-11-18

Аннотация

Статья посвящена изучению поведения редкоземельных металлов в карбонатно-щелочных системах. Представлены результаты экспериментальных исследований в области извлечения редкоземельных элементов из фосфогипса – крупнотоннажного промышленного отхода, который образуется при производстве фосфорной кислоты. Методом выщелачивания в жидкую фазу удалось суммарно извлечь более 53 % редкоземельных элементов из старого и более 69 % из свежего фосфогипса за счет обработки твердой фазы раствором карбоната калия концентрацией 4 моль/л при температуре 90 °С. Охарактеризовано поведение модельного фосфата церия (III) в карбонатно-щелочной среде: получена изотерма растворимости, а также зависимости степени извлечения церия в раствор от температуры, концентрации карбонат-иона, межфазного отношения, интенсивности перемешивания и pH. Установлена возможность растворимых комплексов редкоземельных элементов выпадать со временем в осадок, что подтверждено на примере церия и неодима. В течение 240 ч после окончания эксперимента из жидкой фазы удалось осадить примерно 25 % церия и 17 % неодима. Подобное свойство было замечено у представителей легкой группы и не зафиксировано у элементов тяжелой группы. Способность к самоосаждению в будущем может послужить основой для разработки альтернативного подхода к разделению редкоземельных металлов на группы после извлечения в среде карбонат-иона. Также на основе анализа полученных экспериментальных данных охарактеризован механизм растворения фосфата церия (III) в карбонатно-щелочной среде. Выдвинуто предположение о том, что фосфаты редкоземельных металлов растворяются последовательно, переходя в нерастворимый карбонат, а затем в растворимый карбонатный комплекс.

Ключевые слова:

редкоземельные металлы лантаноиды церий карбонатное выщелачивание фосфогипс комплексообразование осаждение

Литература

Tominc S., Ducman V., Wisniewski W. et al. Recovery of Phosphorus and Metals from the Ash of Sewage Sludge, Municipal Solid Waste, or Wood Biomass: A Review and Proposals for Further Use // Materials. 2023. Vol. 16. Iss. 21. № 6948. DOI: 10.3390/ma16216948
Saidakhmetov P., Piyanzina I., Faskhutdinova A. et al. Ab Initio Magnetic Properties Simulation of Nanoparticles Based on Rare Earth Trifluorides REF3 (RE = Tb, Dy, Ho) // Crystals. 2023. Vol. 13. Iss. 10. № 1487. DOI: 10.3390/cryst13101487
Ormerod J., Karati A., Baghel A.P.S. et al. Sourcing, Refining and Recycling of Rare-Earth Magnets // Sustainability. 2023. Vol. 15. Iss. 20. № 14901. DOI: 10.3390/su152014901
Pathapati S.V.S.H., Free M.L., Sarswat P.K. A Comparative Study on Recent Developments for Individual Rare Earth Elements Separation // Processes. 2023. Vol. 11. Iss. 7. № 2070. DOI: 10.3390/pr11072070
Yunping Ji, Ming-Xing Zhang, Huiping Ren. Roles of Lanthanum and Cerium in Grain Refinement of Steels during Solidi-fication // Metals. 2018. Vol. 8. Iss. 11. № 884. DOI: 10.3390/met8110884
Dzhevaga N., Lobacheva O. Reduction in Technogenic Burden on the Environment by Flotation Recovery of Rare Earth Elements from Diluted Industrial Solutions // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Iss. 16. № 7452. DOI: 10.3390/app11167452
Petrova T.A., Rudzisha E., Alekseenko A.V. et al. Rehabilitation of Disturbed Lands with Industrial Wastewater Sludge // Minerals. 2022. Vol. 12. Iss. 3. № 376. DOI: 10.3390/min12030376
Chernysh Y., Yakhnenko O., Chubur V., Roubík H. Phosphogypsum Recycling: A Review of Environmental Issues, Current Trends, and Prospects // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Iss. 4. № 1575. DOI: 10.3390/app11041575
Mukaba J.-L., Eze C.P., Pereao O., Petrik L.F. Rare Earths’ Recovery from Phosphogypsum: An Overview on Direct and Indirect Leaching Techniques // Minerals. 2021. Vol. 11. Iss. 10. № 1051. DOI: 10.3390/min11101051
Xiaosheng Yang, Makkonen H.T., Pakkanen L. Rare Earth Occurrences in Streams of Processing a Phosphate Ore // Minerals. 2019. Vol. 9. Iss. 5. № 262. DOI: 10.3390/min9050262
Cheremisina O., Ponomareva M., Sergeev V. et al. Extraction of Rare Earth Metals by Solid-Phase Extractants from Phosphoric Acid Solution // Metals. 2021. Vol. 11. Iss. 6. № 991. DOI: 10.3390/met11060991
Митрофанова Г.В., Черноусенко Е.В., Компанченко А.А., Калугин А.И. Особенности действия реагента-собирателя из класса алкиловых эфиров фосфорной кислоты при флотации апатит-нефелиновых руд // Записки Горного института. 2024. Т. 268. С. 637-645.
Bin Xu, Aodong Gao, Zhouxiang Chen et al. Mechanical Properties and Optimal Mix Design of Phosphogypsum Cement Mineral Admixture Foam Light Soil // Coatings. 2023. Vol. 13. Iss. 11. № 1861. DOI: 10.3390/coatings13111861
Kaczorowska M.A. The Latest Achievements of Liquid Membranes for Rare Earth Elements Recovery from Aqueous Solutions – A Mini Review // Membranes. 2023. Vol. 13. Iss. 10. № 839. DOI: 10.3390/membranes13100839
Lobacheva O.L. Ion Flotation of Ytterbium Water-Salt Systems – An Innovative Aspect of the Modern Industry // Water. 2021. Vol. 13. Iss. 24. № 3493. DOI: 10.3390/w13243493
Brückner L., Elwert T., Schirmer T. Extraction of Rare Earth Elements from Phospho-Gypsum: Concentrate Digestion, Leaching, and Purification // Metals. 2020. Vol. 10. Iss. 1. № 131. DOI: 10.3390/met10010131
Lütke S.F., Oliveira M.L.S., Waechter S.R. et al. Leaching of rare earth elements from phosphogypsum // Chemosphere. 2022. Vol. 301. № 134661. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.134661
Virolainen S., Repo E., Sainio T. Recovering rare earth elements from phosphogypsum using a resin-in-leach process: Se-lection of resin, leaching agent, and eluent // Hydrometallurgy. 2019. Vol. 189. № 105125. DOI: 10.1016/j.hydromet.2019.105125
Соколов И.В., Антипин Ю.Г., Рожков А.А., Соломеин Ю.М. Экогеотехнология добычи бедных руд с созданием условий для попутной утилизации отходов горного производства // Записки Горного института. 2023. Т. 260. С. 289-296. DOI: 10.31897/PMI.2023.21
Пашкевич М.А., Алексеенко А.В., Нуреев Р.Р. Формирование экологического ущерба при складировании суль-фидсодержащих отходов обогащения полезных ископаемых // Записки Горного института. 2023. Т. 260. С. 155-167. DOI: 10.31897/PMI.2023.32
Ochiai A., Utsunomiya S. Crystal Chemistry and Stability of Hydrated Rare-Earth Phosphates Formed at Room Tempera-ture // Minerals. 2017. Vol. 7. Iss. 5. № 84. DOI: 10.3390/min7050084
Castro L., Blázquez M.L., González F., Muñoz J.A. Bioleaching of Phosphate Minerals Using Aspergillus niger: Recovery of Copper and Rare Earth Elements // Metals. 2020. Vol. 10. Iss. 7. № 978. DOI: 10.3390/met10070978
Srivastava S., Pandey N.K. Low-Cost Hydrothermally Synthesized Multifunctional Rare Earth Metal Yttrium Cerium Oxide // Materials Proceedings. 2023. Vol. 14. Iss. 1. № 26. DOI: 10.3390/IOCN2023-14542
Луцкий Д.С., Игнатович А.С. Исследование гидрометаллургического извлечения меди и рения при переработке медных некондиционных концентратов // Записки Горного института. 2021. Т. 251. С. 723-729. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.11
Ferri D., Grenthe I., Hietanen S. et al. Studies on Metal Carbonate Equilibria. 5. The Cerium(III) Carbonate Complexes in Aqueous Perchlorate Media // Acta Chemica Scandinavica. 1983. Vol. 37a. P. 359-365. DOI: 10.3891/acta.chem.scand.37a-0359
Yu-Ran Luo, Byrne R. Carbonate complexation of yttrium and the rare earth elements in natural waters // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2004. Vol. 68. Iss. 4. P. 691-699. DOI: 10.1016/S0016-7037(03)00495-2
Lee J.H., Byrne R.H. Complexation of trivalent rare earth elements (Ce, Eu, Gd, Tb, Yb) by carbonate ions // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1993. Vol. 57. Iss. 2. P. 295-302. DOI: 10.1016/0016-7037(93)90432-V
Wood S.A. The aqueous geochemistry of the rare-earth elements and yttrium: 1. Review of available low-temperature data for inorganic complexes and the inorganic REE speciation of natural waters // Chemical Geology. 1990. Vol. 82. P. 159-186. DOI: 10.1016/0009-2541(90)90080-Q
Pyagai I., Zubkova O., Babykin R. et al. Influence of Impurities on the Process of Obtaining Calcium Carbonate during the Processing of Phosphogypsum // Materials. 2022. Vol. 15. Iss. 12. № 4335. DOI: 10.3390/ma15124335
Chan-Ung Kang, Sang-Woo Ji, Hwanju Jo. Recycling of Industrial Waste Gypsum Using Mineral Carbonation // Sustainability. 2022. Vol. 14. Iss. 8. № 4436. DOI: 10.3390/su14084436
Cheremisina O., Sergeev V., Ponomareva M. et al. Kinetics Study of Solvent and Solid-Phase Extraction of Rare Earth Metals with Di-2-Ethylhexylphosphoric Acid // Metals. 2020. Vol. 10. Iss. 5. № 687. DOI: 10.3390/met10050687
Amirshahi S., Jorjani E. Preliminary Flowsheet Development for Mixed Rare Earth Elements Production from Apatite Leaching Aqueous Solution Using Biosorption and Precipitation // Minerals. 2023. Vol. 13. Iss. 7. № 909. DOI: 10.3390/min13070909
Chuting Zhang, Chaoyang Chen, Zhibin Li, Andy H. Shen. Chemical Composition and Spectroscopic Characteristics of Alexandrite Effect Apatite from the Akzhailyau Mountains of Kazakhstan // Minerals. 2023. Vol. 13. Iss. 9. № 1139. DOI: 10.3390/min13091139
Biying Lai, Bo Xu, Yi Zhao. U–Pb Dating, Gemology, and Chemical Composition of Apatite from Dara-e-Pech, Afghani-stan // Crystals. 2024. Vol. 14. Iss. 1. № 34. DOI: 10.3390/cryst14010034
Litvinova T., Kashurin R., Zhadovskiy I., Gerasev S. The Kinetic Aspects of the Dissolution of Slightly Soluble Lanthanoid Carbonates // Metals. 2021. Vol. 11. № 1793. DOI: 10.3390/met11111793
Lee J.H., Byrne R.H. Examination of comparative rare earth element complexation behavior using linear free-energy relationships // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1992. Vol. 56. Iss. 3. P. 1127-1137. DOI: 10.1016/0016-7037(92)90050-S

Поведение фосфата церия (III) в карбонатно-щелочной среде

Аннотация

Литература

Похожие статьи