Технология предусматривает утилизацию экологически небезопасных отвалов фосфогипса с получением ценных продуктов для химико-металлургической отрасли и сельского хозяйства с попутным выделением редкоземельных металлов (РЗМ).
Последние, как известно, оказались сегодня на острие политической повестки - президент США Дональд Трамп обозначил доступ к этим ресурсам в качестве важнейшего интереса своей страны на Украине. РЗМ незаменимы, например, при производстве ряда компонентов электронных устройств, в металлических сплавах. Академик Александр Ферсман назвал их «витаминами промышленности». Основным производителем РЗМ является Китай. На его долю приходится 70% мирового производства.
Вопреки названию залежи редкоземельных металлов распространены довольно широко. Проблема в том, что все территориально доступные природные месторождения содержат не более 2% элементов этой группы. Экономически оправданной может быть их добыча только в качестве побочного продукта. Перспективно, в частности, получение РЗМ в комплексе с фосфорной кислотой из апатитовых концентратов.
При наиболее распространённом дигидратном способе сернокислотной переработки апатитового сырья в фосфорнокислом растворе остаётся около 15% РЗМ. Остальное попадает в отвалы фосфогипса. Они относятся к четвертому классу экологической опасности. За такую утилизацию государство взимает немалую плату, поскольку объемы фосфогипса в отвалах весьма велики. Достаточно сказать, что на 1 тонну получаемой фосфорной кислоты приходится 4-5 тонн этого побочного продукта, который сегодня практически нигде не используется. Например, строительным стандартам соответствует только фосфогипс в высокой степени очистки. А это неоправданно дорогостоящий процесс.
Исследователи кафедры общей и физической химии Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II с использованием лабораторного потенциала вузовского научного центра «Проблем переработки минеральных и техногенных ресурсов» доказали эффективность утилизации любых отвалов фосфогипса методом карбонатной конверсии.
«Речь идет об обработке фосфогипса раствором карбоната аммония. Основными продуктами конверсии являются мел (карбонат кальция) и сульфат аммония. Мел пригоден для использования на предприятиях металлургии, химической и строительной отраслях. Сульфат аммония – комплексное минеральное удобрение.
При температуре конверсии около 100 градусов по Цельсию в карбонатный раствор полностью переходят все редкоземельные металлы. Их выделяют из раствора дробной кристаллизацией или с использованием ионообменных смол, получая индивидуальные редкоземельные элементы, которые являются самостоятельной продукцией» - рассказала автор разработки, профессор кафедры общей и физической химии Татьяна Литвинова.
В ходе лабораторных экспериментов ученые Горного университета получили новые данные о кинетике и термодинамике экстракции РЗМ и их формах существования в кислых фосфатно-сульфатных средах, поведении составляющих фосфогипса в ходе карбонатной конверсии.
Альтернативные исследования в области поиска эффективного получения РЗМ из фосфогипса проводятся в ряде университетов и корпоративных научных лабораториях в России и за рубежом. Как правило, речь идет о выщелачивании с помощью серной кислоты. У такого способа два существенных недостатка: он весьма затратный и получение РЗМ здесь не сопровождается утилизацией техногенных отходов.
Разработка ученых Горного лишена этих недостатков. Авторские права на нее подтверждены патентами. Дальнейшие исследования будут проходить в области выделения отдельных редкоземельных элементов из раствора. В этом отношении активно развивается сотрудничество с коллегами из нескольких китайских университетов.
Экономический эффект разработки при внедрении на предприятиях переработки апатитового сырья складывается из дохода от реализации конечных продуктов переработки (РЗМ, мела и сульфата аммония) и сокращения площадей отвалов фосфогипса и, соответственно, снижения экологической платы. Акцент на попутное извлечение РЗМ делает предлагаемый способ не зависящим от состава исходного природного сырья. Выделение РЗМ не требует специально подготовленного персонала и позволяет при необходимости отделить лантаноиды от элементов уран-ториевого ряда.
Разработкой уже заинтересовались, например, такие предприятия, как «ФОСАГРО» и «АКРОН». Она может быть успешно использована и за пределами России. Например, в странах североафриканского региона, где отвалы фосфогипса уже создают серьезную угрозу не только вследствие загрязнения прилегающих территорий, но и по части изменения климата и ущерба для курортного бизнеса.