Исследование суммы редкоземельных элементов является ключевым в различных областях, от промышленности до науки. В данной статье рассматривается фотометрическая методика определения суммы редкоземельных элементов в рудах и продуктах их обогащения.

Ключевые слова: сумма редкоземельных элементов, РЗЭ, методы определения суммы редкоземельных элементов.

Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой группу из 17 элементов, включая скандий, иттрий и лантаноиды (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций) [1]. РЗЭ обладают уникальными физико-химическими характеристиками, которые делают их востребованными в самых различных сферах [3], [4]. За последние десятилетия спрос на РЗЭ значительно возрос, что обусловлено их широким использованием в стратегически важных отраслях, таких как «зелёные» технологии, оборонная промышленность, телекоммуникации и аэрокосмическая сфера [7]. Современное развитие низкоуглеродной энергетики и переход к устойчивым источникам энергии также усилили внимание к обеспечению стабильного и экономически выгодного доступа к этим элементам.

В условиях ограниченности доступных природных ресурсов и геополитической концентрации добычи РЗЭ, особое внимание уделяется поиску новых источников сырья, включая вторичное использование отходов электронной промышленности и более эффективное вовлечение низкосортных руд. Это требует повышения точности аналитического контроля на всех стадиях переработки, начиная от предварительного геохимического картирования и заканчивая контролем качества конечной продукции.

Вместе с тем, определение содержания РЗЭ в сложных минеральных матрицах представляет собой серьёзную научно-техническую задачу. Высокая степень химического сродства между лантаноидами, необходимость обнаружения следовых количеств элементов, а также влияние сопутствующих компонентов матрицы обуславливают высокие требования к чувствительности, точности и селективности аналитических методов. В этих условиях особенно важным становится выбор подходящих методик анализа, учитывающих как свойства конкретного образца, так и цели проводимого исследования [5], [6], [7].

Наиболее широкое распространение в количественном анализе РЗЭ получили атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) и масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). Эти методы обеспечивают высокий уровень чувствительности, позволяют проводить мультиэлементный анализ в широком диапазоне концентраций — от массовых долей до следовых количеств, обладают высокой производительностью, но при этом требуют наличия дорогостоящего оборудования. На этом фоне классические химические методы (гравиметрический, титриметрический и спектрофотометрический) не теряют своей актуальности и продолжают использоваться в качестве эталонных методик, а также как инструменты контроля в условиях ограниченного доступа к высокотехнологичному оборудованию.

В данной статье представлены результаты исследования по разработке методики фотометрического определения суммы РЗЭ в рудах и продуктах их обогащения. Методика не требует разделения суммы РЗЭ на отдельные элементы и основана на образовании окрашенных комплексов РЗЭ с арсеназо I почти в нейтральной среде при рН=6–7. В этих же условиях окрашенные комплексы дают следующие элементы: уран, медь, кальций, алюминий, железо III, ванадий (IV), торий цирконий, галлий, индий, палладий (II), поэтому РЗЭ предварительно осаждают в виде оксалатов ацетон-дищавелевой кислотой (рН=0,5–2) в присутствии коллектора хлорида кальция. Торий и цирконий, в случае их присутствия в пробах, связывают в комплексоны с тороном, а после отделяют адсорбцией активированным углём. Кальций маскируют сульфосалициловой кислотой в прочный комплекс. Возможные примеси других элементов учитываются колориметрированием параллельной аликвотной части с добавкой винной кислоты. При этом РЗЭ переводятся в комплексы, и окраску с арсеназо I дают только примеси.

Оптическую плотность раствора измеряли в кювете на 5 см на фотоэлектроколориметре КФК-2 (λ=590 нм). Раствором сравнения служит раствор холостой пробы, проведенный по всему ходу анализа. Результаты анализа проб на содержание суммы РЗЭ, полученные фотометрическим и титриметрическим (в качестве сравнения) методами, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты анализа проб, полученные фотометрическим и титриметрическим методами

На основании представленных данных можно сделать вывод о хорошей сходимости результатов в среднем и высоком диапазоне концентраций.Ввысококонцентрированных пробах оба метода показывают хорошее согласование результатов, однако для низкосортных руд и хвостов предпочтительнее фотометрия из-за её большей чувствительности. Титриметрический метод явно имеет более высокий предел обнаружения, что делает его менее информативным при анализе руд с низким содержанием суммы РЗЭ. В большинстве случаев разница между методами не превышает 0,02–0,03 %, что приемлемо для аналитических работ, особенно при высоких концентрациях, однако при переходе к низким содержаниям разница становится значительной или результаты титриметрии отсутствуют из-за ограничения точности метода в этих условиях.

На основании проведённого исследования можно сделать следующие ключевые выводы: Разработанная фотометрическая методика демонстрирует хорошую сходимость с титриметрическим методом в среднем и высоком диапазоне концентраций, при этом обладая более высокой чувствительностью, возможностью анализа низкосортных руд и хвостов обогащения, меньшей зависимостью от матричных эффектов.

Основные преимущества предложенной методики включают в себя относительную простоту выполнения, доступность оборудования и возможность использования в стандартной химической лаборатории. Перспективы дальнейшего совершенствования методики могут состоять в разработке экспресс-варианта для полевых условий, расширении диапазона определяемых концентраций, а также в создании стандартных образцов для калибровки. Практическая значимость работы подтверждается возможностью внедрения на горно-обогатительных предприятиях, для геологоразведочных работ, перспективой использования при разработке отечественных стандартов анализа.

Таким образом, представленная фотометрическая методика является экономически эффективной альтернативой более дорогостоящим инструментальным методам для оперативного контроля содержания суммы РЗЭ в рудах и продуктах их обогащения, особенно в условиях ограниченного доступа к высокотехнологичному оборудованию. Полученные результаты открывают перспективы для дальнейшей оптимизации метода анализа редкоземельного сырья с учетом особенностей местных месторождений.

Литература:

1. Михайличенко, А. И. Редкоземельные металлы / А. И. Михайличенко, Е. Б. Михлин, Ю. Б. Патрикеев. — М.: Металлургия. — 1987. — 232 c..
2. Zhou, B. Global potential of rare earth resources and rare earth demand from clean technologies / B. Zhou, Z. Li, C. Chen // Minerals. — 2017. — V. 7. — № 11. — P. 203.-207.
3. Lingling Li, Tianhua Zhang, Yanliang Zhou, Xiuyun Wang, Chak-tong Au, Lilong Jiang. Review on catalytic roles of rare earth elements in ammonia synthesis: Development and perspective // Journal of Rare Earths, Т. 40, 1изд., 2022, С. 1–10
4. Huafang Li, Pengyu Wang, Guicai Lin, Jinyan Huang. The role of rare earth elements in biodegradable metals: A review // Acta Biomaterialia, Т. 129, 2021, С. 33–42
5. Поляков Е. Г., Нечаев А. В., Смирнов А. В. Металлургия редкоземельных металлов. — М.: Металлургиздат, 2018. — 732 с.
6. Khan, L. U. Rare Earth Luminescence: Electronic Spectroscopy and Applications Handbook of Materials Characterization / L. U. Khan, Z. U. Khan // Springer. — 2018. — P. 345–404.
7. Kostelnik, T. I. Radioactive Main Group and Rare Earth Metals for Imaging and Therapy / T. I. Kostelnik, C. Orvig // Chemical reviews. — 2018. — V. 119. — № 2. — P. 902–956.