Ученые Кольского научного центра выделили тантал из никогда ранее не использовавшегося для этого минерала

Три с лишним миллиона лет длился каменный век, когда основным материалом для производства всего, чем оперирует человек, был камень. Но стоило человечеству освоить металлы, эпохи стали сменяться все быстрее и быстрее. Первым использованным в цивилизации металлом была медь, затем бронза – сплав меди с оловом, а затем люди научились добывать и перерабатывать железо. Официально железный век закончился около двух тысяч лет назад, однако шире всего сплавы на основе железа стали использоваться в конце XIX века.

А с началом века двадцатого все так и замелькало перед глазами. Алюминий, никель, титан, снова медь, платина… Количество металлов, необходимых для производства, все увеличивается, а технологии их получения не успевают за потребностями. К концу второго десятилетия XXI века люди пришли к «металлическому голоду». Почему?

Конечно же, главная причина состоит именно в количестве и разнообразии требующихся человечеству металлов. Так, для создания современного самолета нужно около 80 различных металлов, хотя еще сорок лет назад это число ограничивалось двадцатью.

Вторая причина вытекает из первой. В производстве используются все более редкие металлы, содержание которых в земной коре не так уж велико. Высокие технологии требуют висмута и кобальта, галлия и германия, иридия и палладия. Почти все эти элементы не встречаются в «легкоусваиваемом» виде, а образуют сложные, труднодобываемые и труднообогатимые минералы.

Тантал – один из таких «сложных» элементов. Этот металл входит в состав многих важных сплавов, применяется в атомной энергетике и химической промышленности, а также в качестве компонентов функциональных материалов для оптики, электроники и электротехники.

Основные мировые запасы тантал-ниобиевых руд расположены в Африке и Америке. Поскольку в верхней континентальной коре его всего 2,2×10–6%, а потребность в нем очень велика, тантал относят к категории стратегических материалов. Сейчас из сотни танталовых и танталосодержащих минералов только 20 используются для промышленного производства тантала.

На территории России разведано и оценено несколько очень разных по масштабам, содержанию и составу месторождений тантала. Поскольку мировые цены на этот металл высоки, разработка даже небольшого месторождения с достаточно высоким качеством руды может быть прибыльной.

Ученые Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева Кольского научного центра разработали схему переработки минерала, ранее не использовавшегося для получения тантала. Статья об этом опубликована в Journal of Central South University of Technology.

В центральной части Кольского полуострова расположено крупнейшее в мире месторождение амазонита Плоская гора с проявлением богатой редкоземельной минерализации. Сейчас амазонит здесь не добывают. Свободные от амазонита блоки месторождения содержат минералы тантала и ниобия. Один из них – это плюмбомикролит Pb1.8(Ta, Nb)2O6(F, OH). Наряду с целевыми компонентами – танталом и ниобием – он содержит большое количество свинца и небольшое количество кальция. Вмещающие плюмбомикролит породы насыщены радиоактивными элементами, поэтому при переработке такого сырья необходимо тщательно удалить опасные примеси.

Наиболее перспективный способ комплексной переработки редкометального сырья – это гидрометаллургия. С ее помощью можно добиться высокой степени извлечения полезных элементов, выбрать металлы со схожими свойствами, снизить энергозатраты и загрязнение окружающей среды опасными отходами. Исходя из химических свойств тантала и ниобия, наиболее целесообразным способом ученые приняли разложение плюмбомикролита смесью серной или азотной кислоты с плавиковой кислотой.

Для получения соединений тантала и ниобия высокой чистоты лучше всего применять экстракцию. Это гибкий (практически все элементы могут быть извлечены практически во всех концентрациях), эффективный (с точки зрения экстракционной способности и степени разделения многокомпонентных смесей) и простой (легко проводить эксперименты) способ.

Выбор промышленного экстрагента определяется компромиссом между многочисленными, часто противоречащими друг другу требованиями. Наиболее важными среди них являются способность экстракции, реакционная способность, селективность, межфазное натяжение, плотность, токсичность и стоимость. Эксперименты и расчеты показали, что лучшим экстрагентом для поставленной задачи станет октанол-1.

Ученые предложили две схемы выщелачивания плюмбомикролитового концентрата: смесью плавиковой и серной, а также плавиковой и азотной кислот. Они определили оптимальные условия, обеспечивающие высокое (до 99 процентов) извлечение тантала и ниобия в раствор, а радионуклидов – в нерастворимый остаток. Найденные условия экстракции позволили получить раствор тантала высокой чистоты для всех стадий производства.

Для того, чтобы начать применение найденного апатитскими исследователями способа переработки плюмб омикролита, осталось определить, какая из двух схем обработки концентрата окажется наиболее рентабельной. Следует отметить, что рентабельность извлечения тантала существенно повысится, если параллельно с ней возобновить добычу амазонита.