Журналисты и пользователи соцсетей активно обсуждают редкоземельные элементы, пытаясь разобраться, что это такое, чем редкоземельные элементы отличаются от редких металлов, где их добывают и как применяют. На большинство вопросов вы легко сможете ответить, прочитав вышедший недавно пятый том второго издания «Энциклопедии технологий». О его выходе сообщили в Минобранауки России.
Первое издание коллективной монографии «Энциклопедия технологий» увидело свет в 2019 году. Подготовил его Научно-исследовательский институт «Центр экологической промышленной политики» для изучения процесса возникновения и становления разных отраслей промышленности. Три части рассматривали, как развивались технологии добычи полезных ископаемых, обрабатывающих производств, переработки вторичных ресурсов. Главным редактором выступил директор НИИ ЦЭПП, руководитель Российского Бюро наилучших доступных технологий, доктор экономических наук Дмитрий Скобелев. Авторы статей — большие специалисты в рассматриваемых областях — описали основные циклы развития отраслей и технологий и причины смены этапов этого развития, определили ключевые показатели ресурсной эффективности.
Несмотря на вполне определённое предназначение (издавалась «Энциклопедия технологий» в рамках федерального проекта «Внедрение наилучших доступных технологий» и была предназначена в первую очередь для руководства предприятий и других людей, занятых модернизацией производства), благодаря очень чёткой структуре и «порционированию» собранной в ней информации книга оказалась понятной и интересной широкому кругу читателей.
Такой подход к сбору, анализу и подаче информации сохранился и во второй, значительно дополненной и пересмотренной версии «Энциклопедии технологий» — она по-прежнему выходит под редакцией Дмитрия Скобелева. Эта версия рассматривает жизненный цикл продукции, оценивает эффективность различных производственных процессов, описывает участвующие в них химические вещества. На сегодня вышло пять томов «Энциклопедии технологий 2.0»: «Лёгкая промышленность», «Химический комплекс», «Производство металлов», «Производство неметаллов», «Технологии водоснабжения и водоотведения» и «Редкоземельные элементы» (к слову, каждый из них можно совершенно свободно прочитать в электронном виде).
Над томом «Редкоземельные элементы» работали кандидат химических наук Юлиана Бурвикова и кандидат технических наук Кирилл Щелчков (Центр экологической промышленной политики), доктор технических наук Александр Чуб (Соликамский магниевый завод) и два учёных из Кольского научного центра Российской академии наук: директор Института проблем промышленной экологии Севера доктор технических наук Дмитрий Макаров и главный научный сотрудник, научный руководитель ИППЭС, советник генерального директора КНЦ РАН доктор технических наук Владимир Маслобоев. Предисловие к тому написал генеральный директор КНЦ РАН академик РАН Сергей Кривовичев.
«Том рассчитан на широкий круг читателей, интересующихся вопросами эволюции и развития редкоземельной отрасли промышленности, а также отдельных технологических процессов, повышением ресурсной и энергетической эффективности производства, — подчеркнул Сергей Владимирович. — Информация о редкоземельных элементах, собранная, проанализированная и обобщенная в данном томе энциклопедии, будет интересна и познавательна не только для специалистов, студентов профильных высших и средних специальных учебных заведений, но и для всех, кто интересуется тем, как современные технологии на наших глазах преобразуют мир».
Действительно, несмотря на сложность темы и сравнительную её новизну (все-таки одежду или посуду люди производят не одну тысячу лет, а первые ирригационные системы насчитывают десять тысяч лет), описана она очень ясным языком и подана логично и последовательно.
Начинается книга с краткого введения в предмет. Читатель выясняет, что к редкоземельным относятся только 17 химических элементов: это скандий, иттрий и 15 лантаноиды (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций), на какие подсемейства по химическим свойствам и нахождению в природе они разделяются, в чем заключается их перспективность для производства, с одной стороны, и сложность в применении — с другой.
Например, иттрий плавится и кипит при очень высоких температурах, по упругости сопоставим с алюминием и магнием, а по прочности может быть сравним с титаном, при этом является сравнительно лёгким металлом и почти не тормозит цепную реакцию, будучи применён в конструкции атомного реактора. Сейчас из него изготавливают трубопроводы для расплавленного урана или плутония, из сплавов с бериллием — отражатели и замедлители нейтронов, работающие в атомных реакторах при температуре более 1100 °C. Иттрий-алюминиевые сплавы по прочности почти не уступают стали, оставаясь при этом намного легче, поэтому весьма вероятен его успех и в авиапромышленности. Однако сложность технологических процессов и высокая стоимость его извлечения не дают пока полностью раскрыть весь его потенциал.
Авторы объясняют, какие задачи нужно решить для оценки будущей эффективности применения редкоземельных элементов, и представляют жизненный цикл их производства от добычи до утилизации и вторичного производства.
Отдельная глава посвящена истории зарождения отрасли, начавшейся с деревни Итрербю в Швеции: здесь в конце восемнадцатого века был обнаружен необычный минерал, ставший отправной точкой для открытия массы новых химических элементов. Большую роль в выделении этих элементов сыграли не только практические опыты, но и Периодический закон, выведенный Дмитрием Менделеевым. На его основе некоторые ячейки в таблице были оставлены под еще не открытые элементы, атомный вес и свойства которых великий химик вывел, исходя из строения атома. Так, предложенный Дмитрием Ивановичем экабор в 1879 году был действительно обнаружен в природе. Ларс Фредерик Нильсен назвал его скандием — и вес, и свойства нового элемента в точности совпали с предсказанными. Последний в числе редкоземельных элементов — прометий — был обнаружен в продуктах ядерного распада. В природе он не встречается, но своё место в Периодической таблице Менделеева занял.
Для каждого элемента описаны не только история открытия, основные минералы и свойства, но и перспективные сферы применения, а также непростые процессы его получения. Очень помогает пониманию материала то, что авторы не стесняются использовать хлёсткие, почти журнальные подзаголовки и яркие сравнения и показывать эмоциональное отношение к предмету.
Намного суше, но не менее интересна глава, посвящённая современному состоянию отрасли в России и в мире. Сейчас лидером как в производстве, так и в поставках на мировой рынок однозначно является Китай. Только он поставляет все виды редкоземельной продукции от сырья до готовых продуктов. Растущее напряжение провоцирует поиск новых месторождений редкоземельных элементов, попытки начать разработку запасов, что пока ещё считаются нерентабельными. Россия по прогнозным запасам находится на пятом месте в мире, однако этот потенциал реализуется очень слабо: разрабатывается лишь одно месторождение, а концентрат, выработанный из руды, идёт на экспорт. Для избавления от импортозависимости нужно создать отрасль практически с нуля.
Все существующие месторождения редкоземельных элементов комплексные, и редкозёмы выступают, как правило, в виде попутных компонентов. Большая их часть, 46,3 %, сосредоточена в Мурманской области (чуть меньше половины из них — в апатит-нефелиновых рудах Хибин), 44,2 % содержатся в объектах Сибири и Дальнего Востока. Еще 3,6 % запасов России связаны с Республикой Коми, оставшиеся 0,1 % содержатся в мелком Шаргадыкском месторождении редкоземельно-фосфор-урановых руд в Республике Калмыкия. Извлекать редкоземельные элементы из пород всех этих месторождений очень сложно — это связано и со сложным химическим составом, и с непростыми структурными свойствами. Большинство российских руд радиоактивны, и для их переработки требуются непростые технологические решения.
Узнать, как же может развиваться отрасль в России, какие для этого необходимы шаги, читатель сможет из главы «Перспективы производства редкоземельных элементов и их соединений в России». В ней детально изложены принципиальные схемы переработки различных руд, указаны шаги, которые требуются для уточнения запасов редкозёмов и технологий обогащения. Авторы считают, что проблему редких земель можно решить, организовав их извлечение хибинских апатитовых концентратов (тем более что технологии такого извлечения уже давно известны учёным Кольского научного центра, они легли в основу производства в разных странах, но более низкая стоимость редкоземельных элементов из Китая привела к закрытию таких производств). Не следует забывать, что в России редкоземельные элементы тесно связаны с ниобием и танталом, поэтому добыча и производство этих полезных ископаемых должны планироваться и осуществляться только в комплексе.
Четвёртый раздел книги посвящён технологиям переработки конкретного редкоземельного сырья: лопарита, монацита, бастенезита, выделению редкоземельных элементов при производстве апатита. Несмотря на высокую стоимость многих процессов, упуская их, производители в перспективе теряют намного больше средств и отдаляют достижение Россией технологической независимости в этой отрасли.
Следующие четыре раздела обязывают читателя обладать некоторым специфическим интеллектуальным. «Общие вопросы экстракционных методов» и «Разделение редкоземельных элементов жидкостной экстракцией» будут более понятны тем, кто знаком с химией, а для усвоения «Методов разделения редкоземельных элементов в концепции наилучших доступных технологий» и «Эксергетического подхода к анализу технологий переработки редкоземельных элементов» понадобятся также знания в области экологии и экономики.
Финальные разделы, посвящённые применению редкоземельных элементов и их соединений, а также их извлечению из вторичных ресурсов, специальных знаний уже не требуют. Вы узнаете, как, несмотря на сложность получения и стоимость, редкоземельные элементы уже прочно вошли в медицину и чёрную металлургию, как они обогатили электронно-вычислительную и осветительную технику, и ознакомитесь с основными методами вторичной переработки электронного лома, постоянных магнитов, флуоресцентных ламп и других отходов.
Для тех, кому важна концепция наилучших доступных технологий, а также читателей, интересующихся химией, будет полезен справочный материал, замыкающий книгу: сведения о химических веществах, присутствующих на технологических этапах производства редкоземельных элементов.