روش آماده سازی زمین کمیاب - تصفیه

تمام 16 عنصر خاکی نادر به جز Pm را می توان به 6N (99.9999٪) خلوص تصفیه. جدا کردن و استخراج عناصر خاکی کمیاب خالص از ترکیبات مختلط خاکی کمیاب که پس از تجزیه کنسانتره های خاکی نادر به دست آمده اند، در فرایند شیمیایی نسبتاً پیچیده و دشوار است. دو دلیل اصلی وجود دارد. ابتدا خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر لانتانید بسیار شبیه به هم هستند و بیشتر یون های خاکی کمیاب بین دو عنصر مجاور شعاع دارند که بسیار شبیه هم هستند و در محلول های آبی وضعیت های سه گانه پایدار هستند. یونه های خاکی کمیاب قرابت بالایی با آب دارند و چون توسط هیدرات ها محافظت می شوند، خواص شیمیایی آن ها بسیار مشابه است، بنابراین جداسازی و تصفیه به شدت دشوار است. دوم این که ترکیبات ترکیبی خاکی کمیاب که پس از تجزیه کنسانتره های خاکی کمیاب به دست آمده اند، عناصر ناسوری همراه زیادی دارند (مانند اورانیوم، توریوم، نیوبیوم، تانتالوم، تیتانیوم، زیرکونیوم، آهن، کلسیم، سیلیکون، فلوئور، فسفر و غیره). بنابراین در فرایند جداسازی عناصر خاکی کمیاب، نه تنها جداسازی این دوجین عنصر خاکی کمیاب با خواص شیمیایی بسیار مشابه، بلکه باید جدایی بین عناصر خاکی کمیاب و عناصر impurity همراه را نیز در نظر گرفت.

مواد تولید

فلزات خاکی کمیاب عموماً به فلزات خاکی کمیاب مختلط و فلزات خاکی تک کمیاب تقسیم می شوند. ترکیب فلز خاکی کمیاب مخلوط نزدیک به ترکیب اصلی کمیاب زمین در سنگ آهن است و تک فلز فلز جدا شده و تصفیه شده از هر زمین نادر است. اکسیدهای خاکی کمیاب (به جز ساماریوم، یوروپیوم، ایتربیوم و اکسیدهای تولیوم) به دلیل گرمای زیاد تشکیل و پایداری بالا به یک فلز واحد با روش های متالورژی عمومی کاهش می یابد. بنابراین مواد اولیه رایج امروزی برای تولید فلزات خاکی کمیاب، کلریدها و فلوریدهای آن ها هستند.

الکترولیز نمک مذاب

تولید انبوه صنعتی فلزات خاکی کمیاب مختلط عموماً از الکترولیز نمک مذاب استفاده می کند. این روش برای گرم کردن و ذوب ترکیبات خاکی نادر مانند کلریدهای خاکی نادر، و سپس انجام الکترولیز برای بارش فلزات خاکی نادر بر روی کاتد است. دو روش الکترولیز وجود دارد: الکترولیز کلرید و الکترولیز اکسید. روش های آماده سازی فلزات خاکی تک کمیاب از عنصری به عنصر دیگر متفاوت است. ساماریوم، یوروپیوم، ایتربیوم، و تولیوم به دلیل فشار بخار بالا برای آماده سازی الکترولیتی مناسب نیستند و به جای آن از تیستاسیون کاهش استفاده می شود. عناصر دیگر را می توان با الکترولیز یا کاهش متالوترمی آماده کرد.

الکترولیز کلرید رایج ترین روش برای تولید فلزات به ویژه برای فلزات خاکی کمیاب مخلوط با فرایند ساده، هزینه کم و سرمایه گذاری کوچک است، اما بزرگترین نقطه ضعف آزاد سازی گاز کلر است که محیط زیست را آلوده می کند.

الکترولیز اکسید گازهای مضر منتشر نمی کند، اما هزینه کمی بیشتر است. به طور کلی زمین های کمیاب واحد با قیمت تولید بالاتر، مانند نئودیمیوم و پرازئودیمیوم، توسط اکسیدها الکترولیز می شوند.

کاهش خلاء

روش الکترولیز تنها می تواند فلزات خاکی کمیاب درجه صنعتی عمومی را آماده کند. اگر می خواهید فلزاتی با نشات کم و خلوص بالا را آماده کنید، عموماً از کاهش حرارتی خلاء برای آماده سازی آن ها استفاده می شود. به طور کلی اکسیدهای خاکی کمیاب ابتدا به فلوریدهای خاکی کمیاب ساخته می شوند که با کلسیم فلزی در کوره القایی خلاء برای به دست آوردن فلزات خام کاهش می یابد و سپس برای به دست آوردن فلزات خالص تر دوباره ذوب و تقلیل می شوند. این روش می تواند تمام فلزات خاکی کمیاب واحد را تولید کند، اما از ساماریوم، یوروپیوم، ایتربیوم، و تولیوم نمی توان به این ترتیب استفاده کرد. پتانسیل های ردوکس ساماریوم، یوروپیوم، ایتربیوم، تولیوم و کلسیم تنها تا حدودی فلوریدهای خاکی نادر را کاهش می دهند. به طور کلی این فلزات با استفاده از اصل فشار بخار بالا این فلزات و فشار بخار کم فلز لانتانوم تهیه می شوند. اکسیدهای این چهار زمین کمیاب با قراضه های فلزی لانتانوم مخلوط می شوند، و سپس در کوره خلاء کاهش می یابد. مقایسه لانتانوم اکتیو، ساماریوم، یوروپیوم، ایتربیوم، تولیوم توسط لانتانوم به فلز کاهش می یابد و بر روی چگالش جمع آوری می شود که به راحتی از سرباره جدا می شود.