Владислав Шаров:
В лаборатории новых физико-химических проблем я занимался изучением экстракции редкоземельных элементов и тория лигандом ТОДГА (тетраоктилдигликольамид). Эксперименты с этим лигандом ведутся давно, однако, проводя эксперименты со скандием, мы наткнулись на интересный эффект. Мы обнаружили, что при низких температурах происходит экстракция скандия полимеризованными частицами лиганда, а при высоких — чистым мономерным лигандом.
Ранее зависимость экстрактивных комплексов от температуры никто не изучал. Предполагалось, что такие эффекты возможны при низких температурах (от 0 до 10 градусов Цельсия), и тогда они не имеют промышленного значения. Однако мы выяснили, что для тяжелых редкоземельных элементов и скандия, который похож на них по своим свойствам, эти эффекты наблюдаются при температурах от 10 до 25 градусов Цельсия. При этих температурах промышленные процессы ведутся, поэтому необходимо эти эффекты учитывать.
Суть в том, что при низких температуры лиганд ТОДГА образует сольваты: он полимеризуется, т. е. образуются частицы из нескольких молекул ТОДГА. Эти частицы имеют разную экстракционную способность по отношению к скандию и сопутствующим ему редкоземельным элементам. Поскольку процесс образования полимеров энтропийно не выгоден, с повышением температуры они разлагаются с высвобождением низкомолекулярного продукта. Мы увидели, что при разрушении сольватов образуются мономерные органические соединения, т. е. тепловая энергия расходуется на разрушение полимерных частиц, а не на разрушение комплексного органического соединения.
Как правило, при нагревании разрушается комплексное соединение, а металл из органической фазы переходит в водную. Это очень удобно для промышленности: можно органическим веществом экстрагировать металл при низкой температуре, а потом промывкой горячей водой переводить в водную фазу.
Однако так делать не получается, потому что при нагревании сольваты разрушаются, но скандий остается связанным в комплексном органическом соединении.
Скандий — очень нужное сырье. Это прекрасный конструкционный материал. Он прочнее алюминия и термически более устойчив, поэтому он используется в качестве присадок металлов, повышающих прочность. Он востребован в органической химии, например, в качестве катализатора, потому что скандий образует кислоту Льюиса, активную в водной среде, где обычные кислоты Льюиса не работает.
Добыча скандия обходится очень дорого. Он не образует руд, но находится в рассеянном состоянии, поэтому для его извлечения используют селективные процессы, а именно — жидкостную экстракцию. Общемировая годичная добыча скандия не превышает нескольких десятков тонн.
Сейчас перед нами стоит задача более детального изучения обнаруженных эффектов: какие образуются сольваты, как они влияют на термодинамические параметры экстракционных систем, на коэффициенты распределения, на извлечение элементов в целом.
Моя же личная задача — закончить университет и стать полноценным сотрудником лаборатории.
Я хочу поблагодарить моего научного руководителя Костикову Галину Валерьевну, за помощь в подготовке материалов, за ценные замечания по презентации и докладам. В первую очередь презентацию и доклад я показывал ей. А также поблагодарить ее за опыт, приобретенный в лаборатории, и за полученные знания.
Материал подготовлен: Ольга Макарова / пресс-служба ИФХЭ РАН
Публикуется в рамках Дня российского студенчества