Главное
- Подробности
- Опубликовано 05.06.2025 13:28
Редкие и редкоземельные металлы: от научных лабораторий до политической арены
В последнее время вопросы использования редких, в том числе редкоземельных металлов приобрели особое звучание и стали темой дискуссий не только в научных лабораториях и на производствах, но также при встречах политических деятелей и даже первых лиц государств.
В отличие от чёрных, цветных и благородных металлов, используемых людьми несколько тысячелетий, давших названия периодам в истории человечества, редкие металлы большей частью были изучены в XX веке и поначалу представлялись исключительными химическими элементами. Возникший термин «редкие металлы» достаточно быстро стал условным понятием и в большей степени отражает историческую традицию, чем малую распространённость в природе. Мировое потребление отдельных редких металлов также неодинаково – от сотен килограммов для рубидия до сотен тысяч тонн для циркония. В настоящее время металлы в эту группу чаще объединяет новизна практического применения в промышленных масштабах.
О редких и редкоземельных металлах мы решили поговорить с учёными Института химии ДВО РАН, для которых работа с ними не редкость, а вполне рутинное занятие.
Синтезировано свыше 300 новых соединений
Заведующий лабораторией химии редких металлов кандидат химических наук Александр 
Евгеньевич Панасенко напомнил, что термин «редкие металлы» появился более 100 лет назад и сейчас он является скорее историческим, чем строго научным. Эти металлы не образуют единой группы элементов по химическим свойствам, их объединяет рассеянность в земной коре, высокая стоимость добычи и уникальные физико-химические характеристики.
Наша справка
Редкоземельные металлы (РЗМ) – это отдельная группа химических элементов, которая включает в себя 17 металлов периодической таблицы: 15 лантаноидов (от лантана до лютеция), а также скандий и иттрий, которые имеют схожие с ними свойства. Название группы восходит к началу XIX века, когда землями называли оксиды или горные породы со сложным составом. Вопреки названию, они распространены в земной коре, но рассеяны и редко встречаются в пригодной для добычи концентрации.
Редкие и особенно редкоземельные металлы играют важнейшую роль в развитии современных технологий. Без них невозможно представить современные смартфоны, компьютеры, электромобили, оборонную промышленность, медицину (например, МРТ), развитие искусственного интеллекта. Именно поэтому добыча и использование таких металлов приобретают стратегическое значение в масштабах целых государств.
Месторождения редких и РЗМ встречаются по всему миру, но распределены неравномерно. Первое место в мире по добыче РЗМ с большим отрывом от остальных стран занимает КНР. Чтобы снизить зависимость от Китая, США планируют найти альтернативные источники.
При этом развитие методов получения и использования редких металлов – весьма наукоёмкий процесс. В связи с низким содержанием в исходном сырье, а также сходством химических свойств, в технологии производства таких металлов большое значение приобретают химические процессы извлечения, разделения и очистки.
В Приморском крае редкие металлы, такие как рубидий, цезий, бериллий, галлий, германий, а также РЗМ встречаются в полиметаллических рудах и углях. Для некоторых месторождений именно наличие редких металлов является определяющим для разработки полезных ископаемых. Например, при их учёте стоимость угля повышается в 4–30 раз.
Лаборатория химии редких металлов ИХ ДВО РАН занимается систематическими исследованиями физико-химических свойств соединений редких металлов. Научное направление лаборатории, изначально связанное с переработкой минерального сырья Дальнего Востока, включает в себя синтез и исследование свойств соединений содержащих литий, рубидий, цезий, галлий, индий, сурьму, уран и других. Под руководством докторов химических наук Рувена Лейзеровича Давидовича и Людмилы Алексеевны Земнуховой в лаборатории было синтезировано свыше 300 новых соединений, преимущественно фторидных и фторсодержащих комплексов.
Исследования, выполняемые в лаборатории, имеют фундаментальный характер и направлены на изучение особенностей кристаллической и электронной структуры соединений, их спектральных характеристик и химических свойств. Практическая значимость выполняемых работ состоит в перспективах использования полученных соединений в радиотехнике, медицине и других областях. Так, для ряда исследованных веществ были обнаружены пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические свойства, что может быть использовано в радиотехнике и для создания устройств хранения информации. Была показана биологическая активность ряда исследованных соединений в отношении опухолевых клеток, бактерий, водорослей и морских животных. Возможными областями практического использования могут стать создание антиопухолевых и бактерицидных препаратов, а также альгицидных и противообрастающих добавок для обработки судов и морских конструкций, защиты природных водных объектов от некоторых видов загрязнения.
Светотрансформирующие плёнки, датчики содержания аммиака и многое другое
Заведующий лабораторией светотрансформирующих материалов доктор химических наук Анатолий Григорьевич Мирочник рассказал, что основным направлением исследовательской деятельности лаборатории является направленный синтез, исследование взаимосвязи молекулярного дизайна, фотоники, люминесцентных, термохромных и фотохимических свойств комплексов лантаноидов и p-элементов, разработка теоретических основ и экспериментальных методов создания новых светотрансформирующих материалов, управляющих фоторегуляторными процессами светособирающих центров природных фотосистем для нужд сельского хозяйства, оптоэлектроники, медицины, экологии, охраны окружающей среды. Отдельный цикл исследований посвящён разработке полифункциональных полимерных композиций для нужд оптической сенсорики, мониторинга окружающей среды, медицины, оптоэлектроники.
Прикладные исследования в лаборатории, продемонстрировавшие впечатляющий результат, начались с разработки под руководством доктора химических наук Владимира Егоровича Карасёва полимерной светотрансформирующей плёнки для теплиц, парников, оранжерей. На базе редкоземельных металлов учёные синтезировали специальные вещества – люминофоры, которые под действием ультрафиолетового излучения создают яркое красное свечение, необходимое для обеспечения процесса фотосинтеза в хлорофилле. Испытания, проведённые в тепличных хозяйствах России и Китайской Народной Республики, показали, что урожайность овощей в парниках увеличилась на 20–50% при замене полиэтиленовой плёнки на светотрансформирующую.
Другой интересной и плодотворной темой стало создание сенсорных материалов для быстрого определения и идентификации вредных газов в атмосфере. Эта задача особенно актуальна для больших городов, а также населённых пунктов, в которых расположены опасные производства. Оказалось, что именно ряд соединений редкоземельных металлов можно использовать для создания датчиков, с помощью которых достоверно фиксируется превышение допустимой концентрации загрязняющих веществ в воздухе.
В лаборатории синтезированы соединения европия, чувствительные к содержанию в воздухе определённых газов. Например, высокотоксичного аммиака, его производных аминов – органических соединений, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы. Контроль их содержания в воздухе важен, в частности, потому что при микробной порче богатых белком пищевых продуктов, как рыба или мясо, они выделяются наряду с другими продуктами распада.
При ряде заболеваний в выдыхаемом воздухе больного возрастает концентрация аммиака, ацетона, аминов. Датчик на основе изобретённого в лаборатории и защищенного патентом флуоресцентного хемосенсора, изменяющего свои физические свойства при хемосорбции молекул аналитов, позволяет надёжно и практически сиюминутно регистрировать присутствие аммиака и/или аминов в окружающей среде.
И это только часть результатов исследований, проводимых в лаборатории светотрансформирующих материалов.
Материалы для телекоммуникационных систем
Заведующий лабораторией оптических материалов, доктор химических наук профессор Владимир Кириллович Гончарук рассказал о выполняемых на протяжении ряда лет работах по синтезу и исследованию свойств активированных ионами эрбия, европия, неодима, иттербия стёкол и получению на их основе прозрачной стеклокерамики. Эти работы выполняются в рамках задач современного оптического материаловедения по созданию новых оптических материалов с особыми свойствами, перспективными для использования в опто-электронных системах. Для создания подобных устройств необходимы материалы, характеризующиеся низкочастотным фононным спектром, благодаря чему уменьшаются потери при излучении. В качестве таких материалов подходят активированные ионами редкоземельных металлов оксифторидные, фторофосфатные стёкла и наностеклокерамика на их основе.
Стеклокерамику обычно получают направленной кристаллизацией при термической обработке стёкол. При этом в стеклянной фазе формируются наноразмерные частицы. Стеклокерамические материалы обладают рядом новых свойств и лишены многих недостатков стеклянных и монокристаллических материалов: они технологичны, характеризуются большой ёмкостью к активирующим добавкам, однородностью свойств, из них можно делать волокна. Активированные ионами РЗМ стёкла и стеклокерамика востребованы в области телекоммуникаций и оптоэлектроники для производства твердотельных лазеров, оптических усилителей, конверторов поляризации и частоты, сцинтилляторов, интегральных соединителей/разветвителей, переключателей, сенсоров, дисплеев.
Эрбий-допированные стёкла – наиболее важные лазерные материалы. Они широко используется в магистральных оптоволоконных линиях для организации связи на большие расстояния. Неодим-активированные стёкла используются в качестве активных элементов лазерных систем, а также для усиления импульсов высокой мощности. Комбинация различных ионов-активаторов РЗЭ и стекольных матриц позволяют осуществлять поиск материалов с заданными спектральными свойствами.
Технологии глубокой переработки сырья имеют государственное значение
По мнению Павла Сергеевича Гордиенко, доктора технических наук, профессора, Заслуженного деятеля науки РФ, главного научного сотрудника, заведующего лабораторией защитных покрытий и морской коррозии Института химии ДВО РАН из многочисленных сообщений мировых СМИ может сложиться впечатление, что интерес к редкоземельным и редким металлам, а также не редкому титану возник неожиданно. А между тем многие отрасли промышленности уже используют сырьё, содержащие перечисленные элементы и материалы на их основе. Они незаменимы в производстве современной высокотехнологичной продукции, особенно в военных, аэрокосмических отраслях производства. Поэтому объяснимо пристальное внимание государственных органов к разработке и усовершенствованию технологий получения как концентратов из соответствующих руд, содержащих РЗМ, так и технологий производства конечных элементов, необходимых для создания сплавов, полупроводников, стёкол, магнитов и других изделий и материалов со специальными свойствами. Получение этой продукции – сложный процесс, нередко сопровождающийся значительным количеством токсичных отходов, а получаемые изделия, содержащие РЗМ, весьма дороги в производстве.
Что касается титана, то, как говорят материаловеды, если бы его производство было дешёвым, то мы были бы свидетелями начала титанового века (не умаляя роль композитов). Этот металл практически не поддаётся коррозии и диссипации в окружающей среде, что позволяет использовать его многократно, практически без потерь, а по распространённости металлов в земной коре он занимает четвёртое место.
Ниже использованы некоторые данные как по РЗМ, так и по редким металлам, изложенные в капитальном труде ведущего научного сотрудника Института горного дела ДВО РАН кандидата геолого-минералогических наук Геннадия Ивановича Архипова «Минеральные ресурсы горнорудной промышленности Дальнего Востока. Стратегическая оценка возможностей освоения» (Хабаровск, ИГД ДВО РАН, 2017 г., 820 с.).
Известно, что в Российской Федерации отсутствуют промышленные технологии переработки и получения РЗМ и редких металлов, а добываемое сырьё экспортируется за рубеж. По мнению экспертов, это связано не с качеством руд, содержащих РЗМ, а с отсутствием в стране цельного комплексного редкоземельного и редкометалльного производства. В СССР такой производственный комплекс был, но после развала государства предприятия комплекса оказались в странах Средней Азии и Прибалтики.
Для успешного промышленного развития РФ ожидаемое потребление РЗМ должно составить не менее 8 тыс. т в год. До 1991 года добывалось до 6 тыс. т, в постперестроечный период объём производства сократился в 2,5–3 раза, а ныне большая часть нужных РЗМ закупается за рубежом.
Получаемые в РФ из сырья концентраты РЗМ экспортируются в основном в Казахстан, Среднюю Азию, Эстонию для получения конечных элементов.
Ресурсы РЗМ в Дальневосточном регионе РФ оцениваются в 5 млн т (142 месторождения), но в настоящее время их освоение не планируется. Общий запас РЗМ, в перерасчёте на оксиды трёхвалентных редкоземельных элементов, оценивается в России в 30 млн т. Одним из освоенных источников сырья РЗМ были в СССР и сейчас в РФ являются комплексные лопаритовые руды Ловозёрского месторождения, расположенного на Кольском полуострове.
Существовавшая до 2020 года программа производства РЗМ была ориентирована на выпуск до 20 тыс. т продукции в год. 12 апреля 2022 года в Совете Федерации был подведён итог выполнения этой программы. Из её анализа следует, что вместо планируемых на 2021 год 20 тыс. т было получено только 2,7 тыс. т, да и то в основном за счёт импорта. О недостаточном внимании к работе по реализации планов в данной отрасли говорят сравнительные данные: в 2021 году доля России в мировом производстве РЗМ составила всего 1%, в то время как доля СССР в 1991 году – 15%.
Посмотрим на ситуацию в странах Юго-Восточной Азии с бурно развивающейся промышленностью. В Мьянме (прежнее название Бирма) выпуск РЗМ достиг 26 тыс. т, в Таиланде вырос с 1,8 тыс. т до 8 тыс. т, в Австралии – с 15 тыс. т до 22 тыс. т, в Китае – со 105 тыс. т в 2016 году до 168 тыс. т в 2021 году.
Что касается США, то не отвечающую требованиям охраны окружающей среды часть производства РЗМ они вынесли в развивающиеся страны, но и у себя увеличили производство с 6 тыс. т в 2016 году до 43 тыс. т в настоящее время.
В атомной энергетике, аэрокосмической технике, коммуникационных системах и устройствах, производстве материалов со специальными свойствами остро востребован такой редкий металл, как бериллий. У нас этот металл тоже стал дефицитным, его производство в стране практически отсутствует, а запасы, по-видимому, уже на исходе. Ранее созданные в СССР производственные мощности по получению бериллия и материалов на его основе после перестройки оказались вне России.
Несколько лет назад появилась информация о том, что потребности будут удовлетворены путём получения концентратов бериллия при запуске ГОКа на Ермаковском месторождении вблизи озера Байкал. Приоритетным для Дальнего Востока, по мнению П. С. Гордиенко, должно быть создание производства редких металлов при комплексной переработке техногенного месторождения Ярославского ГОКа. На момент его закрытия в 2013 году объём так называемых «отходов» составлял 29 млн т, в которых содержится до 15–20% дифторида кальция, около 36 тыс. т оксида бериллия, 126 тыс. т оксидов лития, 70 тыс. т оксидов рубидия, 3,5 тыс. т оксидов цезия. В 2015 году эта информация была озвучена в Государственной Думе. При реализации данного проекта с получением необходимого для РФ объёма бериллия, в пределах 6–8 тыс. т в год, дальневосточных запасов хватит России более чем на 200 лет.
Конечно, желательно было приступить к реализации проекта раньше. Сейчас на технологическую проблему накладывается демографическая, поскольку после закрытия Ярославского ГОКа наиболее активная, высокопрофессиональная треть населения посёлка разъехалась.
Кроме РЗМ и редкометалльного производства в РФ практически отсутствует и производство пигментов на основе диоксида титана. П.С. Гордиенко отметил активно развивающуюся в Дальневосточном регионе Байкало-Амурскую горнорудную корпорацию по переработке титансодержащих руд Куранахского месторождения, в том числе, с получением ильменитовых концентратов высокого качества, пригодных для производства пигментов на основе диоксида титана и оксидов железа. Учёные-химики могут предложить безотходную переработку ильменитовых концентратов по гидрофторидной технологии с получением белых и красных пигментов.
В настоящее время большая часть потребностей в диоксиде титана удовлетворяется за счёт зарубежных поставок, поэтому создание такого производства в ДФО будет способствовать ликвидации импортозависимости по этому виду продукции и, самое главное – созданию новых рабочих мест, что задержит отток населения, а это – одна из целей министерства РФ по развитию Дальнего Востока и Арктики.
В поисках поддержки инновационых проектов можно услышать предложение «ищите инвесторов». Технологии переработки минерального сырья, как правило, предполагают длительный срок окупаемости при невысокой норме прибыли и немалых рисках. По мнению учёного, более эффективен подход, при котором государственные структуры профинансируют разработку новых технологий, а затем уже привлекут частных инвесторов для реализации совместных проектов.
Все перечисленные проблемы известны специалистам, ведутся инициативные исследования, получаются результаты, но поддержки со стороны госструктур не хватает. Важно подчеркнуть, что темы, связанные с глубокой переработкой сырья, разработкой новых технологий и созданием материалов с особыми свойствами имеют государственное значение и поэтому не должны остаться в аутсайдерах.