Применение РЗЭ в различных областях техники

Производство и потребление РЗЭ и их соединений

Практическое использование РЗЭ началось во второй половине XIX века. Соединения РЗЭ применяли в производстве газокалильных колпачков для осветительных фонарей и кремней для зажигалок. Рост в потреблении РЗМ произошел во второй половине XX века в связи с развитием авиакосмической, автомобильной, электронной, нефтехимической, атомной и других отраслей промышленности. Особенно быстро растет потребление индивидуальных РЗЭ (до 20% в год). Этому способствует разработка технически и экономически эффективных способов разделения РЗЭ, в первую очередь, экстракции.

По данным Горного бюро США (2001 год) приблизительный вклад использования РЗЭ в различных областях следующий (рис. 16):

Рис. 16. Сферы применения редкоземельных элементов и их соединений

1. Очистка выхлопных газов (15 %).

Используется, в основном, оксид церия (IV), который наносится на пористый оксид алюминия или металлический алюминий в γ-форме. Церий выполняет несколько функций:

· стабилизирует высокую активную поверхность алюминия; добавки нескольких процентов оксида церия (особенно с небольшим количеством оксида лантана) позволяют предотвратить быстрое окисление алюминия. Механизм до сих пор обсуждается, но, по всей вероятности, включает в себя образования церийалюминатов

· смещает вправо равновесие реакции:

СO + H₂O Û CO₂ + H₂ (1.1)

· является "накопителем кислорода" (oxygen storage component – OSC); такой термин используется для описания материала, который содержит кислород и может его отдавать, а в последствии, быть регенерированным. CeO₂ может разлагаться с образованием элементарного кислорода и нестехиометричного CeO_2-х; элементарный кислород обеспечивает дожигание углеводородов и удаление моноксида углерода, CeO_2-х затем за время пропуска воздуха окисляется опять до диоксида.

· увеличивает восстановительную способность родия по отношению к оксидам азота.

2. Производство стекла, керамики, полирующих материалов (34 %).

В оптической промышленности используются индивидуальные высокочистые оксиды РЗЭ для обесцвечивания и окраски стекол, придания им способности пропускать или поглощать различные излучения (ИК, УФ и др.), повышать их термостойкость. Так, оптическое лантановое стекло, содержащее от 5 до 40% La₂O₃ обладает высоким коэффициентом преломления и малым светопоглощением, используется для изготовления линз и призм различных оптических систем, в кино- и фотоаппаратуре (Сanon, ЛОМО, Kodak и др.). Желтая окраска стекол, вызываемая присутствием Fe₂O₃, снимается добавлением к стеклу всего около 0.02 мас. % Nd₂O₃ или Er₂O₃, которые имеют сильную полосу поглощения в желтой части спектра (раньше использовали AsO₃).

Различные мощные излучения (рентгеновское, электронные пучки и др.) вызывает изменение структуры стекла, которое сопровождается его окраской от желтого до темнокоричневого. Стабилизация стекла достигается добавкой 1 – 2 % оксида церия (IV). Церий (IV) действует как электронная ловушка (Ce⁴⁺+ e ® Ce³⁺). Такое стекло применяется для телевизионных трубок, иллюминаторов ядерных реакторов, горячих камер.

Оксиды РЗЭ широко используются для создания проводящей керамики на основе стабилизированного диоксида циркония. Такая керамика применяется и как конструкционный материал (выдерживает температуру до 2200 ⁰С), и для изготовления нагревательных элементов электрических печей, работающих в окислительной атмосфере и температуре до 1600-1900 ⁰С.

Полирующие материалы на основе оксидов РЗЭ (полириты) обеспечивают высокое качество обрабатываемых поверхностей при большей скорости полирования и меньшем расходе по сравнению с другими материалами. Увеличение содержания в полирите CeO₂ повышает эффективность полировки, по всей вероятности, за счет химического взаимодействия CeO₂, поскольку процесс полировки, по сути, является процессом механохимическими. Сейчас появились марки полиритов с содержанием диоксида церия до 99 и 99.9 %.

3. Магнитные материалы (8 %)

Достаточно динамично развивается область использование соединений РЗЭ в качестве постоянных магнитов. Магнитные материалы на основе интерметаллидов SmCo₅-Sm₂Co₁₇ широко используются в военной и авиакосмической промышленности для создания миниатюрных двигателей, динамиков, СВЧ-генераторов, магнетронов и т.д. (Для придания специфических свойств самарий может быть частично заменен на Сe, Pr, Nd). Менее дорогими магнитами неодим-железо-бор Nd₂Fe₁₄B укомплектованы стартеры автомобилей, двигатели стеклоочистителей и стеклоподъемников, проигрыватели компакт-дисков, дисководы, видеокамеры. Магниты неодим-железо-бор применяют для сепарации слабомагнитных руд (например: апатит – лимонит), классификации гранатов, что позволяет повысить производительность в десятки раз и уменьшить потребление электроэнергии

4. Крекинг нефти (8 %)

Используются катализаторы на цеолитовой основе с оксидами РЗЭ, что позволяет увеличить на 60 % выход высокооктановых бензинов, уменьшить выход газообразных продуктов, увеличить время работы катализаторов.

5. Металлургия (14 %)

Использование РЗМ в металлургии основано на высоком сродстве с неметаллами, вследствие чего они применяются в качестве раскислителей. В расплавленную сталь они вводятся в виде мишметалла (продукт восстановления оксидов РЗЭ, смесь лантаноидов). Соединения РЗЭ с неметаллами переходят в шлак, за счет этого происходит очистка расплава и улучшение механических свойств стали.

РЗМ широко используются как легирующие добавки для получения высокопрочного чугуна, причем особенно эффективно применение иттрия. "Иттриевый чугун" используют для изготовления наиболее ответственных деталей двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с хромированием износостойкость повышается в 100 раз.

6. Люминофоры (9 %)

Известны сотни люминофоров, содержащих РЗЭ. Их можно разделить на две группы: люминофоры для люминесцентных ламп и люминофоры для телевидения, экранов осциллографических и радиолокационных приборов, приборов ночного видения и т.д. Для первых используются люминофоры на основе ортованадата иттрия, активированного европием. Химический состав люминофоров второй группы более многообразен. Например, оксосульфиды, оксохлориды, фториды РЗЭ, причем другие индивидуальные РЗЭ и их группы могут использоваться как активаторы (Y_0.64Yb_0.35Tm_0.01F₃ – голубой цвет)

7. Остальное (4 %)

Ядерная энергетика.

· оксиды самария, европия, гадолиния (т.е. элементов с максимальным сечением захвата тепловых нейтронов: Gd – 46000 барн) используют в красках, защищающих от воздействия радиоизлучения.

· оксиды эрбия и гадолиния используют в качестве выгорающего поглотителя нейтронов (за счет уменьшения реактивности топлива на начальных стадиях) в ТВЭЛах на водо-водяных реакторах под давлением ВВЭР (Er₂O₃ - 0.2-0.6 мас. %) и работающих на кипящей воде РБМК (Gd₂O₃ – 3-8 мас. %)

· ¹⁴⁷Pm, образующийся в ядерном реакторе, используется в миниатюрных электрических батарейках для стимуляторов сердца, слуховых аппаратах

· расплавленный лантан может использоваться для экстракции плутония из жидкого урана

Дата добавления: 2014-01-07