Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия:

И. Н. Пягай, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: igor-pya@yandex.ru
Э. А. Кремчеев, зав. кафедрой, докт. техн. наук, эл. почта: kremcheev@spmi.ru

Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия:

Л. А. Пасечник, вед. науч. сотр., канд. хим. наук, эл. почта: pasechnik@ihim.uran.ru
С. П. Яценко, главный науч. сотр., профессор, докт. хим. наук, эл. почта: yatsenko@ihim.uran.ru

Промышленное производство редких металлов требует постоянного развития наукоемких технологий их извлечения и очистки. Общеизвестные природные сырьевые ресурсы и традиционные технологии их переработки, основанные на первичных кислотных способах активации и вскрытия рудного материала, а также методы селективного извлечения целевого компонента (сорбционные и экстракционные) зачастую не могут обеспечить достаточных производительности и рентабельности. Рассмотрены вопросы, касающиеся обеспечения дальнейшего развития данного сегмента исследований, для чего необходимы новые технологии, разработанные на иных подходах, с возможностью вовлечения альтернативных сырьевых ресурсов для получения ценных редких металлов с высокой экономической эффективностью. Показано, что таким альтернативным источником, обладающим мощным потенциалом по содержанию скандия и других редких металлов, являются красные шламы (КШ) — отходы переработки природного бокситового сырья. Представлены результаты исследований по изучению и обоснованию оптимальных технологических параметров процесса карбонизации КШ, обеспечивающих устойчивость и предсказуемость комплексообразования отдельных компонентов, а также условий для стабилизации растворимых карбонатных комплексов и их концентрирования в продуктивном растворе до момента выделения первичного скандийсодержащего концентрата. Выявлены целевые параметры, определяющие улучшенные фильтрационные свойства карбонизированного шлама, для наиболее полного отделения продуктивного раствора от обезвоженного (до остаточной влажности 18 %) карбонизированного остатка. Отражены положительные факторы карбонизационного процесса, определяющие комплексное использование нескольких видов техногенных отходов глиноземного производства, способствующие долгосрочному секвестированию содержания диоксида углерода в атмосфере и модификации физико-химических свойств красных шламов. В результате достигаются лучшее компактирование карбонизированных шламов для их более рациональной транспортировки и снижение экологической опасности при утилизации отходов на шламоотвалах.

Авторы выражают благодарность ст. науч. сотр. ИХТТ УрО РАН канд. хим. наук В. М. Скачкову за помощь в проведении экспериментальных работ.
Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с государственными заданиями ИХТТ УрO РАН и Санкт-Петербургского горного университета.

1. Bykhovskiy L. Z., Arkhangelskaya V. V., Tigunov L. P., Anufrieva S. I. Russian scandium: Prospective development of mineral deposits and development of the production. Minerals. Geology and Economics Series. Moscow : VIMS, 2007. No. 22. 45 p.
2. Suzdaltsev A. V., Zaikov Yu. P., Nikolaev A. Yu. Modern ways for obtaining Al – Sc master alloys: A review. Tsvetnye Metally. 2018. No. 1. pp. 69–73. DOI: 10.17580/tsm.2018.01.09.
3. Yang Wang, Zheng Li, Ruizhi Wu. Effects of Sc and Zr Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Al – 3Cu – 2Li Alloy. Light Metals. 2019. pp. 471–480.
4. Tikhonov P. A., Arsentiev M. Y., Kalinina M. V. et al. Preparation and properties of ceramic composites with oxygen ionic conductivity in the ZrO₂ – CeO₂ – Al₂O₃ and ZrO₂ – Sc₂O₃ – Al₂O₃ systems. Glass Physics and Chemistry. 2008. Vol. 34. No. 3. pp. 319–323. DOI: 10.1134/S1087659608030139.
5. Fujii H., Katayama Y., Shimura T., Iwahara H. Protonic Conduction in Perovskite-type Oxide Ceramics Based on LnScO₃ (Ln = La, Nd, Sm or Gd) at High Temperature. Journal of Electroceramics. 1998. Vol. 2. pp. 119–125. DOI: 10.1023/A:1009935208872.
6. Eremina R. M., Tarasov V. F., Konov K. B. et al. EPR Study of Sc2SiO5:Nd143 Isotopically Pure Impurity Crystals. Applied Magnetic Resonance. 2018. Vol. 49. pp. 53–60. DOI: 10.1007/s00723-017-0966-x.
7. Baklanova I. V., Krasilnikov V. N., Perelyaeva L. A., Gyrdasova O. I. Production, morphology and luminescence properties of nanodispersed scandium sesquioxides doped with europium. Zhurnal neorganicheskoy khimii. 2012. Vol. 57, No. 12. pp. 1627–1633. DOI: 10.1134/S0036023612120030.
8. Athira L., Sundararajan M., Renjith R. A. et al. A review of scandium–hafnium doped TiO₂ nanocrystals. SN Applied Sciences. 2020. Vol. 2, No 814. DOI: 10.1007/s42452-020-2508-7.
9. Akcil A., Akhmadiyeva N., Abdulvaliyev R., Meshram A. P. Overview On Extraction and Separation of Rare Earth Elements from Red Mud: Focus on Scandium. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2018. Vol. 39, No. 3. pp. 145–151. DOI: 10.1080/08827508.2017.1288116.
10. Ochsenkuehn-Petropoulou M., Tsakanika L.-A., Lymperopoulou T. Ochsenkuehn K.-M. et al. Efficiency of Sulfuric Acid on Selective Scandium Leachability from Bauxite Residue. Metals. 2018. Vol. 8, No. 11. p. 915. DOI: 10.3390/met8110915.
11. Nikolaev I. V., Zakharova V. I., Khayrullina R. T. Acid treatment of red muds. Problems and prospects. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya. 2000. No. 2. pp. 19–26.
12. Tenyakov V. A., Edlin M. G., Miloslavskaya O. A. Bauxite deposits and scandium. Doklady Akademii nauk SSSR. 1990. Vol. 311, No. 5. pp. 1220–1233.
13. Molchanova T. V., Akimova I. D., Smirnov K. M., Krylova O. K., Zharova E. V. Hydrometallurgical extraction of scandium from waste products generated by various industries. Metally. 2017. No. 2. pp. 11–16.
14. Ecological disaster in Hungary: Toxic waste (red mud) floods the city. Available at: http://loveopium.ru/evropa/katastrofa-v-vengrii.html.
15. Klauber C., Gräe M., Power G. Bauxite residue issues: II. Options for residue utilization. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108. pp. 11–32. DOI: 10.1016/j.hydromet.2011.02.007.
16. Liu Z., Li H. Metallurgical process for valuable elements recovery from red mud: A review. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 155. pp. 29–43.
17. Evans K. The history, challenges, and new developments in the management and use of bauxite residue. Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2. pp. 316–331. DOI: 10.1007/s40831-016-0060-x.
18. Loginova I. V., Shoppert A. A., Kyrchikov A. V., Ordon S. F., Medyankina I. S. Red muds generated by alumina industry as a high-iron raw material for iron and steel industry. Stal. 2016. No. 1. pp. 67–70.
19. Kozhevnikov G. N., Vodopyanov A. G., Pankov V. A., Kuzmin B. P. Joint complex processing of bauxites and red muds. Tsvetnye Metally. 2013. No. 12. pp. 36–39.
20. Trushko V. L., Utkov V. A., Bazhin V. Yu. Complete processing of red muds generated by alumina industry: Relevance and capacity. Zapiski Gornogo instituta. 2017. Vol. 227. pp. 547–553. DOI: 10.25515/PMI.2017.5.547.
21. Borra C. R., Blanpain B., Pontikes Y. et al. Smelting of Bauxite Residue (Red Mud) in View of Iron and Selective Rare Earths Recovery. Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2. pp. 28–37. DOI: 10.1007/s40831-015-0026-4.
22. Zinoveev D. V., Grudinskiy P. I., Dyubanov V. G., Kovalenko L. V., Leontiev L. I. Red mud processing practices around the world: A review. Part 1. Pyrometallurgical techniques. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. 2018. Vol. 61, No. 11. pp. 843–858.
23. Gazaleeva G. I., Mushketov A. A., Sopina N. A., Sheshukov O. Yu. et al. Method for integrated treatment of red mud. Patent RF, No. 2528918. Published: 20.09.2014. Bulletin No. 26.
24. Pasechnik L. A., Pyagay I. N., Yatsenko S. P. Use of carbonization technique to recover scandium from red mud. Tsvetnaya metallurgiya. 2009. No. 1. pp. 42–46.
25. Pasechnik L. A., Shirokova A. G., Koryakova O. V., Sabirzyanov N. A., Yatsenko S. P. The complexing ability of scandium in alkaline medium. Zhurnal prikladnoy khimii. 2004. Vol. 77, Iss. 7. pp. 1086–1089.
26. Kirwan L. J., Hartshorn A., McMonagle J. B., Fleming L., Funnell D. Chemistry of bauxite residue neutralisation and aspects to implementation. International Journal of Mineral Processing. 2013. Vol. 119. pp. 40–50. DOI: 10.1016/j.minpro.2013.01.001.
27. Medvedev A. S., Kirov S. S., Suss A. G., Khayrullina R. T. Technical scandium oxide obtaining from red mud of Urals Aluminium Smelter. Tsvetnye Metally. 2015. No. 12. pp. 47–52.
28. Medvedev A. S., Kirov S. S., Suss A. G., Khayrullina R. T. Carbonization leaching of scandium from red mud with preliminary pulp gassing by carbonic acid. Tsvetnye Metally. 2016. No. 6. pp. 67–73. DOI: 10.17580/tsm.2016.06.09.
29. Stepanov S. I., Aung M. M., Aung Kh. Ye., Boyarintsev A. V. Carbonate leaching of scandium from red muds: Chemical aspects. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2018. Vol. 80, No. 4. pp. 349–355. DOI: 10.20914/2310-1202-2018-4-349-355.
30. Rychkov V. N., Kirillov E. V., Kirillov S. V., Bunkov G. M., Titova S. M. Scandium Recovery from Red Mud by Carbonate Assist. KnE Materials Science. 2017. Vol. 2, No. 2. pp. 163–167. DOI: 10.18502/kms.v2i2.964.
31. Pasechnik L. A., Medyankina I. S., Yatsenko S. P. Scandium extraction from multicomponent systems by crystallization of complex sulfates. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 848. p. 012064. DOI: 10.1088/1757-899x/848/1/012064.
32. Pasechnik L. А., Medyankina I. S., Skachkov V. М., Sabnirzyanov N. А. et al. Recovery of zirconium from alumina production red muds. Fluorine notes. 2018. No. 3. pp. 5–6.
33. Pyagay I. N. The block processing of red mud of alumina production. Tsvetnye Metally. 2016. No. 7. pp. 43–51. DOI: 10.17580/tsm.2016.07.05.
34. Cooling D. J., Hay P. S., Guilfoyle L. Carbonation of bauxite residue. Proceedings of the 6 th International Alumina Quality Workshop. Brisbane, 2002. pp. 185–190.
35. Rai S. B., Wasewar K. L., Mishra R. S., Mahindran P. et al. Sequestration of carbon dioxide in red mud. Desalination and Water Treatment. 2013. Vol. 51, No. 10–12. pp. 2185–2192. DOI: 10.1080/19443994.2012.734704.
36. Gorbachev S. N., Aleksandrov A. V., Ordon S. F. Prospective implementation of the ultra-dry red mud stockpiling technique. Zhurnal Sibirskogo federalnogo universiteta. Tekhnika i tekhnologii. 2017. Vol. 10, No. 7. pp. 854–861. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-7-854-861.
37. Power G., Gräfe M., Klauber C. Bauxite residue issues: I. Current management, disposal and storage practices. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108, Iss. 1-2. pp. 33–45. DOI: 10.1016/j.hydromet.2011.02.006.
38. Pasechnik L. A., Pyagay I. N., Medyankina I. S., Skachkov V. M. et al. Processing of red muds and the impact of the selected processing technique on the copper (II) ion sorption. Ekologiya i promyshlennost Rossii. 2016. Vol. 20, No. 5. pp. 27–33. DOI: 10.18412/1816-0395-2016-5-27-33.