Иркутский национальный исследовательский технический университет (Иркутск, Россия)

М. П. Кузьмин, доцент кафедры металлургии цветных металлов, канд. техн. наук, доцент, mike12008@yandex.ru
А. С. Кузьмина, доцент кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, канд. физ.-мат. наук, kuzmina.istu@gmail.com
М. Ю. Кузьмина, доцент кафедры металлургии цветных металлов, канд. хим. наук., доцент, kuzmina.my@yandex.ru

Красный шлам представляет собой крупнотоннажный высокощелочной отход производства глинозема и одновременно является перспективным техногенным сырьем для извлечения скандия, галлия и других редкоземельных металлов. Извлечение этих металлов затруднено, поскольку они не образуют самостоятельных минералов, а рассеяны в кристаллической решетке алюмогетита и алюмогематита. В работе выполнен термодинамический анализ устойчивости указанных минералов-носителей в интервале температур 298–1500 K. Впервые для состава (Fe_0,6Al_0,4)O(OH), идентифицированного в образцах красного шлама Уральского и Богословского алюминиевых заводов, рассчитаны стандартные значения энтальпии образования (ΔH°, 298) и энергии Гиббса (ΔG°, 298): –733,2 и –734,9 кДж/моль соответственно. Показано, что при T > 870 K алюмогетит становится термодинамически неустойчивым и распадается, высвобождая скандий, который переходит в высокостабильный Sc₂O₃. Разность энергий Гиббса образования Sc₂O₃ и алюмогетита достигает 1165 кДж/моль, что создает исключительно сильную термодинамическую движущую силу для миграции скандия в собственную оксидную фазу. Для галлия и иттрия установлены температуры начала миграции 950–980 K и 1050–1080 K соответственно; выявлена корреляция между ионным радиусом M³⁺ и температурой миграции (коэффициент детерминации R₂ = 0,94). На основе полученных данных предложена температурно-ступенчатая схема переработки красного шлама, позволяющая последовательно извлекать скандий (85–92 %), галлий (60–75 %) и концентрировать редкоземельные металлы в остатке для последующего
кислотного выщелачивания.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 25-23-00924, https://rscf.ru/project/25-23-00924/).

1. Power G., Grafe M., Klauber C. Bauxite Residue Issues: I. Current management, disposal and storage practices. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 108, Iss. 1–2. pp. 33–45.
2. Evans K. The history, challenges, and new developments in the management and use of bauxite residue. Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2, Iss. 4. pp. 316–331.
3. Liu Z., Li H. Metallurgical process for valuable elements recovery from red mud – a review. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 155. pp. 29–43.
4. Kubaschewski O., Alcock C. B. Metallurgical Thermochemistry. 5^th ed. Oxford : Pergamon Press; 1979. DOI: 10.1016/C2013-0-03221-1
5. Barin I. Thermochemical data of pure substances. 3^rd ed. Weinheim: VCH, 1995. DOI: 10.1002/9783527619825
6. Robie R. A., Hemingway B. S. Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 K and 1 Bar. USGS Bulletin. 1995. 2131. 461 p. DOI: 10.3133/b2131
7. Chase M. W. NIST-JANAF Thermochemical Tables. 4th ed. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1998. 1951 p. DOI: 10.18434/T42S31
8. Konings R. J. M., Beneš O., Kovács A. et al. The thermodynamic properties of the f-elements and their compounds. Part 2. The Lanthanide and Actinide Oxides. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2014. Vol. 43, Iss. 1. 013101. DOI: 10.1063/1.4825256
9. Cordfunke E. H. P., Konings R. J. M. Thermochemical data for reactor materials and fission products. Amsterdam : North-Holland, 1990.
10. Knacke O., Kubaschewski O., Hesselmann K. Thermochemical properties of inorganic substances. 2nd ed. Berlin : Springer, 1991. DOI: 10.1007/978-3-662-06321-1
11. Berkenheim А. М. Approximate methods for calculating the thermodynamic properties of intermetallic compounds. Zhurnal fizicheskoy khimii. 1972. Vol. 46, No. 8. pp. 2094–2098.
12. Navrotsky A. Progress and New Directions in High Temperature Calorimetry. Physics and Chemistry of Minerals. 1997. Vol. 24, Iss. 4. pp. 222–241.
13. Bale C.W., Bélisle E., Chartrand P. et al. FactSage thermochemical software and databases – 2010–2016. Calphad. 2016. Vol. 54. pp. 35–53.
14. Akcil A., Akhmadiyeva N., Abdulvaliyev R. et al. Overview on extraction and separation of rare earth elements from red mud: focus on scandium. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2018. Vol. 39, Iss. 3. pp. 145–151.
15. Borra C. R., Mermans J., Blanpain B. et al. Selective recovery of rare earths from bauxite residue by combination of sulfation, roasting and leaching. Minerals Engineering. 2016. Vol. 92. pp. 151–159.
16. Wang W., Pranolo Y., Cheng C. Y. Recovery of scandium from synthetic red mud leach solutions by solvent extraction with D2EHPA. Separation and Purification Technology. 2013. Vol. 108. pp. 96–102.
17. Valeev D., Kunilova I., Shoppert A. et al. Recovery of rare earth metals from red mud: A Review. Metals. 2024. Vol. 14, Iss. 3. DOI: 10.3390/met14030315
18. Mayes W. M., Burke T., Gomes H. I. et al. Advances in understanding environmental risks of red mud after the Ajka spill, Hungary. Journal of Sustainable Metallurgy. 2016. Vol. 2, Iss. 4. pp. 332–343.
19. Mukiza E., Zhang L. L., Liu X., Zhang N. Utilization of red mud in road base and subgrade materials: A Review. Resources, Conservation and Recycling. 2019. Vol. 141. pp. 187–199.
20. Liu X., Zhang N., Sun H. et al. Mineralogical characterization of red mud from different sources. Hydrometallurgy. 2016. Vol. 160. pp. 1–8.
21. Royset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys. International Materials Reviews. 2005. Vol. 50, Iss. 1. pp. 19–44.
22. Toropova L. S., Eskin D. G., Kharakterova M. L., Dobatkina T. V. Advanced aluminum alloys containing scandium: structure and properties. Amsterdam : Elsevier, 1998. DOI: 10.1016/B978-0-08-043895-7.X5000-1
23. Xue B., Wei B., Ruan L. et al. The influencing factor study on the extraction of gallium from red mud. Hydrometallurgy. 2019. Vol. 186. pp. 91–97.
24. Ochsenkühn-Petropulu M., Lyberopulu Th., Ochsenkühn K. M., Parissakis G. Recovery of lanthanides and yttrium from red mud by selective leaching. Analytica Chimica Acta. 1996. Vol. 319, Iss. 1–2. pp. 249–254.
25. Zhou H., Li D., Tian Y., Chen Y. Extraction of scandium from red mud by modified activated carbon and kinetics study. Rare Metals. 2008. Vol. 27, Iss. 3. pp. 223–227.
26. Clavier N., Podor R., Dacheux N. Crystal chemistry of the monazite structure. Journal of the European Ceramic Society. 2011. Vol. 31, Iss. 6. pp. 941–976.
27. Loginova I. V., Shoppert A. A., Chaikin L. I. Extraction of rare-earth metals during the systematic processing of diaspore-boehmite bauxites. Metallurgist. 2016. Vol. 60. pp. 198–203.
28. Liu X., Song N., Zhou W., Wang X. Study on reaction dynamics and phase transformation of high-iron red mud using suspension magnetization roasting technology. Chemical Engineering Science. 2025. Vol. 315. DOI: 10.1016/j.ces.2025.121879
29. Li X., Zhang H., Wang S. et al. Efficient selective leaching of scandium from red mud through ammonium persulfate–activated roasting. Separation and Purification Technology. 2025. Vol. 360. DOI: 10.1016/j.seppur.2025.131507
30. Sun Y., Liu Z., Chen Y. et al. Selective separation of iron and scandium from Bayer Sc-bearing red mud. Journal of Rare Earths. 2023. Vol. 41, Iss. 7. pp. 1099–1107.
31. Wang L., Li D., Zhao H. et al. Solvent extraction of scandium from leaching solution of red mud roasted with ammonium sulfate using D2EHPA/TBP. Journal of Rare Earths. 2024. Vol. 42, Iss. 10. pp. 1943–1949.
32. Habibi H., Mokmeli M., Shakibania S. et al. Separation and recovery of titanium and scandium from the red mud. Separation and Purification Technology. 2023. Vol. 317. DOI: 10.1016/j.seppur.2023.123882
33. Borra C. R., Pontikes Y., Binnemans K. et al. Leaching of rare earths from bauxite residue (red mud). Minerals Engineering. 2022. Vol. 176. DOI: 10.1016/j.mineng.2021.107348
34. Dorneman R. Cation diffusion in oxides. Reviews in Mineralogy. 1985. Vol. 15. pp. 245–262.
35. Atkinson A. Diffusion in oxides. Solid State Ionics. 1985. Vol. 16. pp. 71–80.