cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2022-1-27-38cvmet-1323Research ArticleМеталлургия редких и благородных металловMetallurgy of Rare and Precious MetalsПОЛУЧЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВЫСОКОЧИСТЫХ ОКСИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ КРИСТАЛЛОВ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ ДЕТЕКТИРУЮЩИХ МЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМProduction and quality control of high-purity rare-earth metal oxides for scintillator crystals of medical detection systemsЮрасоваО. В.YurasovaO. V.

Юрасова О.В. – канд. техн. наук, начальник лаборатории технологии получения веществ особой чистоты АО «Гиредмет»

111524, г. Москва, Электродная ул., 2, стр. 1

Yurasova O.V. – Cand. Sci. (Eng.), head of the Laboratory of technology for obtaining substances of high purity

111524, Russia, Moscow, Electrodnaya str., 2, build. 1

OVYurasova@rosatom.ruСамиеваД. А.SamievaD. A.

Самиева Д.А. – вед. инженер-технолог

111524, г. Москва, Электродная ул., 2, стр. 1

Samieva D.A. – leading engineer

111524, Russia, Moscow, Electrodnaya str., 2, build. 1

DASamieva@rosatom.ruКошельЕ. С.KoshelE. S.

Кошель Е.С. – канд. хим. наук, нач. центра АО «Гиредмет»

111524, г. Москва, Электродная ул., 2, стр. 1119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 31

Koshel E.S. – Cand. Sci. (Chem.), head of the center of JSC «Giredmet»

111524, Russia, Moscow, Electrodnaya str., 2, build. 1119991, Russia, Moscow, Leninskii pr., 31

ESKoshel@rosatom.ruКарповЮ. А.KarpovY. A.

Карпов Ю.А. – акад. РАН, докт. хим. наук, гл. науч. сотр. лаборатории химического анализа

119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 31

 

Karpov Yu.A. – acad. of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Chem.), prof., chief researcher of the Chemical analysis laboratory

119991, Russia, Moscow, Leninskii pr., 31

Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности (АО «Гиредмет»)РоссияFederal State Research and Develpment Institute of Rare Metal Industry (JSC «Giredmet»)Russian FederationГосударственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности (АО «Гиредмет»); Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН)РоссияFederal State Research and Develpment Institute of Rare Metal Industry (JSC «Giredmet»); Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН)РоссияKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2022190220222812738Copyright © Юрасова О.В., Самиева Д.А., Кошель Е.С., Карпов Ю.А., 20222022Юрасова О.В., Самиева Д.А., Кошель Е.С., Карпов Ю.А.Yurasova O.V., Samieva D.A., Koshel E.S., Karpov Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1323

В детектирующем устройстве позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) используются кристаллы-сцинтилляторы, обеспечивающие высокое качество снимков. К перспективным кристаллам для ПЭТ-детекторов относят ортосиликаты лютеция, активированные церием. Оптические свойства получаемых кристаллов-сцинтилляторов напрямую зависят от примесного состава исходных материалов, в связи с чем к ним устанавливаются достаточно жесткие требования по содержанию основного вещества: Lu2O3 – 99,999 мас.% , CeO2 – 99,99 мас.%. В качестве исходного материала для получения оксида лютеция требуемой чистоты применяли его концентрат с содержанием основного вещества 99,1 мас.%, для получения оксида церия – карбонаты редкоземельных материалов, состав которых включал до 54 % церия. В работе представлены схемы технологического процесса получения высокочистых Lu2O3 и CeO2, основанные на сочетании методов экстракции и ионного обмена. Экстракционную очистку лютеция и церия от сопутствующих редкоземельных примесей осуществляли с применением экстрагента «Aliquat 336» и три-n-бутилфосфата соответственно. Были рассчитаны основные режимы работы экстракционных каскадов. Общее количество ступеней для очистки лютеция составило 17, для очистки церия – 20. Технология очистки оксидов лютеция и церия состоит в комбинировании способов очистки и варьирования циклов в зависимости от содержания примесей, в связи с чем необходим оперативный контроль качества получаемых веществ практически после каждой стадии. Аналитический контроль химической чистоты технологических продуктов осуществлен методами масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и искровым источником возбуждения пробы.

The positron emission tomography (PET) detector uses scintillator crystals to provide high image quality. Cerium-activated lutetium orthosilicates are promising crystals for PET detectors. The optical properties of resulting scintillator crystals directly depend on the impurity composition of starting materials, so they are subject to considerably stringent requirements to the basic substance content: Lu2O3 – 99.999 wt.%, CeO2 – 99.99 wt.%. A starting material used for obtaining lutetium oxide of the required purity was its concentrate with a basic substance content of 99.1 wt.% with REM carbonates containing up to 54 % cerium used to obtain cerium oxide. The paper presents process flow diagrams for obtaining high-purity Lu2O3 and CeO2 based on a combination of extraction and ion exchange methods. Extraction purification of lutetium and cerium from accompanying rare-earth impurities was carried out using Aliquat 336 and tri-n-butyl phosphate, respectively. Main operating modes of extraction cascades were calculated. The total number of stages was 17 for lutetium purification, and 20 for cerium purification. The purification technology for lutetium and cerium oxides consists in combining purification methods and varying cycles depending on the content of impurities. In this regard, it is necessary to control the quality of resulting substances practically after each stage. The chemical purity of technology products was subjected to analytical control by mass spectrometry with inductively coupled plasma and a spark excitation source.

редкоземельные металлысцинтилляционные материалылюминофорыортосиликат лютецияrare earth metalsscintillation materialsphosphorslutetium orthosilicateИсследование в части методов химического анализа выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-13-00180); Исследования химического состава проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования Испытательного аналитико-сертификационного центра АО «Гиредмет» и Центра коллективного пользования физическими методами исследования веществ и материалов ИОНХ РАНThe research in terms of chemical analysis methods was funded by the Russian Science Foundation grant (Project No. 20-13-00180); Chemical composition studies were performed using the equipment of the JRS-TACC of Giredmet and JRC PMR IGIC RASReferencesTamulaitis G., Auffray E., Gola A., Korzhik M., Mazzi A., Mechinski V., Nargelas S., Talochka Y., Vaitkevicius A., Vasil’ev A. Improvement of the timing properties of Ce-doped oxyorthosilicate LYSO scintillating crystals. J. Phys. Chem. Solids. 2020. Vol. 139. P. 109356—109356.Tamulaitis G., Auffray E., Gola A., Korzhik M., Mazzi A., Mechinski V., Nargelas S., Talochka Y., Vaitkevicius A., Vasil’ev A. Improvement of the timing properties of Ce-doped oxyorthosilicate LYSO scintillating crystals. J. Phys. Chem. Solids. 2020. Vol. 139. P. 109356—109356.Rao T.P., Biju V.M. Trace determination of lanthanides in metallurgical, environmental, and geological samples. Crit. Rev. Anal. Chem. 2000. Vol. 30. No. 2—3. P. 179—220.Rao T.P., Biju V.M. Trace determination of lanthanides in metallurgical, environmental, and geological samples. Crit. Rev. Anal. Chem. 2000. Vol. 30. No. 2—3. P. 179—220.Adachi G., Imanaka N., Kang Z.C. Binary rare earth oxides. Berlin: Springer Science + Business Media, Inc. 2005.Adachi G., Imanaka N., Kang Z.C. Binary rare earth oxides. Berlin: Springer Science + Business Media, Inc. 2005.Zawisza B., Pytlakowska K., Feist B., Polowniak M., Kita A., Sitko R. Determination of rare earth elements by spectroscopic techniques: A review. J. Anal. At. Spectrom. 2011. Vol. 26. No. 12. P. 2373—2390.Zawisza B., Pytlakowska K., Feist B., Polowniak M., Kita A., Sitko R. Determination of rare earth elements by spectroscopic techniques: A review. J. Anal. At. Spectrom. 2011. Vol. 26. No. 12. P. 2373—2390.Горбатенко А.А., Ревина Е.И. Инструментальные методы определения редкоземельных элементов (обзор). Завод. лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. No. 4. С. 7—19.Gorbatenko A.A., Revina E.I. A review of instrumental methods for determination of rare earth elements. 2015. Inorg. Mater. Vol. 51. No. 14. P. 1375—1388.Ganjali M.R., Gupta V.K., Faridbod F., Norouzi P. Lanthanides series determination by various analytical methods. 1-st ed. Oxford: Elsevier, 2016.Ganjali M.R., Gupta V.K., Faridbod F., Norouzi P. Lanthanides series determination by various analytical methods. 1-st ed. Oxford: Elsevier, 2016.Li B., Zhang Y., Yin M. Determination of trace amounts of rare earth elements in high-purity cerium oxide by inductively coupled plasma mass spectrometry after separation by solvent extraction. Analyst. 1997. Vol. 122. No. 6. P. 543—547.Li B., Zhang Y., Yin M. Determination of trace amounts of rare earth elements in high-purity cerium oxide by inductively coupled plasma mass spectrometry after separation by solvent extraction. Analyst. 1997. Vol. 122. No. 6. P. 543—547.Qin S., Bin H., Yongchao Q., Wanjau R., Zucheng J. Determination of trace rare earth impurities in high-purity cerium oxide by using electrothermal vaporization ICP-AES after HPLC separation with 2-ethylhexylhydrogen 2-ethylhexylphosphonate resin as the stationary phase. J. Anal. At. Spectrom. 2000. Vol. 15. No. 10. P. 1413—1416.Qin S., Bin H., Yongchao Q., Wanjau R., Zucheng J. Determination of trace rare earth impurities in high-purity cerium oxide by using electrothermal vaporization ICP-AES after HPLC separation with 2-ethylhexylhydrogen 2-ethylhexylphosphonate resin as the stationary phase. J. Anal. At. Spectrom. 2000. Vol. 15. No. 10. P. 1413—1416.Daskalova N.N., Velichkov S., Krasnobaeva N., Slavova P. Spectral interferences in the determination of traces of scandium, yttrium and rare earth elements in «pure» rare earth matrices by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry-I. Cerium, neodymium and lanthanum matrices. Spectrochim. Acta. Part B. 1992. Vol. 47. No. 14. P. 1595—1620.Daskalova N.N., Velichkov S., Krasnobaeva N., Slavova P. Spectral interferences in the determination of traces of scandium, yttrium and rare earth elements in «pure» rare earth matrices by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry-I. Cerium, neodymium and lanthanum matrices. Spectrochim. Acta. Part B. 1992. Vol. 47. No. 14. P. 1595—1620.Поляков Е.Г. Металлургия редкоземельных металлов. М.: Металлургия, 2018.Polyakov E.G. Metallurgy of rare earth metals. Moscow: Metallurgiya, 2018 (In Russ.).Михайличенко А.И., Михлин Е.Б., Патрикеев Ю.Б. Редкоземельные металлы. М.: Металлургия, 1987.Mikhailichenko A.I., Mikhlin E.B., Patrikeev Yu.B. Rare earth metals. Moscow: Metallurgiya, 1987 (In Russ.).Liu Y., Chen J., Li D. Application and perspective of ionic liquids on rare earths green separation. Sep. Sci. Technol. 2012. Vol. 47. No. 2. P. 223—232.Liu Y., Chen J., Li D. Application and perspective of ionic liquids on rare earths green separation. Sep. Sci. Technol. 2012. Vol. 47. No. 2. P. 223—232.Baba Y., Kubota F., Kamiya N., Goto M. Recent advances in extraction and separation of rare-earth metals using ionic liquids. J. Chem. Eng. 2011. Vol. 44. No. 10. P. 679—685.Baba Y., Kubota F., Kamiya N., Goto M. Recent advances in extraction and separation of rare-earth metals using ionic liquids. J. Chem. Eng. 2011. Vol. 44. No. 10. P. 679—685.Makanyire T., Sanchez S., Jha A. Separation and recovery of critical metal ions using ionic liquids. Adv. Manuf. 2016. Vol. 4. No. 1. P. 33—46.Makanyire T., Sanchez S., Jha A. Separation and recovery of critical metal ions using ionic liquids. Adv. Manuf. 2016. Vol. 4. No. 1. P. 33—46.Kubota F., Shimobori Y., Koyanagi Y., Shimojo K. Uphill transport of rare-earth metals through a highly stable supported liquid membrane based on an ionic liquid. Anal. Sci. 2010. Vol. 26. No. 3. P. 289—290.Kubota F., Shimobori Y., Koyanagi Y., Shimojo K. Uphill transport of rare-earth metals through a highly stable supported liquid membrane based on an ionic liquid. Anal. Sci. 2010. Vol. 26. No. 3. P. 289—290.Larsson K., Binneman K. Separation of rare earths by split-anion extraction. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 156. P. 206—214.Larsson K., Binneman K. Separation of rare earths by split-anion extraction. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 156. P. 206—214.Гасанов А.А, Апанасенко В.В., Семенов А.А., Юрасова О.В. Расчет полного противоточного экстракционного каскада с обменной промывкой с использованием Exсel. Цветные металлы. 2016. No. 5. С. 44—49.Gasanov A.A., Apanasenko V.V., Semenov A.A., Yurasova O.V. Calculation of complete counter-current extraction cascade with exchange washing using Exсel. Tsvetnye Metally. 2016. No. 5. P. 44—49 (In Russ.).Юрасова О.В., Самиева Д.А., Федулова Т.В. Экстракционная технология получения высокочистого оксида лютеция для кристаллов-сцинтилляторов ортосиликатов лютеция. Междунар. науч.-иссл. журн. 2019. No. 11—1 (89). С. 79—82.Yurasova O.V., Samieva D.A., Fedulova T.V. Extraction technology of high pure lutetium oxide production for crystalsscintilators of lutetium orthosilicates. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel’skii zhurnal. 2019. No. 11—1 (89). P. 79—82 (In Russ.).Матюха В.А. Оксалаты редкоземельных элементов и актиноидов. 3-е изд. М.: ИздАТ, 2008.Matyukha V.A. Oxalates of rare-earth elements and actinides. 3-rd ed. Moscow: IzdAT, 2008 (In Russ.).Гасанов А.А., Юрасова О.В., Харламова Т.А., Алафердов А.Ф. Конструкция электролизеров для окисления церия. Цветные металлы. 2015. No. 8. С. 50—53.Gasanov A.A., Yurasova O.V., Kharlamova T.A., Alaferdov A.F. Design of electrolyzers for the oxidation of cerium. Tsvetnye Metally. 2015. No. 8. P. 50—53. (In Russ.).Галиева Ж.Н., Волобуев О.И., Ячменев А.А., Игумнов М.С., Геря М.С., Быданов Б.А., Дронов Д.В., Семенов А.А. Универсальная технология разделения редкоземельных концентратов (РЗК) в каскадах центробежных экстракторов: Разработка технологии и оборудования, освоение производства. Успехи в химии и хим. технологии. 2019. Т. 33. No. 1 (211). С. 33—35.Galieva Zh.N., Volobuev O.I., Yachmenev A.A., Igumnov M.S., Gerya M.S., Bydanov B.A., Dronov D.V., Semenov A.A. Universal technology for the separation of rareearth concentrates (REK) in cascades of centrifugal extractors: development of technology and equipment, development of production. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2019. Vol. 33. No. 1 (211). P. 33—35 (In Russ.).Юрасова О.В., Гасанов А.А., Харламова Т.А., Василенко С.А. Технология извлечения оксида церия (IV) из концентратов редкоземельных металлов с использованием методов электрохимического окисления и экстракции. Цветные металлы. 2016. No. 3. С. 42—49.Yurasova O.V., Gasanov A.A., Kharlamova T.A., Vasilenko S.A. Technology of cerium (IV) oxide extraction from rare-earth metal concentrates using electrochemical oxidation and extraction methods. Tsvetnye Metally. 2016. No. 3. P. 42—49 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.