ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
05.17.02 «Технология
редких, рассеянных
и радиоактивных элементов»
по химическим и техническим наукам
Введение
Настоящая программа охватывает следующие базовые разделы: химия редких и радиоактивных элементов; физико-химические и технологические основы производства редких и радиоактивных элементов; химия и технология геохимических спутников редких металлов; экологические аспекты производства редких металлов и охрану окружающей среды.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по химии (по химической технологии) при участии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
1.
Общие сведенияКлассификация редких элементов.
Роль редких и радиоактивных элементов в развитии важнейших направлений научно-технического прогресса. Области применения в народном хозяйстве. Задачи редкометалльной промышленности. Стоимость и объем производства редкометалльной продукции.
Редкометалльное сырье. Распространенность элементов в земной коре. Руды и минералы редких элементов. Рудные месторождения. Природные запасы и перспективы их увеличения. Вторичное сырье. Задачи комплексной переработки сырья. Стоимость и объем производства рудного сырья.
Краткая история промышленности редких и радиоактивных элементов России.
2.
Химия редких элементовПоложение редких и радиоактивных элементов в периодической системе Д.И. Менделеева и их электронное строение.
Редкоземельные элементы, лантаноиоды и актиноиды. Явление лантаноидного сжатия. Вторичная периодичность в группе лантаноидов.
Радиоактивные семейства.
Простые вещества. Основные и индивидуальные физические, физико-химические и химические свойства редких элементов.
Соединения. Строение, физико-химические и химические свойства важнейших бинарных соединений редких элементов – оксидов, фторидов, хлоридов, гидридов, сульфидов, карбидов и др., солей – сульфатов, нитратов, фосфатов и др., а также комплексных соединений.
Растворы соединений редких элементов. Комплексообразование в растворах. Константы устойчивости комплексных ионов. Ряды устойчивости комплексных соединений. Гидролиз и полимеризация. Окислительно-восстановительные реакции в растворах.
Физико-химические методы анализа редких и радиоактивных элементов.
3.
Технология редких элементовСпецифика технологии редких и радиоактивных элементов. Принципы построения технологических схем. Основные переделы. Гидрометаллургия, пирометаллургия и сольвометаллургия. Требования к чистоте редких элементов. Ядерная чистота. Методы повышения прямого извлечения, снижения норм расхода сырья, энергии и воды при получении редкометалльной продукции. Пути интенсификации производств. Геотехнология и биотехнология металлов. Обеспечение ядерной безопасности.
Важнейшие технологические схемы производства редких и радиоактивных элементов. Основные натуральные показатели технологии. Химия процессов на отдельных стадиях. Поведение примесей. Аппаратурное оформление. Отходы и методы их обезвреживания. Пути интенсификации производства.
Измельчение и обогащение руд. Принципы организации дробления и измельчения. Дробилки. Мельницы и диспергаторы. Гравитационное, флотационное, магнитное, электростатическое и радиометрическое обогащение. Аппаратура для обогащения. Химическое обогащение руд. Состав и возможные пути использования хвостов.
Выщелачивание и растворение. Разновидности выщелачивания. Кинетика выщелачивания. Аппаратура для выщелачивания. Каскады выщелачивания. Механическая переработка выщелоченных пульп - сгущение, отстаивание, декантация, гидроциклонирование. Спекание концентратов как подготовительная операция к выщелачиванию.
Ионообменная сорбция. Основы и разновидности метода. Классификация ионитов. Термодинамика ионного обмена. Кинетика ионообменной сорбции. Динамика сорбции. Фронтальная, вытеснительная и элюентная хроматография. Сорбционные фильтры, пачуки, колонны и контакторы. Организация непрерывного процесса. Примеры применения сорбционных процессов. Их возможности для решения проблем защиты окружающей среды и переработки бедного сырья.
Экстракция. Физико-химические характеристики процесса. Классификация и строение экстрагентов. Равновесие в экстракционных системах, влияние разбавителей на равновесие. Высаливание. Синергетный эффект. Расчет коэффициентов активности в водной фазе. Кинетика экстракционных процессов. Основные типы экстракторов: смесители-отстойники, колонны, виброэкстракторы, центробежные экстракторы. Примеры применения экстракционных процессов. Характеристики процесса с экологических позиций.
Осаждение, кристаллизация, перекристаллизация и сушка осадков. Закономерности процессов. Растворимость оксидов, гидроксидов и фторидов. Промышленные кристаллизаторы. Общие закономерности сушки. Непрерывно действующие сушилки. Сушка пастообразных веществ. Явление соосаждения. Сокристаллизация, адсорбция и окклюзия.
Получение оксидов и галогенидов. Термическое разложение гидроксидов и солей. Принципы газовой металлургии. Реагенты для хлорирования и фторирования. Диффузионно-кинетическая теория гетерогенного реагирования. Основные аппараты для высокотемпературных процессов – трубчатые и шахтные печи, реакторы кипящего слоя. Процессы в солевых расплавах. Вспомогательные процессы – пылеулавливание, конденсация и десублимация. Возможности применения плазмотронов. Примеры технологических схем производства оксидов, фторидов и хлоридов редких металлов. Улавливание галогенов и галогенидов из отходящих
газов.Получение и рафинирование металлов. Общая характеристика методов получения редких металлов. Металлотермия, силикотермия и карботермия. Восстановление газами. Тепловой расчет процессов. Аппаратура для металлотермии. Примеры металлотермических процессов. Электролитическое восстановление. Кинетика процессов. Требования к электролитам. Конструкции электролизеров. Примеры применения в технологии. Химическое осаждение из газовой фазы. Равновесие и кинетика восстановления летучих галогенидов из газовой фазы. Порошковая металлургия. Прессование и спекание штабиков металлов. Электродуговая и электронно-лучевая плавка. Электролитическое рафинирование. Иодидное рафинирование циркония, транспортные реакции. Принципы утилизации металлургических отходов. Пути интенсификации процессов получения металлов.
Экологические аспекты производства. Законодательные акты в области охраны природы. Поведение сопутствующих радиоактивных элементов при переработке рудных концентратов. Виды отходов, методы утилизации ценных компонентов и обезвреживания. Пути снижения расхода свежей воды в гидрометаллургических производствах. Понятие о малоотходном производстве и принципах его организации. Воздействие предприятий ядерного топливного цикла на окружающую среду. Способы его снижения.
Редкие металлы в ядерной энергетике. Ядерный топливный цикл. Ядерное топливо на основе обогащенного урана и смеси оксидов урана и плутония (МОХ- топливо). Изменение изотопного состава урана, плутония при их рецикле. Переработка отработавшего ядерного топлива. Низко-, средне- и высокоактивные отходы. Кондиционирование отходов. Иммобилизация высокоактивных отходов, их хранение и захоронение. Производство радиоактивных изотопов. Реакторные материалы. Понятие о ядерной чистоте. Радиохимия, ее особенности. Аналитические методы с использованием изотопов.
Химия и технология получения геохимических спутников редких металлов, наиболее широко представленных в технологии их получения. Комплексное использование сырья.
Технология функциональных и конструкционных материалов на основе редких металлов. Наноматериалы.
Литература
Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Строение вещества. М.: Высш. шк., 1978. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии. М.: Мир, 1979. Кемпбел Дж. Современная общая химия. Т. 1-3. М.: Мир, 1975. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982. Ария С.М., Семенов И.Н. Краткое пособие по химии переходных элементов Л.: Изд-во ЛГУ, 1972. Шварцман Л.А., Жуховицкий А.А. Начала физической химии для металлургов. М.: Металлургия, 1974. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. М.: Химия, 1999. Соколов Р.С. Химическая технология. М.: ВЛАДоС, 2000. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1, 2. М.: Химия, 1995. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппаратура химической технологии. М.: Химия, 1973. Криворот А.С. Конструкции и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. М.: Машиностроение, 1992. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. Л.: Химия, 1981. Соколов И. П., Пономарев Н.Л. Введение в металлотермию. М.: Металлургия, 1990. Ритчи Г.М., Эшбрук А.В. Экстракция. Принципы и применение в металлургии. М.: Металлургия, 1983. Основы жидкостной экстракции / Г.А. Ягодин, С.З. Каган, В.В. Тарасов и др. М.: Химия, 1981. Последние достижения в области жидкостной экстракции: Сб. / Под ред. К. М. Хансона. М.: Химия, 1974. Шемякин Ф.М., Стенин В.В. Ионообменный хроматографический анализ металлов. М.: Металлургия, 1965. Гидрометаллургия: Сб. / Под ред. Б.Н. Ласкорина. М.: Металлургия, 1971. Болотников Л.Е. Технологическое проектирование производства редких металлов М.: Металлургия, 1973. Раков Э.Г., Хаустов С.В. Процессы и аппараты производств радиоактивных и редких металлов. М.: Металлургия, 1993. Борбат В.Ф. Гидрометаллургия. М.: Металлургия, 1986. Хабаши Ф. Основы прикладной металлургии. Т. 1: Теоретические основы. Т.2: Гидрометаллургия. М.: Металлургия, 1975. Очистка производственных сточных вод / Под ред. Ю.И. Турского, И.В. Филиппова. Л.: Химия, 1967. Кушелев В.П. Охрана природы от загрязнений промышленными выбросами. М., 1979. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах. Л.: Химия, 1979. Биологическая очистка производственных сточных вод. Процессы и аппараты / С.В. Яковлев, И.В. Скирдов, В.Н.Швецов и др. М.: Стройиздат, 1985. Набойченко С.С., Юнь А.А. Расчеты гидрометаллургических процессов. М.: МИСИС, 1995. Методы получения особо чистых неорганических веществ / Б.Д. Степин, И.Г. Горштейн, Г.З. Блюм и др. Л.: Химия, 1969. Строение и свойства адсорбентов и катализаторов: Сб. / Под ред. Б.Г. Линсена. М.: Мир, 1973. Плаксин И.Н., Тэтару Г.А. Гидрометаллургия с применением ионитов. М.: Металлургия, 1964. Гиндин Л.М. Экстракционные процессы и их применение. М.: Наука, 1984. Иониты в цветной металлургии / К.Б. Лебедев, Е.И. Казанцев, В.М. Розманов и др. М.: Металлургия, 1975. Биотехнология металлов / Центр международ. проектов ГКНТ. М., 1989. Берестовой А.М. Жидкостная экстракция в химической промышленности. Л.: Химия, 1977. Зеликман А.Н., Вольдман Г.М., Белявская Л.В. Теория гидрометаллургических процессов. М.: Металлургия, 1983. Новое в развитии минерально-сырьевой базы редких металлов: Сб. статей. М.: Изд-во РАН, 1991. Минералогия и геохимия редких и радиоактивных металлов. М.: Энергоатомиздат, 1987. Ягодин Г.А., Синегрибова О.А, Чекмарев А.М. Технология редких металлов в атомной технике. М.: Атомиздат, 1974. Химия и технология редких и рассеянных элементов / Под ред. К.А. Большакова. Т. 1–3. М.: Высш. шк., 1976. Седов В.М., Завадский М.И. Технико-экономические основы развития ядерной энергетики. Л.: Изд-во ЛТИ, 1985. Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики. М.: Энергоатомиздат, 1987. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда / Н.С. Бабаев, В.Ф. Демин, Л.А. Ильин и др. М.: Энергоатомиздат, 1984. Бегак О.Ю., Нечаев А.Ф., Прояев В.В. Введение в радиоэкологию. СПб.: СПбТИ, 1992. Мосинец В.Н., Грязнов М.В. Уранодобывающая промышленность и окружающая среда. М.: Энергоатомиздат, 1983. Искра А.А., Бахуров В.Г. Естественные радионуклиды в биосфере. М.: Энергоиздат, 1981. Коган Б.И. Редкие металлы. М.: Наука, 1978. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия, 1991. Финкельштейн Д.Н. Чистые вещества. М.: Атомиздат, 1975. Уткин Н.И. Цветная металлургия. Технология отрасли. М.: Металлургия, 1990. Громов Б.В., Савельева В.И., Шевченко В.Б. Химическая технология облученного ядерного топлива. М.: Энергоатомиздат, 1983. Бенедикт М., Пигфорд Т. Химическая технология ядерных материалов. М.: Атомиздат, 1960. Зеликман А.Н. Металлургия тугоплавких редких металлов. М.: Металлургия, 1986.Hayes P. Process Selection in Extractive Metallurgy. Hayes Publ. Co., Australia, 1985.
Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана. М.: Атомиздат, 1978. Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке // Тезисы докл. Междунар. симпозиума. М., 1998. Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология / С.С. Коровин, Г.В. Зимина, А.М. Резник и др. Т. 1. 1996; Т. 2. 1999; Т. 3 2002. М.: МИСИС, 1996–2002. Зеликман А.Н., Меерсон Г.А. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия, 1973. Коленкова М.А., Крейн О.Е. Металлургия рассеянных и легких редких металлов. М.: Металлургия, 1977. Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС / В.И. Землянухин, Е.И. Ильенко, Л.Н. Кондратьев и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. Несмеянов А.Н. Радиохимия. М.: Химия, 1972. Нефедов В.Д., Текстер Е.Н., Торопова М.А. Радиохимия. М.: Высш. шк., 1987. Вдовенко В.М. Современная радиохимия. М.: Атомиздат, 1969. Емельянов В.С., Евстюхин А.И. Металлургия ядерного горючего. М.: Атомиздат, 1964. Ядерная технология / В.П. Шведов, В.М. Седов, И.Л. Рыбальченко, И.Н. Власов. М.: Атомиздат, 1979. Химия долгоживущих осколочных элементов / Н.М. Синицын, Г.В. Корпусов, Л.М. Зайцев и др. М.: Атомиздат, 1970. Захаров Е.И., Рябчиков Б.Е., Дьяков В.С. Ионообменное оборудование атомной промышленности. М.: Энергоатомиздат, 1987. Дмитриев С.А. Обращение с радиоактивными отходами. М.: РХТУ, 2000. Доерфель K. Статистика в аналитической химии. М.: Мир, 1969. Бусев А.И., Типцова В. Г., Иванов В.М. Руководство по аналитической химии редких металлов. М.: Химия, 1978. Морачевский Ю.В., Церковницкая И.Я. Основы аналитической химии редких элементов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. Михельсон В.С. Элементы вычислительной математики. М.: Высш. шк., 1966. Финни Д. Введение в теорию планирования экспериментов. М.: Наука, 1970. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Т. 1–3. М.: Химия, - 1976–1977. Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода / В.Б. Лукьянов, С.С. Бердоносов, И.О. Богатырев и др. М.: Высш. шк., 1975.