История открытия

Празеодим — мягкий ковкий серебристо-желтый металл. Он входит в группу лантаноидов периодической системы элементов. Он медленно реагирует с кислородом: при контакте с воздухом образует зеленый оксид, который не защищает его от дальнейшего окисления. 

История открытия празеодима включала цепь ошибок. В 1839 году шведский ученый Карл Мосандер заметил, что открытая ранее цериевая земля неоднородна. 

Выделенное из нее вещество он назвал лантановой землей. А в 1841 году ему же удалось выделить из последней новое вещество. Ввиду исключительной близости свойств этих земель новичку дали название дидим — «двойник» или «близнец» в переводе с греческого. 

Однако в 1879 году французский химик Лекок де Буабодран показал, что дидим неоднороден, и выделил из него новый элемент — самарий. Далее оказалось, что спектр дидима зависит от того, из какого минерала его выделили. В 1882 году Богуслав Браунер из Праги нашел еще одну странность дидима: его атомный вес тоже зависел от исходного минерала. Так стало окончательно ясно, что никакого элемента дидима нет, но Богуслав Браунер не сумел разделить его на составляющие.

Повезло в 1885 году австрийцу Ауэру фон Вельсбаху, специалисту по редкоземельным элементам. Он осуществил реакцию «дидима» с азотной кислотой и получил его кристаллическую соль. После сотни операций по фракционной перекристаллизации, каждая из которых длилась по двое суток, на выходе оказались кристаллы двух солей — зеленоватой и розовой. Металл, образующий первую, он назвал празеодимом — от «празиос дидимос» или  «зеленый близнец». Вторую соль приписали «новому близнецу» — неодиму. В металлическом виде чистый празеодим получили только в 1931 году.

Потребление

Главное — постоянные магниты (ветро-, электро- и автогенераторы), даже есть товарный продукт на мировом рынке редкоземельных металлов — дидим, смесь неодима и празеодима.

Соединения празеодима используются для окрашивания стекла и эмали (например, в линзах налобных фонарей зеленого цвета в технологии освещения).

Празеодим используется в сплавах с магнием для производства высокопрочного металла для авиационных двигателей.

Содержащее празеодим стекло идет на изготовление очков, защищающих от ультрафиолета глаза сварщиков. 

Суперконденсаторы с празеодимом считаются незаменимыми для энергетических систем. Пытаются пристроить празеодим и в топливные элементы.

Но наиболее перспективная область для празеодима — квантовые компьютеры.

Добыча из недр, прямая и вторичная

Празеодим получают при переработке полиметаллических руд и техногенных отбросов/отходов, содержащих редкоземельные элементы. 

Согласно данным самого авторитетного мирового наблюдателя за ресурсами Земли, Геологической службы США, запасы РЗЭ в недрах составляют 110 млн тонн в оксидном эквиваленте.

Лидерами геологических запасов являются, млн тонн в оксидном эквиваленте:

• Китай — 44;

• Вьетнам — 22;

• Бразилия — 21;

• Россия — 10;

• Индия — 6,9;

• Австралия — 5,5;

• США — 1,8.

По оценкам Ассоциации «Горнопромышленники России», суммарный запас редкоземов в России — 20,6 млн т.

Добыча РЗЭ оценивается по итогам 2023 года в сумме 350 тысяч тонн, в том числе Китай — 240; США — 43; Бирма — 38; Россия — около 3, то есть менее 1%. Точной статистике по празеодиму не существует.

Празеодим выделяют из группы редкоземельных элементов жидкостной экстракцией трибутилфосфатом из кислой водной среды. Металл получают путем металлотермического восстановления безводных галогенидов, обычно кальцийтермией хлоридов или фторидов. Очистку осуществляют вакуумной перегонкой. 

Некоторые государства имеют празеодим в госзапасах, например, в США на начало 2024 г. — около 70 тонн.

Патентный аспект празеодима

На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову Praseodymium. Среди патентообладателей нет лидеров, патенты распылены по сотням промышленных компаний. Топ-7 выглядит так:

1. General Electric Company — 3,6%;

2. Engelhard Corporation — 1,4%;

3. Minnesota Mining And Manufacturing Company (3M) — 1,1%;

4. Samsung Electronics Co., Ltd. — 1,1%;

5. Grirem Advanced Materials Co. Ltd (有研稀土新材料股份有限公司) — 1,0%;

6. Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha — 0,9%;

7. General Motors Corporation — 0,9%.

Первые строки занимают транснациональные электротехнические и автомобильные компании из США, Японии, Южной Кореи и КНР. Самой активной компанией является знаменитая GE с почти полуторавековой историей, что неудивительно, поскольку празеодим повсеместно используется, как мы писали выше, в тех же генераторах. 

Лидируют следующие темы изобретений: 

• химические и физические процесс (B01J — 27%);

• разделение веществ (B01D — 18,1%);

• керамика (C04B — 13%);

• разное оборудование (Y02T — 13%);

• защита природы (Y02P — 11%);

• полупроводниковые приборы (H01L— 10%);

• материалы, не отнесенные к другим подклассам (C09K — 10%);

• разное оборудование (Y10T — 9%);

• неорганическая химия (C01P — 8%);

• сокращение выбросов парниковых газов (Y02E — 7%);

• покрытия (C23C — 7%).

В отечественной базе ФИПС на «празеодим» в реферате числится 218 патентов РФ на изобретения, из которых 97 действующие. 

В разделе «технологии процессов, B» — 22 патента, в основном на магниты и катализаторы.  Так, патент ФГУП «ВИАМ» на изобретение №2537947 относится к области порошковой металлургии, в частности к магнитному материалу, содержащему празеодим, железо, кобальт, бор, медь и другие элементы.

В разделе «химия и металлургия празеодима, C» — 82 патента (частично дублируют предыдущий раздел) — от гидро- и пирометаллургии соединений диспрозия до разнообразных металлических, керамических, стеклянных и композиционных веществ — для магнитов, катализаторов и пр. изделий, в том числе машиностроения.

В разделе «электричество H» — 9 патентов с празеодимом — по магнитным материалам и электрохимическим устройствам. Патент №2812650 «Трехслойная твердоэлектролитная мембрана среднетемпературного ТОТЭ» закрепляет увеличение удельной мощности ячейки ТОТЭ с несущим SDC электролитом за счет повышения НРЦ, снижения омического и поляризационного сопротивления.

Патентов РФ на полезные модели числится 10 штук, из которых действует только №213556 — модель относится к медицине, а именно к хирургии, к электродам для монополярной коагуляции диатермокоагулятором; для достижения результата материал электрода в виде цилиндрического стержня с шарообразным утолщением выполнен на основе сплава ниобия марки Нб-1 и оксида празеодима, повышающего эмиссионную способность электрода. 

 Программ для ЭВМ, баз данных и  топологий интегральных схем с празеодимом в РФ нет. 

Празеодим в современной России

В марте 2023 г. Горнорудный дивизион Госкорпорации «Росатом» официально сообщил о завершении разработки отечественной технологии извлечения редкоземельных металлов, в т. ч. празеодима. Разработка технологии была заказана АО «Русредмет» (Ленинградская область), в работе приняли участие специалисты АО «Атомредметзолото» и ОАО «Соликамский магниевый завод» (ОАО «СМЗ», предприятие Горнорудного дивизиона Госкорпорации «Росатом»).

Выполненный проект предусматривает, что производство церия, лантана, неодима, празеодима и концентрата среднетяжелой группы редкоземельных элементов (самарий, гадолиний, европий) будет организовано на ОАО «СМЗ». Сырьем для производства редкоземельных элементов станет лопаритовый концентрат, который добывает и обогащает другое предприятие дивизиона — ООО «Ловозерский горно-обогатительный комбинат» (ООО «Ловозерский ГОК»). 

В настоящий момент основной объем редкоземельных металлов Россия импортирует, при этом доля импорта достигает 90%. С 2016 года страна обнулила НДПИ на добычу этих ресурсов, а в 2022 году они вошли в перечень стратегического минерального сырья России.

Замечено несколько грантов от госструктур по празеодиму. Так, разработку технологии получения высокочистых (99,99%) соединений индивидуальных РЗЭ (лантан, церий, празеодим, неодим) для применения в высокотехнологичных отраслях промышленности осуществил в 2017 г. ОАО «Институт «Гинцветмет». Исследованы условия получения индивидуальных соединений РЗМ легкой группы с использованием новых промышленных смол и экстрагентов. В качестве экстрагента использован реагент из класса четвертичного аммониевого основания.

Исследование «Волоконные лазеры среднего ИК диапазона на основе халькогенидных стекол, активированных ионами редких земель» выполнил в 2022-2023 гг. за 30 млн руб. Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН на средства Российского научного фонда. Научная значимость заключается в изучении особенностей поведения  редкоземельных активаторов (таких как церий, празеодим, неодим, тербий) в халькогенидных стеклах с точки зрения спектрально-люминесцентных свойств и удобства оптической накачки, а также в выборе конфигурации волоконного лазера.  

Заключение 

Перспективы у празеодима в России положительные в среде- и долгосрочной перспективе с точки зрения производства. Структуры «Росатома» в ближайшее время наладят производство редкоземельных металлов, дабы побороть импортозависимость. Благо, ресурсы в недрах есть. 

Но вопрос развития прорывных технологий, связанных с тем же празеодимом, остается открытым. Действующих патентов мало. А тех же программ и баз данных нет вовсе. 

Надеяться на совместные проекты с GE, 3M или GM в ближайшем будущем не стоит. Потенциально может помочь сотрудничество с китайскими организациями, с той же Grirem, которая занимает в упомянутом выше рейтинге пятое место. 

Полезное от Онлайн Патент:

1. Как получить господдержку для IT-компании?

2. Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?

3. Как защитить базу данных клиентов?

4. Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?  

5. Руководство по товарным знакам в 2024 году.

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале