Властивості, історія та застосування берилію

Берилій — це твердий і легкий метал, який має високу температуру плавлення та унікальні ядерні властивості, що робить його життєво важливим для багатьох аерокосмічних і військових застосувань.

Властивості

• Атомний символ: Be
• Атомний номер: 4
• Категорія елемента: лужноземельний метал
• Щільність: 1,85 г/см³
• Точка плавлення: 2349 F (1287 C)
• Точка кипіння: 4476 F (2469 C)
• Твердість за Моосом: 5,5

характеристики

Чистий берилій є надзвичайно легким, міцним і крихким металом. З щільністю 1,85 г/см 3 берилій є другим найлегшим елементарним металом, поступаючись лише літію .

Метал сірого кольору цінується як легуючий елемент через його високу температуру плавлення, стійкість до повзучості та зсуву, а також високу міцність на розрив і жорсткість на згин. Хоча берилій становить лише чверть ваги сталі , він у шість разів міцніший.

Подібно до алюмінію , металевий берилій утворює на своїй поверхні оксидний шар, який допомагає протистояти корозії . Цей метал є водночас немагнітним та неіскристим — властивості, які цінуються в нафтовій та газовій промисловості, — і він має високу теплопровідність у діапазоні температур і чудові властивості розсіювання тепла.

Низький поперечний переріз поглинання рентгенівського випромінювання берилію та високий поперечний переріз розсіювання нейтронів роблять його ідеальним для рентгенівських вікон, а також як відбивач нейтронів і сповільнювач нейтронів у ядерних програмах.

Хоча цей елемент має солодкий смак, він роз’їдає тканини, і вдихання може призвести до хронічного, небезпечного для життя алергічного захворювання, відомого як бериліоз.

історія

Незважаючи на те, що берилій був вперше виділений наприкінці 18 століття, чиста металева форма берилію не була отримана до 1828 року. Минуло ще одне століття, перш ніж берилій почав використовуватися в комерційних цілях.

Французький хімік Луї-Ніколя Воклен спочатку назвав свій нещодавно відкритий елемент «глюкіній» (від грецького glykys «солодкий») через його смак. Фрідріх Велер, який одночасно працював над виділенням елемента в Німеччині, віддав перевагу терміну берилій, і в кінцевому підсумку Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії вирішив використовувати термін берилій.

Незважаючи на те, що дослідження властивостей металу тривали протягом 20-го століття, комерційне освоєння металу почалося лише після усвідомлення корисних властивостей берилію як легуючого агента на початку 20-го століття.

виробництво

Берилій добувають з двох видів руд; берил (Be ₃ Al ₂ (SiO ₃ ) ₆ ) і бертрандит (Be ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ ). Хоча берил, як правило, має більш високий вміст берилію (від трьох до п’яти відсотків за вагою), його важче очистити, ніж бертрандит, який містить у середньому менше 1,5 відсотка берилію. Процеси переробки обох руд, однак, подібні і можуть здійснюватися на одній установці.

Через додаткову твердість берилову руду потрібно попередньо обробити шляхом плавлення в електродуговій печі. Потім розплавлений матеріал занурюють у воду, утворюючи дрібний порошок, який називають «фритою».

Подрібнену бертрандитову руду та фритту спочатку обробляють сірчаною кислотою, яка розчиняє берилій та інші присутні метали, в результаті чого утворюється водорозчинний сульфат. Розчин сульфату, що містить берилій, розбавляють водою і подають у резервуари, що містять гідрофобні органічні хімічні речовини.

Тоді як берилій приєднується до органічного матеріалу, водний розчин утримує залізо , алюміній та інші домішки. Цей процес екстракції розчинником можна повторювати, доки в розчині не буде сконцентровано необхідний вміст берилію.

Берилієвий концентрат потім обробляють карбонатом амонію і нагрівають, таким чином осаджуючи гідроксид берилію (BeOH ₂ ). Гідроксид берилію високої чистоти є вхідним матеріалом для основних застосувань цього елемента, включаючи мідно-берилієві сплави , берилієву кераміку та виробництво чистого металевого берилію.

Щоб отримати металевий берилій високої чистоти, форму гідроксиду розчиняють у біфториді амонію та нагрівають до температури понад 1652 ° F (900 ° C), утворюючи розплавлений фторид берилію. Після відливання у форми фтористий берилій змішують із розплавленим магнієм у тиглях і нагрівають. Це дозволяє відокремити чистий берилій від шлаку (відходів). Після відділення від магнієвого шлаку залишаються сфери берилію з чистотою близько 97 відсотків.

Надлишок магнію спалюється шляхом подальшої обробки у вакуумній печі, залишаючи берилій з чистотою до 99,99%.

Берилієві сфери зазвичай перетворюють на порошок за допомогою ізостатичного пресування, утворюючи порошок, який можна використовувати у виробництві берилій-алюмінієвих сплавів або екранів із чистого берилію.

Берилій також можна легко переробити з брухту сплавів. Однак кількість перероблених матеріалів є змінною та обмеженою через їх використання в дисперсійних технологіях, таких як електроніка. Берилій, присутній у мідно-берилієвих сплавах, що використовуються в електроніці, важко зібрати, і коли він збирається, спочатку відправляється на переробку міді, що розбавляє вміст берилію до неекономічної кількості.

Через стратегічний характер металу важко отримати точні показники виробництва берилію. Однак світове виробництво очищених берилієвих матеріалів оцінюється приблизно в 500 метричних тонн.

У видобутку та рафінуванні берилію в США, на частку якого припадає 90 відсотків світового виробництва, домінує Materion Corp. Раніше відома як Brush Wellman Inc., компанія керує бертрандитовою шахтою Spor Mountain в Юті та є найбільшою у світі виробник і рафінер металевого берилію.

У той час як берилій очищають лише в США, Казахстані та Китаї, берил видобувають у ряді країн, включаючи Китай, Мозамбік, Нігерію та Бразилію.

Додатки

Застосування берилію можна розділити на п’ять категорій:

• Побутова електроніка та телекомунікації
• Промислові компоненти та комерційна аерокосмічна промисловість
• Оборона і військо
• Медичний
• Інший

Волш, Кеннет А. Хімія та обробка берилію . ASM Intl (2009).
Геологічна служба США. Браян У. Яскула.
Beryllium Science & Technology Association. Про берилій.
Вулкан, Том. Основи берилію: посилення міцності як критично важливого та стратегічного металу. Щорічник корисних копалин 2011 . берилій.

Чому берилій стане одним з найбільш затребуваних металів XXI століття?

В світі тільки три країни займаються переробкою берилієвих руд. Україна може стати четвертою стратегічної точкою на карті світу.

В термінології добувної галузі не так давно закріпилося поняття «критичного сировини» (critical raw material), яке об’єднує ряд рідкісних, нових, але в той же час важливих для економіки 21 століття матеріалів. Переважно це елементи металевої групи і рідкоземельні метали, унікальні характеристики яких людство змогло відкрити для себе завдяки технологічному стрибка в минулому столітті.

Виникнення цілих нових галузей в машинобудуванні, електроніці та будівництві літальних апаратів стало доступним з відкриттям корисних властивостей таких металів. Звичайно, світовим показникам видобутку того ж літію далеко до сотень мільйонів тонн залізної руди. Але гірська промисловість уже зробила свій стратегічний вибір і проголосила свій курс саме на інтенсифікацію розробки родовищ цих «нових» елементів. Винятком не став і берилій. Разом з кобальтом та нікелем.

Чому берилій стане одним з найбільш затребуваних металів XXI століття?

Берилій – це хімічний елемент із символом Be і атомним номером 4. Це відносно рідкісний елемент як у Всесвіті, так і в земній корі. Елемент зустрічається в природі тільки в поєднанні з іншими елементами в мінералах. Як вільний елемент – це лужноземельний метал сіро-сталевого кольору, твердий, легкий і крихкий.

Берилій збільшує твердість і стійкість до корозії і застосовується для легування алюмінію, кобальту, міді (зокрема, берилієві бронзи), заліза і нікелю. Висока жорсткість при згині, термічна стабільність, теплопровідність і низька щільність (всього в 1,85 рази більше, ніж у води) роблять берилій затребуваним як аерокосмічний матеріал для високошвидкісних літаків, ракет, космічних апаратів та супутників зв’язку. Через свою низької щільності і атомну масу, берилій прозорий для рентгенівських променів і інших форм іонізуючого випромінювання. Таким чином, це найбільш поширений матеріал для виробництва рентгенівського обладнання та проведення фізичних експериментів. Висока теплопровідність берилію є головним фактором застосування в пристроях теплопередачі.

Маленькі обсяги – масштабні результати

Північна Америка і Європа є найбільшими споживачами берилію. Значне економічне зростання в останні роки в Азіатсько-Тихоокеанському регіоні, перш за все в Китаї, зрівняло споживання в регіоні з європейським рівнем. Цьому сприяло зростаюче використання металу в інфраструктурному обладнанні, комп’ютерах і телекомунікації, маршрутизаторах, фіксованих і бездротових оптичних системах передачі.

В останні роки, споживання металу значно підвищився в автомобільній електроніці, особливо мідно-берилієвого сплаву (берилієвої бронзи), який використовується в системах розподілу електроенергії і автосигналізації. Світовий ринок берилію, як очікується, вже скоро наблизиться до 500 тонн (тобто збільшиться в 2 рази) за рахунок хорошого попиту з боку виробників комп’ютерів і ринку телекомунікаційної інфраструктури, а також через зростання ринку автомобільної електроніки. Також передбачається зростання споживання на ринках, що розвиваються, зокрема в Азії та Латинській Америці.

В світі тільки три країни займаються переробкою берилієвих руд. Важливо, що в 2005 році Міністерство оборони США розпочало співпрацю з Materion, з метою побудувати новий завод з переробки і виготовлення берилію високої чистоти металевого берилію в Огайо. Будівництво заводу з переробки було завершено в 2011 році. Дві третини його продукції початок направлятися в оборонних підприємств і інших організацій, пов’язаних з виробництвом кінцевої високотехнологічної продукції.

Сполучені Штати імпортували близько 34% берилію, використаного в 2019 році, в тому числі металевий берилій та інші оброблені берилієві матеріали, використовувані у виробництві. Дві третини цих матеріалів прийшло з Росії та Казахстану. Тенденція як повідомляє USGS, вказує на високий попит. У першій половині 2020 року, Materion повідомив про збільшення на 62% поставок основних берилієвою-мідних сплавів, в порівнянні з першим півріччям 2019 року. Продажі берилієвою продукції на ключових ринках – аерокосмічній промисловості, автомобільної електроніці, кераміці, комп’ютерах і телекомунікації – були істотно вище, ніж в 2019 році. Але в наступні роки попит на берилій вирівняється з пропозицією.

Берилій в Україні

В Олевському районі Житомирської області, в межиріччі річок Перга і Уборть, розташоване Пержанську родовище берилію, яке за своїми характеристиками є одним з кращих в світі. Носієм берилію в ньому є мінерал гентгельвін, зафіксованих проявів якого в світі налічується не більше 20-ти. За даними Інституту геологічних наук НАН України, разом з берилієм в цьому родовищі містяться тантал, ніобій, цирконій, олово, молібден, літій, цинк, срібло, фтор і деякі мінерали.