Что такое селен и как его добывают Применение, запасы, перспективы

Селен был открыт в 1817 году шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом. Открытие произошло, когда Берцелиус анализировал вещества с сернокислотного завода, где он заметил красновато-коричневый осадок, который поначалу принял за теллур. При дальнейшем изучении он понял, что это новый элемент, который он назвал селеном в честь Селены, греческой богини Луны, в знак уважения к ранее открытому элементу теллуру, который был назван в честь латинского слова, обозначающего землю, «tellus». Открытие Берцелиусом селена добавило еще один элемент в периодическую таблицу и расширило представление о химических элементах, из которых состоит Земля.

Что такое селен простыми словами

Селен (символ Se, атомный номер 34) — это неметаллический химический элемент, принадлежащий к группе халькогенов в периодической таблице, в которую также входят кислород, сера, теллур и полоний. Он часто встречается в различных минералах и иногда образуется как побочный продукт при переработке сульфидных руд металлов, особенно меди. В небольших количествах селен необходим животным и людям, играя важнейшую роль в функционировании некоторых ферментов, защищающих клетки от окислительного разрушения. Однако в больших дозах он может быть токсичен. Селен используется в различных областях, в том числе в стекловарении, электронике и даже в качестве пищевой добавки.

Где применяют селен и для чего он нужен

Селен, благодаря своим уникальным свойствам, находит широкое применение в различных отраслях промышленности.

Электроника

Хотя использование селена в электронике сократилось в пользу более распространенных и дешевых материалов, таких как кремний, он все еще играет роль в определенных разработках, где его уникальные свойства являются преимуществом.

Выпрямители и источники питания

Одним из первых применений селена было использование его в выпрямителях. До того как кремний стал доминирующим материалом для этих целей, селеновые выпрямители широко использовались для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в источниках питания для радиоприемников, телевизоров и другого электронного оборудования. Селеновые выпрямители состоят из стопок металлических пластин, покрытых селеном, и известны своей высокой импульсной мощностью и долговечностью.

Фотокопировальные аппараты и лазерные принтеры

Фотопроводящие свойства селена используются в барабанах фотокопировальных аппаратов и лазерных принтеров. Под воздействием света селен может проводить электричество, что позволяет ему временно удерживать изображение в виде электрического заряда. Этот заряд притягивает частицы тонера, которые затем переносятся на бумагу для создания печатного изображения. Хотя новые материалы в значительной степени заменили селен в этой области, он сыграл решающую роль в развитии ранних технологий ксероксов.

Солнечные элементы

Селен используется в производстве тонкопленочных солнечных элементов, в частности, в фотоэлектрических элементах на основе селенида меди-индия-галлия (CIGS). Эти элементы используют слой CIGS для поглощения солнечного света и преобразования его в электричество, предлагая многообещающую альтернативу традиционным солнечным элементам на основе кремния благодаря возможности снижения стоимости производства и гибкости в применении.

Датчики и детекторы

Фотопроводящие и фотоэлектрические свойства селена полезны в светоизмерительных приборах, экспонометрах для фотографии и детекторах пламени. Селеновые датчики могут обнаруживать свет или пламя по изменению электропроводности или по генерации фотоэлектрического тока.

Стеклоделие

Добавление селена в стекло может нейтрализовать зеленый оттенок, вызванный примесями железа, в результате чего стекло становится прозрачным или приобретает красный цвет при использовании больших количеств. Это особенно полезно при производстве цветного стекла и стеклянной посуды.

Металлургия

Селен добавляется в различные сплавы, улучшая их свойства.

Медные сплавы: селен добавляется в медь для улучшения ее обрабатываемости без существенного влияния на электропроводность. Это особенно полезно для медных сплавов, используемых в электротехнике, где важны как электропроводность, так и простота изготовления. Добавление селена позволяет меди легче образовывать стружку при обработке, что уменьшает износ инструментов и повышает эффективность производственного процесса.

Нержавеющая сталь: селен может быть добавлен в нержавеющую сталь для улучшения ее обрабатываемости. Хотя количество добавляемого селена обычно невелико, он способствует образованию в стали включений селенида марганца, который разбивает стружку при обработке, облегчая работу со сталью. Это особенно полезно для нержавеющих сталей, используемых в областях, требующих интенсивной механической обработки.

Сплавы свинца: селен добавляется в свинец для повышения его прочности и долговечности, особенно в свинцово-кислотных аккумуляторах. Он также помогает снизить скорость коррозии свинца, тем самым продлевая срок службы батарей. В некоторых случаях селен используется в качестве замены сурьмы в свинцовых сплавах для создания более экологичного продукта, поскольку селен менее токсичен.

Сельское хозяйство

Селен является важным микроэлементом для животных. Его часто добавляют в корма для животных, чтобы предотвратить и вылечить дефицит селена, который может привести к различным проблемам со здоровьем у скота.

Химическая промышленность

Соединения селена используются в качестве катализаторов в химических реакциях и в синтезе органических соединений.

Пищевые добавки

Благодаря своей роли в биохимии человека селен входит в состав пищевых добавок. Он необходим для правильного функционирования иммунной системы и щитовидной железы, а также для защиты от окислительных повреждений и инфекций.

Как добывают селен

Селен не добывается непосредственно в качестве первичной руды, поскольку он относительно редко встречается в земной коре в своей элементарной форме. Вместо этого селен получают в основном как побочный продукт при рафинировании медных и других металлических руд.

Процесс извлечения селена из этих руд включает в себя несколько этапов.

1. Рафинирование меди. Селен чаще всего получают из анодных шламов, образующихся при электролитическом рафинировании меди. Эти шламы представляют собой остатки, оставшиеся после извлечения меди из медной руды, и содержат различные примеси, в том числе драгоценные металлы, такие как серебро и золото, а также селен и теллур.

2. Обработка анодных шламов. Анодные шламы собираются и затем перерабатываются для извлечения ценных элементов. Процесс извлечения обычно включает в себя обжиг шлама в присутствии карбоната натрия или серной кислоты, что помогает отделить селен от других материалов.

После обжига селен обычно извлекается с помощью ряда химических процессов. Он может быть отогнан в виде диоксида селена (SeO2) или преобразован в элементарный селен с помощью восстановителей, таких как диоксид серы (SO2). Конкретный метод может варьироваться в зависимости от состава анодного шлама и желаемой чистоты селена.

3. Очистка. Элементарный селен, полученный в результате этих процессов, может подвергаться дальнейшей очистке для удаления примесей, в результате чего получаются различные сорта селена для различных промышленных применений.

Селен также может быть извлечен из серной кислоты, используемой при производстве фосфорной кислоты из фосфатных руд. В регионах, где распространены эти отрасли, например, в некоторых частях США, Китая и Канады, извлечение селена является ценным процессом, способствующим увеличению поставок этого элемента.

Где добывают селен

Страны и регионы, лидирующие по производству селена, обычно совпадают с основными предприятиями по добыче и рафинированию меди. К числу основных стран и регионов, участвующих в добыче селена, относятся:

1. Китай. Будучи одним из крупнейших в мире производителей меди и других металлов, Китай является значительным источником селена. Обширные горнодобывающие и перерабатывающие предприятия страны позволяют извлекать селен из медных анодных шламов и других источников.

2. США. В США есть несколько медных рудников и рафинировочных заводов, особенно в таких штатах, как Аризона, которые вносят свой вклад в производство селена. Селен извлекается как побочный продукт при выплавке и рафинировании меди.

3. Чили. Чили — крупнейший в мире производитель меди, и ее горнодобывающая промышленность является важнейшим источником селена. Медные рудники и плавильные печи страны обеспечивают значительный объем мирового предложения селена.

4. Перу. Перу — еще один ведущий производитель меди, где селен извлекается в качестве побочного продукта при добыче и рафинировании меди.

5. Канада. Горнодобывающая промышленность Канады, особенно в регионах с добычей меди и никеля, также вносит свой вклад в производство селена.

6. Япония и Бельгия. Эти страны, хотя и не являются крупными производителями меди, имеют значительную металлургическую и рафинировочную промышленность, которая перерабатывает импортируемые руды и концентраты, в том числе для извлечения селена.

7. Россия и Казахстан. Обе страны имеют значительную горнодобывающую и металлургическую промышленность, которая может производить селен, особенно в процессе рафинирования меди и никеля.

Запасы и заменители селена

Селен не является дефицитным в том смысле, что его нет или он заканчивается, но он относительно редок в земной коре по сравнению с другими элементами. Поскольку его производство зависит от добычи и переработки первичных металлов, предложение селена может колебаться в зависимости от спроса и темпов производства этих металлов, а не от прямого спроса на сам селен.

Что касается промышленного использования, то в некоторых областях применения селена наблюдается его замена или снижение спроса в связи с технологическим прогрессом и экологическими проблемами.

Электроника. Использование селена в электронных компонентах, таких как выпрямители, было в значительной степени вытеснено технологиями на основе кремния, которые являются более эффективными и обладают лучшими электрическими свойствами.

Производство стекла. Селен по-прежнему используется в стекольном производстве для обесцвечивания стекла и придания ему красного цвета в некоторых специальных видах. Однако его количество относительно невелико, и промышленность может регулировать его в зависимости от имеющихся поставок.

Фотокопировальные аппараты и лазерные принтеры. Использование селена в барабанах фотокопировальных аппаратов и лазерных принтеров сократилось с появлением органических фотопроводников, которые имеют преимущества с точки зрения стоимости, воздействия на окружающую среду и производительности.

Селен по-прежнему важен в различных отраслях промышленности, включая металлургию (для улучшения обрабатываемости некоторых сталей и сплавов), сельское хозяйство (в качестве диетической добавки для животных) и химическую промышленность (как катализатор в некоторых реакциях). Роль этого элемента в фотовольтаике, особенно в тонкопленочных солнечных элементах, также подчеркивает его актуальность в новых технологиях.

Однако в настоящее время селен не считается дефицитным, и промышленность не испытывает недостатка в этом редкоземе.