Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсивное изучение свойств скандия и его соединений показали перспективность их применения в различных областях науки и техники. Наиболее очевидны преимущества использования материалов на основе скандия в авиакосмической промышленности и в электронике.
Высокая стоимость скандия препятствует его широкому применению. Причина этого заключается в низком содержании скандия в природных источниках, что приводит к сложности и трудоемкости технологических процессов его извлечения.
При переработке титанового, вольфрамового и некоторых других видов сырья могут получаться сернокислые скандийсодержащие растворы. Серная кислота является широко распространенным вскрывающим агентом и может использоваться также при разложении вторичного скандиевого сырья.
Жидкостная экстракция - эффективный метод извлечения, концентрирования и очистки редких и рассеянных металлов от сопутствующих элементов. Однако экстракционные технологии получения скандия, существующие в настоящее время, сложны и многостадийны. Поиск новых способов экстракционного извлечения скандия может привести к упрощению технологических схем его получения и к уменьшению себестоимости скандиевой продукции.
В сульфатных растворах скандия одновременно присутствует большое количество различных форм этого элемента, что требует их учета при изучении экстракции. Оценка концентраций всех присутствующих форм требует достаточно трудоемких математических вычислений. Поэтому выработка подхода в физико-химическом моделировании подобных экстракционных систем должна способствовать развитию новых экстракционных методов и внедрению их в технологию скандия.
При практігческом использованиии того или иного способа экстракции необходимо учитывать влияние таких факторов как концентрации исходных компонентов, присутствие в растворе ионов сопутствующих элементов, температура процесса.
Таким образом, исследования, направленные на поиск новых эффективных способов извлечения скандия из сульфатных растворов, установление основных закономерностей экстракционного процесса и влияния на него различных факторов, на разработку подхода в физико-химическом моделировании экстракционных равновесий, поиск условий отделения скандия от сопутствующих элементов весьма актуальны.
Цель работы. Определение основных закономерностей экстракции скандия из сульфатных растворов фенолформальдегидным олигомером
Яррезин Б (ЯРБ). Разработка и реализация алгоритма моделирования сложных экстракционных равновесий. Определение состава экстрагируемых соединений скандия. Изучение влияния на экстракционный процесс ряда факторов: продолжительности экстракции, рН, концентрации экстрагента и природы разбавителя, концентраций скандия и сульфат-аниона. Определение условий наиболее полного извлечения скандия и отделения его от сопутствующих элементов. Научная новизна.
1. Впервые для извлечения скандия из кислых сульфатных растворов
использован олигомерный реагент ЯРБ.
-
С помощью пакета математических программ Mathcad 7.0 Professional проведен расчет концентраций различных ионных форм, присутствовавших в исследуемых водных растворах, с учетом многоступенчатых реакций гидролиза и комплексообразования скандия и неполной диссоциации гидросульфатного аниона.
-
Проведена генерация и дискриминация различных гипотез, предполагающих образование в процессе экстракции одного, двух или трех экстрагируемых комплексов с разным соотношением исходных компонентов. Выявлены три экстракционных равновесия, характеризующие взаимодействие скандия с реагентом ЯРБ в присутствии сульфат-аниона, установлены геометрические структуры комплексов и константы соответствующих реакций. Комплексообразование скандия в фазе экстрагента подтверждено методами ИК- и 'Н-ЯМР спектроскопии.
-
Изучено влияние на экстракцию скандия природы разбавителя, концентраций экстрагента, скандия и сульфат-иона, оценено влияние температуры (20-5 0С).
-
Выявлено поведение элементов, сопутствующих скандию, (Ti,v, Zr , Fe ) при их экстракции из сульфатных растворов.
-
Установлены различия в поведении скандия и титана при их экстракции из растворов, содержащих пероксид водорода.
Практическая значимость. Обнаружено, что скандий может эффективно извлекаться из сернокислых сред растворами фенолформальдегидного олигомера ЯРБ при рН=3-5. Выявлены условия, при которых достигается 100%-е извлечение скандия. Изучены закономерности расслаивания фаз после экстракции скандия. Показана возможность экстракционного отделения скандия от сопутствующих элементов. Предложен способ разделения скандия и титана (подана заявка на патент №99-114376/20 от 12.7.1999), при этом высокие коэффициенты разделения элементов (ГЗті/5с до 550) достигаются в широком диапазоне рН=1,9-4.
На защиту выносится:
новый способ извлечения скандия из сульфатных растворов с использованием олигомерного реагента ЯРБ,
алгоритм физико-химического моделирования экстракционных равновесий в системах со сложным взаимодействием исходных компонентов.
основные закономерности межфазного распределения скандия в экстракционной системе,
способ разделения скандия и титана, основанный на проведении экстракции раствором ЯРБ в присутствии пероксида водорода.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации основаны на использовании современных методов исследования (ИК- и 'Н-ЯМР спектроскопии, межфазного распределения, определение возможных структур соединений методом молекулярной механики ММ+), взаимно подтверждающих полученные данные, математической обработке результатов эксперимента и использовании приборов, прошедших государственную проверку.
Аппробация. Основные результаты диссертации изложены в трудах конференции ISEC-99 (Испания, г. Барселона, 1999 год), ХІ-й Российской конференции по экстракции (г. Москва, 1998 год), V-й Международной конференции "High Technology" (г. Ярославль, 1998 год}, VI-й Международной конференции "High Technology" (г. Москва, 1999 год).
Публикации. Материалы работы представлены в S'U публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 175 страниц, 33 рисунка, 55таблиц. Библиография включает 2?5* названий работ.