Экстракция редкоземельных металлов (III) и сопутствующих элементов из многокомпонентных водно-солевых растворов нейтральными фосфорорганическими соединениями Беринский, Aлeкcaндp Ефимович

Введение к работе

Актуальность темы. Редкоземельные мегаллы (РЗМ) и их соединения используются в различных современных областях науки и техники. Для выделения, разделения и очистки РЗМ прішен>.>/ся методы жидкостной экстракции, в качестве экстрагентов для этих целей наиболее широко используются нейтральные фосфорорганические соединения (НФОС).

В производстве редкоземельных меташов НФОС применяются в процессах разделения сложных концентратов РЗМ на группы элементов и индивидуальные соединения, очистки концентратов РЗМ от естественных радиоактивных (уран, торий) и ряда нередкоземельных примесей (фосфор, кальций, За-металлы), а также при переработке вторичных концентратов (магниты, сплавы на основе РЗМ и т.п.).

Эффективным путем дальнейшего совершенствования экстракционных систем является рациональный выбор условий проведения технологических процессов, основанный на адекватном физико-химическом и математическом описании экстракционных равновесий. Поэтому получение систематических данных по распределению элементов в многокомпонентных системах с высокой концентрацией растворенных веществ и взаимному влиянию элементов, создание физико-химических и математических моделей, адексагно описывающих распределение соединений РЗМ(Ш) и сопутствующих соединении других металлов является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с Координационным планом научно-исследовательских работ АН РФ на 1996-2000 гг.- по проблеме "Теоретические основы химической технологии" и Постановлением Правительства РФ "О приоритетных направлениях развития пауки и техники" № 2727п-П8 от 21 июля 1996 г.

Целью настоящей работы явилось изучение распределения РЗМ и сопутствующих элементов (урана, тория, кальция, Зсі-металлсв), азотной и фосфорной кислот нейтральными фосфорорганическнми соединениями при высокой концентрации растворенных веществ и ширссон вариации независимых переменных состава; разработка физико-химических и математических моделей, позволяющих предсказывать распределение РЗМ и сопутствующих элементов в сложных многокомпонентных системах; разработка алгоритма расчета стационарных режимов работы противоточного каскада разделения нитратов РЗМ(Ш) и сопутствующих примесей.

Научная новизна работы.

1. Определены состав сольватов, значения констант экстракции и энтальпии реакций экстракции нитратов лаігганидов(Ш) и иттрия(ІІІ) растворами разнорадикального фосфиноксида в разбавителе. Установлено, что в зависимости от порядкового номера лантанида(Ш) значения констант экстракции образуют кривую с максимумом на европии(ІІІ)-самарии(Ш), а значения энтальпии реакций экстракции -

крив-то с двумя максимумами на самарии(Ш) и тербии(Ш)-диспрозин(ІІІ) и явно выраженным минимумом на гадолинии(ІІІ).

1. Определены состав сольватов, распределение форм в органической фазе при экстракции нитратов лантанидов(Ш) растворами смесей диоктилизоамилфосфиноксида (ДОиАФО) с три-н -бутнлфосфатом (ТБФ) и диизооктилметилфосфонатом (ДиОМФ) в разбавителях. Установлено образование однородных и смешаннолигандных сольватов шпратов РЗМ(Ш), при этом образование смешаннолигандных солызатов подчиняется статистическому фактору.

2. Разработаны физико-химическая и математическая модели, адекватно описывающие распределение нитратов РЗМ(Ш) при их экстракции из многокомпонентных растворов (концентратов РЗМ) при использовании смесей НФОС.

3. Установлено, что в отличие от систем на основе ТБФ и разбавителя, в системах ДиОМФ - разбавитель - нитраты лантанидов(Ш) - нитрат уранила (нитрат тория) не образуется третья фаза. Предложены физико-хими ;кая и математическая модели совместной экстракции нитратов РЗМ(Ш) и штратов уранила (торич) растворами НФОС в разбавителях.

5. Определены состав сольватов и значения констант экстракции
нитратов кальция, цинка, никеля и кобальта(П) при экстракции ТБФ и
ДиОМФ. Установлено, что значения констант экстракции уменьшаются
в ряду Са^:+ > Zn²⁺ > Со²⁺ > Ni²⁺. Разработаны физико-химическая и
математическая модели совместной экстракции нитратов РЗМ(Ш) и
нитратов мсгаллов(П) растворами НФОС. Определены области
концентраций компонентов, при которых происходит совместная
экстракция нитратов РЗМ(Ш) и металлов(ІІ) її области концентраций,
при которых нитраты металлов(П) действуют как высаливателн.

6. Разработаны физико-химическая и математические модели, на основе
которых построен алгоритм расчета стационарных режимов работы
протіиотсчного каскада разделения нитратов РЗМ(Ш) в варианте "от
ступени к ступени" с учетом полного базиса протекающих гетерогенных
реакций и зависимостей концентрационных констант экстракции от
состава ф^-,з.

Практическая значимость работы.

1. Полученные в работе диаграммы распределения лантанидов(ІП), а
также сопутствующих примесей в бинарных и многокомпонентных
системах представляют собой справочные данные, позволяющие
целенаправленно выбирать условия проведения технологических
процессов разделения, выделения к очистки концентратов РЗМ(Ш) с
использованием НФОС.

2. Система ДиОМФ - разбавитель может быть использована в
технологии очистки концентратов РЗМ(Ш) от естественно-
радиоактивных примесей, что позволит уменьшить число ступеней в
промывной части каскада.

3. Результаты из}чения совместной экстракции нитратов РЗМ(Ш), и кальция, цинка, никеля, и кобальта(П) НФОС могут быть использованы в технологии переработки вторичного сь —>ьл (магнитов, сплавов, концентратов РЗМ).

4. Алгоритм расчета стационарных режимов работы противоточнолэ каскада разделения нитратов РЗМ(ІІІ) может быть использовап для оптимизации режимов работы каскадов разделения и очистки РЗМ. Оптимальные режимы каскада разделения смеси нитратов самария(Ш) и кобальта(П) применены в технологической практике ОАО "Красный Химик" (г. Санкт-Пс гербург).

Апробация работы. Материалы работы обсуждались на Международной конференции "Редкоземельные металлы: переработка сырья, производство соединений и материалов на их основе" (Красноярск, 1995г.), Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (Санкт-Петербург, 1995г.), 10-й и 11-й Международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 1996, 1997гг.), Международной' конференции "Благородные и редкие металлы" (Донецк, 1997г.), научно-технической конференции аспирантов СП6ГТИ(ТУ) (Санкт-Петербург, 1997г.).

Публикации по теме диссертация. По результатам работы опубликованы 7 статей, тезисы 7 докладов, 3 бюллетеня СПбЦНТИ.

Объем и структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, основных итогов и выводов, списка использованных источников (205 наименований), списка работ, опубликованных по теме диссертации и приложения, содержит 222 стр., 56 рисунков и 22 таблицы.