Введение к работе
Актуальность работы. Уникальные свойства скандия и его соединений способствуют необычайно быстрому развитию различных областей его применения. Скандий и его соединения сегодня используют в микроэлектронике, ракетостроении, авиастроении и других областях науки и техники. Однако расширению областей применения и увеличению объёмов использования скандиевой продукции препятствует её высокая стоимость, обусловленная отсутствием у скандия промышленно-значимых минералов, его рассеянностью, а, следовательно, сложностью технологии его извлечения.
Следует подчеркнуть, что процессы, связанные с попутным извлечением скандия, являются преимущественно гидрометаллургическими. Одним из самых распространенных, дешевых и эффективных вскрывающих реагентов в химической технологии скандия является соляная кислота, поэтому переработка солянокислых растворов с целью извлечения из них скандия представляет особый интерес. В связи с высоким потреблением и постоянно растущими потребностями в титане, одним из наиболее важных сырьевых источников скандия являются ильменитовые концентраты. При переработке их методом хлорирования в расплаве хлоридов натрия, калия и магния или в брикетированном состоянии с получением тетрахлорида титана скандий концентрируется в отходах производства. Наиболее перспективным сырьем для извлечения Sc является отработанный плав титанового хлоратора.
Известен ряд способов извлечения скандия и получения его соединений из отходов и промпродуктов металлургических производств. Экстракция среди известных способов извлечения скандия занимает лидирующее место, благодаря высокой селективности, большой производительности, возможности организации замкнутых технологических циклов. Тем не менее, существующие в настоящее время технологии производства скандия сложны и многостадийны. Применение новых высокоэффективных и доступных экстрагентов позволило бы упростить технологию получения соединений скандия и, как следствие, снизить себестоимость их промышленного производства.
Наиболее эффективными экстрагентами скандия являются хелатообразующие соединения, но применению в технологических масштабах препятствует их высокая стоимость. В то же время соединения, получаемые конденсацией (поликонденсацией) фенола, этаноламинов и формальдегида, являются дешевыми, крупнотоннажными продуктами, причём некоторые из них могут быть использованы в экстракционных технологиях. Из литературных данных известно , что для скандия эффективными экстрагентами являются экстрагенты фенольного типа, содержащие донорные атомы азота.
В связи с вышеизложенным, исследования, направленные на поиск эффективных и доступных экстрагентов для экстракционного концентрирования и очистки скандия из хлоридных растворов сложного солевого состава, изучение химии экстракции этими реагентами и разработка
1 Семёнов С.А., Валкина Е.М., Резник A.M. Экстракция скандия фенолформальдегидными резольными олигомерами // Журн. неорган, химии.- 1994.-Т.39, № 4.- С.670-674.
на этой основе способов концентрирования и очистки скандия весьма актуальны. Данная работа является продолжением выполненных на кафедре исследований по испытанию экстрагентов фенольного типа для экстракции скандия и других редких и рассеянных элементов.
Цель работы. Разработка процессов экстракционного извлечения, концентрирования и очистки соединений скандия из солянокислых растворов с использованием фенольного экстрагента ]Ч-(2-гидрокси-5-нонилбензил)-|3-гидроксиэтилметиламин (НБЭА-2).
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Определение оптимальных условий экстракции скандия НБЭА-2;
Изучение стехиометрии экстракции скандия;
Установление состава и строения экстрагируемого комплекса физико-химическими методами;
Изучение экстракции сопутствующих скандию элементов;
Технологическое применение полученных результатов.
Научная новизна. Предложен новый эффективный экстрагент N-(2-
гидрокси-5-нонилбензил)-Р-гидроксиэтилметиламин (НБЭА-2) для
экстракционного извлечения и концентрирования скандия из растворов сложного солевого состава. Выявлены основные закономерности процесса, установлена стехиометрия экстракции скандия
На основании данных по межфазному распределению и результатов физико-химических исследований (масс-спектрометрия с ионизацией в индуктивно-связанной плазме (ИСП-МС), высокоэффективная жидкостная хроматография с масспектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС), спектроскопия ядерного магнитного резонанса на атомах водорода (ЯМР на Н), инфракрасная спектроскопия (ИК), молекулярное моделирование) предложены состав и строение хелатного комплекса скандия, образующегося при экстракции скандия НБЭА-2 из хлоридных растворов.
Выявлено поведение элементов сопутствующих скандию (А1, V(V), Fe(III), Y, Mn(II), Cr(III)) при их экстракции из хлоридных растворов и Ті, Nb и Sc при их экстракции из пероксидных растворов.
Предложен метод оптимизации структуры новых экстрагентов. С помощью разработанного метода сконструирован потенциально перспективный экстрагент фенольного типа.
Практическая значимость.
Установлено, что скандий может эффективно извлекаться из хлоридных растворов растворами НБЭА-2 (ESc>88.6%, при рН=4.4-4.6)
Показана возможность экстракционного отделения скандия от ряда сопутствующих ему металлов.
Предложен способ отделения Sc от Мп (подана заявка на патент -«Способ очистки скандия от марганца» № 2009140174, 30.10.2009.). При этом высокие коэффиценты разделения элементов (Рмп/sc до 127.5) достигаются в интервале рН=2.9-3.3.
На основании полученных данных предложена принципиальная технологическая схема извлечения скандия из плава хлоратора титанового производства с использованием в качестве экстрагента НБЭА-2.
Разработан метод оптимизации структруры новых экстрагентов.
На защиту выносится:
Новый экстрагент для извлечения и концентрирования скандия из хлоридных растворов;
Основные закономерности межфазного распределения скандия в системе с предложенным реагентом;
Способ экстракционного извлечения, концентрирования и очистки скандия из хлоридных растворов.
Метод оптимизации структуры новых экстрагентов. Достоверность и обоснованность результатов диссертации базируются
на использовании современных методов исследования (масс-спектрометрия с ионизацией в индуктивно-связанной плазме (ИСП-МС), высокоэффективная жидкостная хроматография с масспектрометрическим детектированием (ВЭЖХ-МС), спектроскопия ядерного магнитного резонанса на атомах водорода (ЯМР на Н1), инфракрасная спектроскопии (ИК), межфазное распределение, определение возможной структуры соединения методами молекулярной механики ММ+ и полуэмпирического метода ZINDO/1), взаимно подтверждающих полученные данные, математической обработки результатов эксперимента и использовании приборов, прошедших государственную поверку.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на III-ей Молодежной научно-технической конференции "Наукоемкие химические технологии" (г.Москва, 2009г.), П-ом Международном симпозиуме по сорбции и экстракции (г.Владивосток, 2009г.), на ХШ-ой Международной научно-технической конференции "Наукоёмкие химические технологии" (г.Иваново, 2010г.), Ш-ем Международном симпозиуме по сорбции и экстракции "Сорбция и экстракция: проблемы и перспективы" (г.Владивосток, 2010).
Публикации. Материал работы представлен в 8-ми публикациях (3 статьи, 3 тезиса докладов и 2 материала конференции).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 171 страницу, 65 рисунков, 59 таблиц. Библиография включает 232 наименования.
