Способ получения оксида скандия

Способ получения оксида скандия

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области технологии неорганических веществ и может быть использовано на предприятиях гидрохимического и гидрометаллургического профиля для получения чистых (более 99%) соединений скандия, в частности оксида скандия высокой чистоты (>99,99%) из скандийсодержащих промпродуктов и концентратов.

Известен (А.С. СССР №191503; МКИ C 01 F 17/00; 1967 г.) способ получения оксида из белитового шлама - продукта переработки красных шламов алюминиевого производства. Известный способ заключается в следующем. Белитовый шлам, содержащий %: 0,008÷0,01 скандия, 3,2 оксида железа, 4,3 оксида титана, 33,0 оксида кальция, 15,5 оксида кремния и др., после измельчения сульфатизируют серной кислотой и выщелачивают водой при Ж:Т=2:1. Фильтрат обрабатывают избытком 10%-ного раствора гидроксида натрия для отделения алюминия. Для отделения скандия от титана и некоторых других металлов четвертой-шестой групп гидратный кек растворяют в серной кислоте, взятой с 20%-ным избытком от теоретически необходимого количества. Образовавшиеся сульфаты прокаливают при 700°С в течение 3-4 ч, после чего обрабатывают водой (Ж:Т=10:1) при комнатной температуре в течение 30 мин. В раствор переходят соединения скандия, натрия, РЗЭ и др. Раствор обрабатывают щелочным реагентом до рН 5,3 при этом осаждаются гидроксиды и гидроксокарбанаты скандия, железа и частично марганца. Полученный осадок растворяют в соляной кислоте, и после отделения осадка от кремниевой кислоты раствор нейтрализуют до рН 1-3 и обрабатывают равным объемом 20%-ного раствора карбоната натрия при 20÷23°С. Осадок - железистый кек - направляют в отвал, фильтрат подкисляют соляной кислотой и осаждают раствором аммиака гидроксиды. Осадок растворяют в соляной кислоте и доводят рН раствора до 2,5, после чего фторидом натрия осаждают комплексный фторид скандия-натрия. Этот осадок обрабатывают серной кислотой для удаления избытка серного ангидрида. Сульфат скандия растворяют в воде и раствором аммиака осаждают гидроксиды, которые затем растворяют в соляной кислоте и проводят эфирную экстракцию роданида скандия. Последний выделяют из эфирного слоя и окончательно очищают щавельной кислотой. После прокалки оксалата получают оксид скандия с содержанием основного вещества свыше 99,7% и выходом 60÷80%.

Известный способ характеризуется рядом недостатков, основными из которых являются сложность и многостадийность процесса; высокие потери скандия в процессе переработки.

Известен (Байбеков М.К. и др. Производство четыреххлористого титана - М.: Металлургия, 1987 г., с.113-116) способ получения оксида скандия из скандийсодержащих концентратов - промпродуктов технологии переработки отходов титанового производства. Способ заключается в следующем. Скандийсодержащий (40÷60%) концентрат (технический оксид скандия), полученный в результате переработки отходов титанового производства, обрабатывают соляной кислотой, раствор подвергают контрольной фильтрации и направляют на экстракционную очистку скандия от примесей с использованием трибутилфосфата, из реэкстракта щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Промытый оксалат скандия прокаливают при 700°С и растворяют в азотной кислоте. Раствор обрабатывают йодатом калия, осадок йодатов тория, циркония и др. примесей отделяют фильтрованием. Из раствора аммиаком осаждают гидроксид скандия, который затем растворяют в соляной кислоте. Полученный раствор обрабатывают щавелевой кислотой, выделившийся осадок оксалата скандия отфильтровывают, промывают, сушат и прокаливают при 700°С с получением оксида скандия (99,0% и 99,9%). Выход оксида скандия из концентратов в товарный продукт 70-80%.

Недостатками этого способа также являются сложность и многостадийность процесса; высокие потери скандия в процессе переработки концентратов.

Известен (А.С. СССР №1683920 с приоритетом от 06.02.1989 по заявке МКИ С 01 F 17/00) способ получения оксида скандия, заключающийся в следующем.

Первичный скандиевый концентрат, полученный от переработки отработанного плава титановых хлораторов, выщелачивают солянокислым раствором. Полученный скандиевый раствор очищают от примесей (Th, Zr и др.) путем введения в солянокислый раствор хлорида бария в количестве, обеспечивающем его массовое отношение к сумме осаждаемых примесей, равное (30÷50):1, при содержании в растворе серной кислоты в количестве 110÷160% от стехиометрически необходимого на образование сульфата бария и 200÷300 г/л хлорида натрия и/или кальция при пересчете на хлорид-ион.

Образовавшийся осадок, содержащий металлы-примеси, отделяют и в очищенный раствор вводят щавелевую кислоту, осаждают оксалат скандия и прокаливают. Выход скандия в конечный продукт составил 95%, содержание основного вещества - 98,5%.

Недостатком этого способа является неудовлетворительная чистота получаемого оксида скандия.

Из известных аналогов близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является известный (патент РФ №2069191 по заявке №93037884/26 с приоритетом от 23.07.1993 г. зарегистрирован и опубл.: 20.11.1996 г.; бюл. №32, МКИ С 01 F 17/00) способ получения оксида скандия - принят за ПРОТОТИП.

Способ получения оксида скандия по прототипу заключается в следующем.

Скандийсодержащий концентрат растворяют в минеральной кислоте, раствор обрабатывают серной кислотой до ее концентрации в растворе 260÷400 г/дм³. Осадок отделяют от раствора, промывают, растворяют в воде. Осаждают малорастворимые соединения скандия - гидроксиды и/или оксалаты скандия, осадки отфильтровывают, промывают, сушат и прокаливают с получением товарного оксида скандия высокой чистоты (99,99%). Недостатками способа-прототипа являются сложность технологии и весьма существенные (10-12%) потери скандия.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в упрощении процесса и снижении потерь скандия в процессе переработки концентрата. Данная задача решается предлагаемым способом получения оксида скандия, сущность которого выражается следующей совокупностью существенных признаков:

- растворение скандийсодержащего концентрата в минеральной (соляной, серной, азотной) кислоте; преимущественно 250÷300 г/дм при 80÷120° в течение 1-4 часов; (раствора пульпы сульфатсодержащим неорганическим соединением, например H₂SО₄ и/или Na₂SО₄ и затем BaCl₂);

- очистка скандиевого раствора от примесей, путем обработки;

- обработка очищенного скандиевого раствора щелочными реагентами: NaOH, NН₄OH, Na₂CO₃, (NН₄)₂CO₃ с концентрацией 20-120 г/дм³, осаждение из раствора малорастворимых соединений скандия: оксигидрата скандия или гидроксокарбоната скандия;

- фильтрование пульпы, отделение скандиевого осадка от раствора;

- обработка осадка муравьиной кислотой в количестве, обеспечивающем ее концентрацию в суспензию 60÷90%, преимущественно 70÷80%;

- отделение осадка формиата скандия от маточного раствора;

- регенерация муравьиной кислоты из маточного раствора и ее возврат в технологический процесс получения оксида скандия;

- промывка осадка формиата скандия муравьиной кислотой, сушка и прокалка осадка с получением товарного оксида скандия.

Выбор вышеуказанных условий, реагентов и параметров процесса, последовательности операций осуществлен на основании результатов сравнительных опытов и испытаний различных способов получения оксида скандия. Экспериментально было установлено, что совокупность технических приемов по предлагаемому способу обеспечивает получение технического результата, заключающегося в упрощении технологии, сокращении потерь скандия с отходами производства и увеличением степени его извлечения в товарный оксид скандия чистотой >99,99%.

Таким образом, анализ совокупности признаков заявленного изобретения и достигаемого при этом результата показывает, что между ними существует вполне определенная причинно-следственная связь, выражающаяся в том, что осуществление процесса получения оксида скандия в строго определенных вышеуказанных условиях, режимах и параметрах процесса: последовательность операций, наличие новых действий, использование определенных веществ, определенное количество (концентрация) реагентов и строго определенный порядок введения реагентов, обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в упрощении технологии, сокращении потерь скандия и увеличении “выхода” - степени извлечения скандия в товарный продукт - оксид скандия высокой чистоты (>99,99%).

При нарушении вышеуказанных режимов процесса, последовательности действий и пр. вышеуказанный технический результат не достигается.

Анализ патентной и научно-технической документации свидетельствует о том, что в источниках информации не обнаружено описание способов, аналогичных предложенному и совпадающих с заявленным техническим решением по совокупности существенных признаков.

Анализ уровня техники в отношении совокупности всех существенных признаков заявленного технического решения показывает, что предложенный способ соответствует критерию новизны.

Проверка соответствия заявленного изобретения требованию “изобретательского уровня” в отношении совокупности существенных признаков свидетельствует о том, что предлагаемый способ не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники.

Результатом сравнительных испытаний эффективности известного способа (прототип) и предлагаемого технического решения приведены в примерах.

Примеры:

Скандийсодержащий концентрат, полученный в результате переработки отходов титанового производства, имел следующий химический состав, мас.%: 38,0 скандия (58,0 оксида скандия), 2,6 железа, 4,2 циркония, 1,2 тория, 4,0 кальция и др. С этим концентратом проведены опыты по его переработке с получением оксида скандия в соответствии с известным (по прототипу) и предлагаемым способами.

Пример 1 (по известному способу-прототипу)

50,0 г. скандийсодержащего концентрата обрабатывали 350 см³ соляной кислоты 300 г/дм³ в течение 1ч при кипячении. Кислотонерастворимый остаток отделили от раствора фильтрованием. Полеченный раствор обрабатывали концентрированной серной кислотой до ее концентрации в скандийсодержащем растворе 350 г/дм³. Выделившийся осадок сульфата скандия отделяли от раствора, промывали раствором серной кислоты (350 г/дм³) и растворяли в воде. Полученный раствор подвергали контрольной фильтрации для отделения мути (сульфата кальция). Скандийсодержащий раствор после корректировки кислотности (рН 2,0) нагрели до 80°С и обработали щавелевой кислотой. Оксалат скандия отделяли от раствора, промывали, высушили и прокалили при 700°С. Полученный оксид скандия проанализировали на содержание примесей, мас.%: 0,007 SiO₂, 0,02 P₂O₅, 0,0004 MnО₂, 0,001 Fe₂O₃, 0,004 MgO, <0,001 Аl₂О₃, 0,009 CaO, <0,0003 Yb₂О₃, 0,010 ZrO₂, 0,002 ThO₂. Сумма примесей 0,008%, вес полученного продукта - 25,8 г., т.е. потери скандия при переработке концентрата в оксид - 11%.

Пример 2 (по предлагаемому способу)

50,0 г. скандийсодержащего концентрата обрабатывали 350 см³ НСl 300 г/дм³ в течение 1 часа при кипячении. Для очистки скандиевых растворов от основной массы примесей (Th, Zr, Hf и др.) в раствор (пульпу) вводили Na₂SO₄ и BaCl₂, пульпу фильтровали, осадок (кислотонерастворимый остаток, сумма сульфатов Ва/Са с “захваченными” металлами-примесями) отделяли от очищенного скандиевого раствора. Из этого раствора осаждали оксигидрат скандия путем обработки щелочным реагентом - раствором NaOH (40 г/дм³). Осадок оксигидрата скандия отфильтровывали, промывали на фильтре водой, отжимали - удаляли избыток влаги из осадка и затем обрабатывали муравьиной кислотой, которую брали в количестве, обеспечивающем содержание свободной муравьиной кислоты в суспензии 75±2%. В этих условиях практически все соли металлов-примесей переходят из твердой фазы в раствор муравьиной кислоты, а скандий остается в твердой фазе в форме формиата скандия. Полученную таким образом суспензию фильтровали, осадок формиата скандия промывали муравьиной кислотой и затем сушили (90÷120°С) и прокаливали при 700±10°С с получением товарного оксида скандия высокой чистоты (99,99%). Результаты химического анализа при проведении балансовых опытов показали, что сумма всех примесей в товарном продукте (Sc₂O₃) по предлагаемому способу не превышает 0,004%, а потери Sс₂O₃ составляют в среднем 2,5÷0,5%, что значительно меньше, чем в способе-прототипе (10÷12%).

Таким образом, предлагаемый способ, обеспечивая получение Sс₂O₃ высокой чистоты (<99,99%), дает возможность существенно снизить потери скандия и увеличить тем самым степень извлечения Sc в товарную продукцию.

1. Способ получения оксида скандия, включающий растворение скандийсодержащего концентрата в минеральной кислоте, очистку скандиевого раствора от примесей, отделение осадка от скандиевого раствора, его обработку щелочным реагентом, фильтрование пульпы, отделение осадка оксигидрата скандия от раствора, отличающийся тем, что осадок оксигидрата скандия обрабатывают муравьиной кислотой, суспензию фильтруют, осадок формиата скандия отделяют от маточного раствора - муравьиной кислоты, промывают, сушат и прокаливают.

2. Способ по п.1 отличающийся тем, что растворение скандий содержащего концентрата ведут в растворе соляной кислоты с концентрацией 250÷300 г/дм³ при 80÷120°С в течение 1÷4 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку скандиевых растворов от примесей ведут путем обработки растворов сульфатсодержащим неорганическим соединением, например, H₂SО₄ и/или Na₂SО₄ и затем BaCl₂.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве щелочного реагента для осаждения малорастворимых соединений скандия используют гидроксид или карбонат натрия и/или аммония с концентрацией 20÷120 г/дм³.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку осадка оксигидрата скандия ведут муравьиной кислотой, взятой в количестве, обеспечивающем ее содержание в суспензии 60÷90%, преимущественно 70÷80%, а из маточного раствора после фильтрования суспензии муравьиную кислоту регенерируют и возвращают на стадию обработки оксигидрата скандия.