Способ получения палладия, растворимого в азотной кислоте

Способ получения палладия, растворимого в азотной кислоте

Реферат

Изобретение относится к области химии платиновых металлов, в частности к получению палладия, применяемого в качестве исходного вещества, для промышленного получения растворов азотнокислого палладия для получения других соединений палладия, например для синтеза ацетата палладия.

Известен способ получения порошка палладия, основанный на нагревании окисленной палладиевой губки в азотноаммиачной среде, которая служит и защитной средой до охлаждения дисперсного металла (Патент РФ №2186863). Исходная палладиевая губка получена при прокаливании транс-[Pd(NH₃)₂Cl₂] до температур 800-900°С в воздушной атмосфере. Температура на стадии восстановления губки поддерживается в пределах 200-500°С, охлаждение в защитной среде ведется до 150-50°С. Недостатком способа является получение порошка палладия с частично окисленной поверхностью, что негативно влияет на растворимость в азотной кислоте и качество образующегося раствора азотнокислого палладия. При растворении полученного порошка палладия в азотной кислоте 10-20% металла остается нерастворившимся из-за пассивированной поверхности. Добавление соляной кислоты из расчета 50 мл на килограмм металла (добавление большего количества соляной кислоты приводит к образованию PdCl₂, малорастворимого в упаренном азотнокислом растворе) повышает растворимость, но не до полного растворения. В связи с этим такой раствор азотнокислого палладия необходимо фильтровать, что является продолжительной операцией из-за высокой дисперсности осадка. Также недостатком растворения палладия в азотной кислоте в присутствии соляной кислоты является образование нитрозильных соединений, которые стабилизируются в присутствии хлорид-ионов. Присутствие нитрозильных соединений может существенно влиять на качество раствора азотнокислого палладия и в дальнейшем вызывать реализацию побочных реакций.

Известен способ получения нитрата палладия, в котором исходную палладиевую чернь получают восстановлением палладиевого соединения в суспензии с восстановителем - раствором гидрохлорида гидроксиламина с концентрацией 15 г/л и при соотношении твердое/жидкость - 1/(2-3), с декантацией образующейся черни в воде с соотношением палладий/вода - 1/2 (Патент РФ №2242429). Недостатком способа является повышенная химическая активность образующейся черни, что является причиной ее частичной пассивации как на воздухе перед растворением, так и в концентрированной азотной кислоте. Поэтому растворение в азотной кислоте проводят в присутствии соляной кислоты, что ухудшает качество образующегося раствора азотнокислого палладия присутствием в нем нитрозирующих агентов. При этом недостатком такого способа получения палладиевой черни является ее плохая промывка, так как декантация не позволяет практически полного удаления растворимых продуктов реакции, что обуславливает загрязнение получаемого раствора азотнокислого палладия дополнительными хлорид-ионами.

Известен способ получения металлического палладия путем восстановления оксида палладия жидкими спиртами, такими как этанол, изопропанол, н-пропанол или н-бутанол (Патент Японии №6145827). Недостатком способа является образование порошков палладия с высокой химической активностью, что приводит к пассивации их поверхности. Поэтому взаимодействие таких порошков с азотной кислотой приводит только к их частичному растворению. При этом получение таких порошков в промышленных количествах не безопасно, так как образуемый порошок может быть катализатором воспламенения паров спирта в воздушной атмосфере.

Известен способ получения сферических порошков палладия восстановлением водных растворов [Pd(NH₃)₄]Cl₂ в присутствии хлорида аммония и определенных ПАВ гидразином при рН раствора от 5.5 до 9 (Патент Японии №6145727). Недостатком способа является образование порошка палладия с пассивированной поверхностью, что при взаимодействии с азотной кислотой приводит к неполной растворимости. Применение ПАВ также недостаток для растворяемого материала, так как требует более продолжительной отмывки металлического порошка или его отжига. Взаимодействие ПАВ с азотной кислотой и раствором азотнокислого палладия приводит к его окислению и может сопровождаться образованием различных нитроорганических соединений, что также может влиять на качество продукта получаемого из азотнокислого раствора. Отжиг материала для удаления ПАВ приводит к окислению поверхности и увеличению пассивационного слоя на поверхности металла, что обуславливает неполное растворение в азотной кислоте.

Известны способы получения порошка палладия, устойчивого к окислению, путем восстановления водных растворов [Pd(NH₃)₄]Cl₂ в присутствии хлорида аммония и определенных ПАВ различными восстановителями, выделения образовавшегося металла и его прокаливания в определенных температурных режимах при атмосферном давлении или под давлением (Патенты Японии №6299211 и 6299212). Недостатком способов является образование порошков палладия с частично окисленной поверхностью, которая еще больше пассивируется при выдерживании порошков при повышенных температурах. Такой материал только частично растворяется в азотной кислоте.

Известен способ получения металлического порошка палладия путем восстановления транс-[Pd(NH₃)₂Cl₂] при температуре 80-90°С смесью концентрированных водных растворов муравьиной кислоты и аммиака при массовом соотношении НСООН/NH₃·H₂O не менее 1/0.3, при перемешивании и рН 6 (Патент РФ №2136769). Недостатком способа является получение порошка палладия с частично пассивированной поверхностью, что при взаимодействии с азотной кислотой может приводить к неполному растворению.

Известен лабораторный способ получения металлического порошка палладия для растворения в азотной кислоте путем восстановления раствора PdCl₂ (0.5 г, 11.7 ммоль) в 50 мл воды смесью гидроксида натрия (1.0 г, 25 ммоль) и формиата натрия (0.8 г, 11.7 ммоль), с последующим выдерживанием образовавшегося металла до его коагуляции при перемешивании в течение 30 мин, фильтрацией металла, его промывкой в воде и ацетоне и высушивании под вакуумом (Bakhmutov V.I., Berry J.F., Cotton F.A. et al. // Dalton Trans. 2005. p.1989-1992). Недостатком способа является неполное растворение металлического палладия в азотной кислоте при получении металла в промышленных количествах. Так как формирование черни происходит в щелочной среде, то это не исключает образования пассивированной поверхности. Для получения чистого металла необходимо удаление щелочи, что требует обильного и продолжительного промывания водой. При этом для высушивания металла используется ацетон, что недопустимо для получения металла в промышленном количестве, так как может приводить к воспламенению паров ацетона над чернью.

Известен лабораторный способ получения палладиевой черни для растворения в азотной кислоте путем восстановления хлорида палладия боргидридом натрия (Козицына Н.Ю., Мартенс М.В., Столяров И.П. и др. // Журнал неорганической химии. 1999. №11. с.1920-1927). Недостатком способа является неполное растворение металлического палладия в азотной кислоте при получении металла в промышленных количествах. Так как формирование палладиевой черни происходит активным восстановителем, это обуславливает образование поверхности металла не устойчивого к пассивации в воздушной атмосфере и в растворе концентрированной азотной кислоты. Так же применение NaBH₄ приводит к образованию в продуктах восстановления борной кислоты, что требует более тщательной отмывки черни, так как содержание примесей бора в целевых продуктах часто сильно ограничено.

Известен способ получения порошка металлического палладия путем восстановления транс-[Pd(NH₃)₂Cl₂] в смеси с металлическим палладием (1 г соединения палладия - 1 мг палладиевой черни) водородом в воздушной смеси при 20-25°С в течение 7-10 мин и соотношении объемов подаваемых водорода и воздуха (V(Н₂)/V(возд)) равном 1/0.5-2 (Авторское свидетельство SU №1748953). Недостатком способа является применение водорода, так как промышленная работа с ним и его хранение требуют специальных мер безопасности.

Известен способ получения металлического палладия путем восстановления нейтрализованного водного раствора хлоропаладата аммония солянокислым гидразином при рН≥2 или муравьиной кислотой при рН≥6 с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой полученного металла при 90-100°С (Патент РФ №2254387). Данный способ принят за прототип.

Недостатком способа является образование металлического порошка с частично окисленной поверхностью, из-за чего взаимодействие с азотной кислотой характеризуется неполным растворением порошка. Высушивание материала при повышенных температурах способствуют еще большей пассивации, из-за чего понижается растворимость в азотной кислоте.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является стабильное и простое получение палладия, практически полностью растворимого в азотной кислоте, безопасного в чистой воздушной атмосфере и устойчивого к пассивации на воздухе без дополнительного нагревания и в концентрированной азотной кислоте при растворении.

Заданный технический результат достигается восстановлением солянокислого водного раствора H₂[PdCl₄], упаренного до начала кристаллизации PdCl₂, формиатом натрия в виде (20-50)%-ного водного раствора или формиатом аммония в виде (20-70)%-ного водного раствора, или муравьиной кислотой в виде (70-95)%-ного водного раствора, подогретых до (50-110)°С, и взятых в количестве (110-150)% от мольного количества палладия, при температуре восстановления (50-110)°С, с доведением кислотности раствора до значения рН (3-5) добавлением (5-15)%-ного водного раствора аммиака.

Сущность способа состоит в том, что восстановление палладия до металлического состояния осуществляется в кислой и слабокислой средах восстановителем средней активности. Выбор восстановителя основывается на образовании палладиевой черни, устойчивой к пассивации кислородом воздуха, и концентрированной азотной кислоты. В присутствии активного восстановителя (например, боргидрида натрия, гидразина или гидроксиламина) происходит образование химически активной палладиевой черни, которая при взаимодействии с кислородом воздуха или азотной кислотой образует пассивационный (оксидный) слой на поверхности или локальные участки, что затрудняет полное растворение такой черни. Для предотвращения образования активной к пассивации поверхности в роли восстановителя подходит формиат-ион. Так как его восстановительная способность увеличивается в щелочной среде и так как в присутствии оснований возможна пассивация палладиевой черни, то процесс восстановления палладия осуществляется в кислой и слабокислой средах.

Из-за того, что палладиевая чернь проявляет каталитическую активность и способна активно взаимодействовать с рядом веществ с выделением газообразных продуктов, то при ее получении необходимо учитывать возможность "вспенивания" раствора и выноса вещества из реактора. Для того чтобы в присутствии муравьиной кислоты не происходило сильного выделения газов, процесс восстановления осуществляется в концентрированном растворе, что не позволяет образовавшейся черни (до ее коагуляции) образовать поверхностный слой, обогащенный выделяющимися газами. Поэтому исходный раствор палладия упаривается до начала кристаллизации, и ввод реагентов в предлагаемом процессе осуществляется, по возможности, в концентрированном состоянии.

В ходе проведенных исследований установлено, что для проведения процесса получения палладия, растворимого в азотной кислоте, восстановлением солянокислого раствора тетрахлорпалладиевой кислоты формиатом натрия или аммония в кислой и слабокислой среде оптимальными условиями являются:

- температура восстановления раствора H₂[PdCl₄] формиатом натрия или аммония или муравьиной кислотой - (50-110)°С;

- количество формиата натрия или формиата аммония, или муравьиной кислоты в исходном водном растворе восстановителя - (110-150)% от мольного количества палладия в исходном соединении;

- содержание формиата натрия в исходном водном растворе восстановителя - (20-50)%;

- содержание формиата аммония в исходном водном растворе восстановителя -(20-70)%;

- начальная температура водного раствора формиата натрия или формиата аммония, или муравьиной кислоты - (50-110)°С;

- доведенное значение рН раствора восстановления - (3-5);

- содержание аммиака в водном растворе, понижающем кислотность раствора восстановления - (5-15)%;

- содержание муравьиной кислоты в исходном водном растворе восстановителя -(70-95)%;

- упаривание солянокислого раствора H₂[PdCl₄] до содержания палладия не менее 300 г/л.

Повышение температуры восстановления раствора H₂[PdCl₄] формиатом натрия или формиатом аммония, или муравьиной кислотой выше 110°С может сопровождаться частичным окислением образующейся палладиевой черни, что приводит к неполному ее растворению в азотной кислоте. Такое повышение температуры также приводит к вскипанию раствора, что при добавлении восстановителя может приводить к разбрызгиванию реакционной массы. Понижение температуры восстановления раствора H₂[PdCl₄] формиатом натрия или аммония ниже 50°С приводит к замедлению процесса восстановления, что увеличивает продолжительность процесса.

Увеличение количества формиата натрия или формиата аммония, или муравьиной кислоты в водном растворе восстановителя более 150% от мольного количества палладия в исходном соединении приводит к излишнему расходованию реагентов. Уменьшение количества формиата натрия в водном растворе восстановителя менее 110% от мольного количества палладия в исходном соединении может приводить к его недостатку и неполному восстановлению палладия.

Увеличение содержания формиата натрия в водном растворе восстановителя более 50% приводит к его неполному растворению вплоть до температур кипения раствора, что может приводить к его недостатку в системе восстановления палладиевого соединения. Уменьшение содержания формиата натрия в водном растворе восстановителя менее 20% приводит к разбавлению раствора водой, что может вызывать пассивацию поверхности образующегося металла и его неполное растворение в азотной кислоте. Применение более разбавленного раствора формиата натрия также приводит к "вспениванию" раствора в процессе восстановления палладия, что может приводить к выносу материала из реактора.

Увеличение содержания формиата аммония в водном растворе восстановителя более 70% приводит к увеличению плотности раствора, что обуславливает проведение процесса восстановления в вязком растворе, что затрудняет усреднение процесса восстановления. Из-за этого могут возникать локальные эффекты образования пассивированной поверхности металла, что при растворении металла в азотной кислоте приводит к неполному растворению. Уменьшение содержания формиата аммония в водном растворе восстановителя менее 20% приводит к разбавлению раствора водой, что может вызывать пассивацию поверхности металла при его образовании, и как следствие - его неполное растворение в азотной кислоте. Применение более разбавленного раствора формиата аммония также приводит к "вспениванию" раствора в процессе восстановления палладия, что может приводить к выносу материала из реактора.

Повышение температуры водного раствора формиата натрия или формиата аммония, или муравьиной кислоты выше 110°С ограничено вскипанием раствора. Понижение температуры водного раствора формиата натрия или муравьиной кислоты 50°С приводит к замедлению восстановления, что увеличивает продолжительность процесса.

Увеличение доведенного значения рН раствора восстановления выше 5 может вызывать частичную пассивацию металла при восстановлении, что при растворении в азотной кислоте приводит к неполному растворению. Уменьшение доведенного значения рН раствора восстановления ниже 3 вызывает снижение восстановительной способности формиат-ионов, что может приводить к неполному восстановлению палладия.

Увеличение содержание аммиака в водном растворе, понижающем кислотность раствора восстановления, более 15% может приводить к локальному образованию щелочного раствора и вызывать частичную пассивацию поверхности образованного металла, что при его растворении в азотной кислоте вызывает неполное растворение. Уменьшение содержание аммиака в водном растворе, понижающем кислотность раствора восстановления, менее 5% приводит к разбавлению раствора восстановления, что приводит к "вспениванию" раствора в процессе восстановления палладия, что может приводить к выносу материала из реактора.

Увеличение содержания муравьиной кислоты в водном растворе восстановителя более 95% приводит к удорожанию процесса, так как требует специального обезвоживания стандартного коммерческого реактива - муравьиной кислоты или использования более дорогой и требующей специального хранения безводной муравьиной кислоты. При этом муравьиная кислота, более концентрированная чем 95%, обладает большей летучестью и из-за этого увеличивается риск получения химического ожога. Уменьшение содержания муравьиной кислоты в водном растворе восстановителя менее 70% приводит к разбавлению раствора восстановления, что вызывает "вспенивание" раствора в процессе восстановления палладия, что может приводить к выносу материала из реактора.

Уменьшение содержания палладия в солянокислом растворе H₂[PdCl₄] менее 300 г/л при его восстановлении приводит к "вспениванию" раствора, которое может сопровождаться выносом образовавшегося металла из реактора. Это обусловлено интенсивным газовыделением, сопровождающим разложение муравьиной кислоты палладиевой чернью до ее коагуляции. Проведение восстановления в растворе с концентрацией палладия более 300 г/л приводит к быстрой коагуляции палладиевой черни, что не ведет к образованию сплошного поверхностного слоя из мелкодисперсного металла, обогащенного газообразными продуктами разложения муравьиной кислоты.

Пример осуществления способа

В качестве исходного продукта для опытов №№1-49 (таблицы 1.1-1.3) по получению палладия, растворимого в азотной кислоте, был приготовлен солянокислый раствор тетрахлорпалладиевой кислоты растворением губки металлического палладия в растворе соляной и азотной кислот, его упариванием, разбавлением соляной кислотой и повторным упариванием. Операцию разбавления соляной кислотой и упаривания повторяли три раза. Содержание палладия в полученном растворе 450 г/л.

Пример 1

В определенный объем подогретого до заданной температуры и упаренного до начала кристаллизации хлорида палладия (II), солянокислого раствора H₂[PdCl₄] порционно и при перемешивании вливали определенное количество прогретого до заданной температуры раствора формиата натрия или формиата аммония, или муравьиной кислоты. Затем в полученный раствор с частично восстановленным палладием при перемешивании и заданной температуре порционно вливали водный раствор аммиака до необходимого значения рН и выдерживали при перемешивании и прогревании до заданной температуры до образования прозрачного раствора и коагуляции восстановленного палладия. Затем раствор с дисперсным металлом охлаждали до температуры 20-40°С. Чернь выгружали на фильтр, промывали дистиллярованной водой и отжимали. Полученный металл направляли на растворение в азотной кислоте или на хранение в эксикатор с осушителем. Фильтрованные растворы после определения содержание палладия направляли на доизвлечение палладия или сливали (в зависимости от результата анализа). Данные опытов приведены в таблицах 1.1-1.3 (опыты №№1-49). Опыты №1, 17, 18, 34 являются оптимальными для предлагаемых условий, остальные приведены для указания граничных условий экспериментов.

Качество получаемой черни определяли растворением 5 г образца полученного металла в 20 мл концентрированной азотной кислоты, через 7-10 сут после получения, и хранившегося на открытом воздухе при 15-25°С. В экспериментах, не помеченных символом (¹), получен металл, полностью растворимый в азотной кислоте (без видимого осадка после фильтрования разбавленного водой азотнокислого раствора). В экспериментах, не помеченных символом (²), содержание палладия в сливных растворах составляло менее 0.05 мг/л.

Пояснения к таблицам:

¹ Получен металл, не полностью растворимый в азотной кислоте (присутствие осадков в количестве 20-250 мг).

² В результате эксперимента в сливных растворах зафиксировано содержание палладия на уровне 0.1-0.2 г/л.

Как видно из приведенных примеров, использование заявляемого способа позволяет получить палладий, практически полностью растворимый в азотной кислоте, безопасный в чистой воздушной атмосфере и устойчивый к пассивации на воздухе без дополнительного нагревания и в концентрированной азотной кислоте при растворении.

Таблица 1.1.
Получение палладия, растворимого в азотной кислоте
№	температура восстановления раствора H2[PdCl4] (°C)	количество HCOONa в растворе восстановления (% от мольного количества палладия)	содержание HCOONa в растворе восстановления (%)	начальная температура раствора HCOONa (°C)	содержание NH3 в растворе, понижающем кислотность (%)	доведенное значение рН раствора восстановления
1	80	120	30	80	10	3
2	40	120	30	80	10	4
3	50	120	20	80	10	4
4	80	110	30	70	10	3
5	110	130	30	80	15	4
6	1201	140	30	80	10	4
7	60	1002	40	50	5	4
8	60	160	30	80	10	5
9	70	120	101	80	10	3
10	90	150	60	60	10	3
11	110	120	50	40	10	4
12	100	120	30	1201	5	3
13	90	120	30	80	31	3
14	80	130	30	100	201	4
15	90	120	30	110	5	22
16	90	120	30	90	10	6'

Таблица 1.2.
Получение палладия, растворимого в азотной кислоте
№	температура восстановления раствора H2[PdCl4] (°C)	количество HCOONH4 в растворе восстановления (% от мольного количества палладия)	содержание HCOONH4 в растворе восстановления (%)	начальная температура раствора HCOONH4 (°C)	содержание NH3 в растворе, понижающем кислотность (%)	доведенное значение рН раствора восстановления
17	80	120	50	80	10	3
18	80	120	25	80	10	3
19	40	120	30	80	10	4
20	50	120	40	80	10	4
21	80	110	30	70	10	3
22	110	130	40	80	15	4
23	1201	140	30	80	10	4
24	60	1002	40	50	5	5
25	60	160	30	80	10	5
26	70	120	101	80	10	3
27	90	150	80	60	10	3
28	110	120	50	40	10	4
29	100	120	20	1201	5	3
30	90	120	50	80	31	3
31	80	130	40	100	201	4
32	90	120	40	110	5	22
33	90	120	50	90	10	61

Таблица 1.3.
Получение палладия, растворимого в азотной кислоте
№	температура восстановления раствора H2[PdCl4] (°C)	количество НСООН в растворе восстановления (% от мольного количества палладия)	содержание НСООН в растворе восстановления (%)	начальная температура раствора НСООН (°C)	содержание NH3 в растворе, понижающем кислотность (%)	доведенное значение рН раствора восстановления
34	80	120	95	80	10	3
35	40	120	95	80	10	4
36	50	150	95	80	10	3
37	90	120	80	90	15	4
38	110	110	90	70	10	4
39	1201	130	95	60	10	5
40	70	1002	70	50	5	4
41	80	160	95	80	10	5
42	80	120	601	90	5	4
43	90	150	100	110	5	4
44	80	140	95	40	10	4
45	100	150	95	1201	10	4
46	110	120	85	80	31	3
47	100	120	95	90	201	3
48	80	120	90	100	10	22
49	80	120	95	80	10	61

1. Способ получения палладия, растворимого в азотной кислоте, включающий восстановление водного раствора соединения палладия, отличающийся тем, что в качестве исходного водного раствора соединения палладия используют солянокислый водный раствор тетрахлорпалладиевой кислоты, упаренный до начала кристаллизации хлорида палладия(II), и восстановление ведут при 50-110°С добавлением 20-50%-ного водного раствора формиата натрия, или 20-70%-ного водного раствора формиата аммония, или 70-95%-ного водного раствора муравьиной кислоты, подогретых до 50-110°С и взятых в количестве 110-150% от мольного количества палладия, и доведением кислотности раствора до значения рН 3-5 добавлением 5-15%-ного водного раствора аммиака.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упаривание солянокислого водного раствора тетрахлорпалладиевой кислоты проводят до содержания палладия не менее 300 г/л.