Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА СКАНДИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к извлечению оксида скандия из бедного скандиевого концентрата, полученного после обработки путем карбонатного выщелачивания красного шлама - отхода производства при переработке бокситов на глинозем.

Известен способ получения оксида скандия (патент RU 2069181, МПК C01F 17/00, 1996 год), включающий растворение скандийсодержащего концентрата в минеральной кислоте с доведением концентрации кислоты в растворе до 260-400 г/дм³, отделение осадка сульфата скандия от раствора, его промывку и растворение в воде, осаждение из раствора малорастворимых соединений скандия путем обработки, например, щавелевой кислотой, промывку, сушку и прокаливание с получением товарного оксида скандия (99%).

Недостатком известного способа является значительный процент общих потерь скандия (до 11%), которые обусловлены, в частности тем, что при промывке осадка сульфата скандия серной кислотой концентрации, используемой для осаждения скандийсодержащего концентрата, растворимость скандия в ней достаточно высокая, что приводит к его вымыванию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения оксида скандия (патент RU 2257348, МПК C01F 17/00, 2005 год)(прототип), сущность которого выражается следующей совокупностью существенных признаков: растворение скандийсодержащего раствора в минеральной (соляной, серной, азотной) кислоте; очистка скандиевого раствора от примесей путем обработки растворов сульфатсодержащим неорганическим соединением и затем хлоридом бария; обработка очищенного скандиевого раствора щелочными реагентами, в частности NH₄OH, с получением малорастворимых соединений скандия: оксигидрата или гидрооксокарбоната скандия; фильтрование пульпы для отделения скандиевого осадка от раствора; обработка осадка муравьиной кислотой; отделение осадка формиата скандия от маточного раствора; промывку осадка муравьиной кислотой, сушку и прокалку осадка с получением товарного оксида скандия чистотой 99,99%.

К недостаткам известного способа относятся его многостадийность, в частности для удаления примесей на первом этапе в скандиевый раствор вводят сульфатсодержащие неорганические соединения и хлорид бария, а затем проводят дополнительную обработку осадка оксигидрата скандия муравьиной кислотой.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой способ получения оксида скандия высокой чистоты с минимальными общими потерями скандия.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения оксида скандия, включающем растворение скандийсодержащего концентрата в серной кислоте, удаление кислотонерастворимого осадка, переведение скандия в осадок в присутствии соединения аммония, фильтрацию, промывку, сушку и прокаливание полученного осадка, отличающийся тем, что после удаления кислотонерастворимого осадка концентрацию серной кислоты в фильтрате доводят до 540-600 г/дм³, в качестве соединения аммония используют хлорид аммония, введенный в раствор в количестве 26,7-53,5 г/дм³ при температуре 50-70°С с последующей выдержкой в течение 1-2 часов при перемешивании, а промывку полученного осадка осуществляют этиловым спиртом из расчета объемного соотношения 1 - 10÷11.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения оксида скандия путем растворения скандийсодержащего концентрата в серной кислоте в присутствии хлорида аммония, введенного в раствор в определенном количестве и при определенных условиях, с промывкой полученного осадка этиловым спиртом в определенных объемных соотношениях.

Экспериментальным путем авторами было установлено, что при кислотности раствора 540-600 г/дм³ H₂SO₄ достигается предел насыщения по растворимости скандия и при введении реагента, содержащего одновременно ионы Cl^- и , создаются условия, обусловливающие практически полное осаждения скандия с одновременным отделением от многих металлов примесей. При незначительном содержании скандия в исходном концентрате (1-2,5 г/дм³) при переведении скандия в осадок достигается невысокое остаточное содержание скандия в растворе, что сокращает потери скандия и повышает выход конечного продукта. При этом отпадает необходимость проведения предварительных стадий концентрирования с получением более богатого концентрата по скандию (например, по способу-прототипу содержание скандия в исходном концентрате составляет 38 мас.%). Экспериментально установлено, что существенное значения имеют условия введения хлорида аммония в сернокислый раствор, полученный растворением скандийсодержащего концентрата в серной кислоте с последующим доведением кислотности раствора до 540-600 г/дм³. Так, при введении хлорида аммония менее 26,7 г/дм³ наблюдается увеличение потерь скандия с раствором; при введении его более 53,5 г/дм³ не наблюдается заметного увеличения извлечения скандия в осадок. Снижение температуры ниже 50°С ведет к неполному осаждению соединений скандия в осадок; увеличение температуры выше 70°С нецелесообразно, так как не оказывает влияния на выход скандия. Уменьшение времени выдержки раствора с реагентом менее 1 часа также не обеспечивает достаточного извлечения скандия из раствора. Увеличение времени более 2 часов также нецелесообразно, так как не оказывает влияния на выход скандия. Существенным является и количество используемого для промывки полученного осадка этилового спирта. Так, увеличение соотношения более чем 1:11 необоснованно увеличивает расход реагента, не улучшая результаты по выходу скандия; при уменьшении соотношения менее чем 1:10 осадок недостаточно отмыт от примесей и соли скандия загрязняются посторонними примесями. Таким образом, вся совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет при их использовании получать конечный продукт - оксид скандия высокой чистоты и с минимальными потерями.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. В качестве исходного берут бедный скандиевый концентрат, полученный после обработки путем карбонатного выщелачивания красного шлама - отхода производства при переработке бокситов на глинозем. Скандийсодержащий концентрат растворяют в серной кислоте с концентрацией 150-300 г/дм³ в течение 4 часов при температуре 95±5°С. После удаления кислотонерастворимого осадка доводят концентрацию серной кислоты в фильтрате до 540-600 г/дм³ и при температуре 50-70°С вводят в раствор хлорид аммония NH₄Cl в количестве 26,7-53,5 г/дм³ с последующей выдержкой при перемешивании в течение 1-2 часов. Затем выдерживают еще 24 часа без перемешивания и фильтруют. По данным химического анализа получена соль скандия с содержанием скандия до 20 мас.%. Осадок сушат при температуре 110-120°С и прокаливают при температуре 800-850°С в течение не менее 2 часов. По данным рентгено-фазового и химического анализов получают товарный оксид скандия Sc₂O₃ чистотой 99,0%. Извлечение скандия составляет 97-98%. Потери скандия не превышают 2-4%.

Способ позволяет обеспечить отделение скандия от примесей в растворах при следующих соотношениях концентраций: Sc: (1-6) Ti: (0,5-2,5) Fe: 0,1-3,5) Zn: (5-13,5) Zr: (0,5-0,1) Ca: (0,1-0,5) Al: (0,01-0,3) Mg: (0,002-0,1) Th: (0,0002-0,008) U.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 50 г скандийсодержащего концентрата состава, мас.%: Sc - 1,6; Ti - 5,3; Fe - 3,7; Zn - 0,3; Zr - 10,7; Na - 17,5; Ca - 4,2; Si - 1,4; Th - 3,5; U - 0,13; растворяют в 500 дм³ серной кислоты концентрации 300 г/дм³, удаляют кислотонерастворимый осадок и корректируют концентрацию серной кислоты в фильтрате до 540 г/дм³. В раствор вводят 26,7 г NH₄Cl (53,5 г/дм³) при температуре 50°С и выдерживают при перемешивании в течение 1 часа. Затем выдерживают в течение 24 часов без перемешивания. Полученный осадок отделяют фильтрованием на фильтре Шотта и промывают этиловым спиртом в количестве 50 мл (объемное соотношение осадок: этиловый спирт = 1:10). После чего осадок сушат при 120°С в течение 10 часов до получения постоянного веса и прокаливают при 850°С в течение 2 часов. Получают оксид скандия чистоты 99,0% с выходом 97,3%. Потери скандия - 2,69%.

Пример 2. Берут 50 г скандийсодержащего концентрата состава, мас.%: Sc - 1,6; Ti - 5,3; Fe - 3,7; Zn - 0,3; Zr - 10,7; Na - 17,5; Ca - 4,2; Si - 1,4; Th - 3,5; U - 0,13; растворяют в 500 дм³ серной кислоты концентрации 300 г/дм³, удаляют кислотонерастворимый осадок и корректируют концентрацию серной кислоты в фильтрате до 600 г/дм³. В раствор вводят 13,4 г NH₄Cl (26,7 г/ дм³) при температуре 70°С и выдерживают в течение 2 часов при перемешивании. Затем выдерживают в течение 24 часов без перемешивания. Полученный осадок отделяют фильтрованием на фильтре Шотта и промывают этиловым спиртом в количестве 55 мл (объемное соотношение осадок: этиловый спирт = 1:11). После чего осадок сушат при 120°С в течение 12 часов и прокаливают при 800°С в течение 2 часов. Получают оксид скандия чистоты 99,0% с выходом 97,8%. Потери скандия составляют 2,16%.

Пример 3. Берут 50 г скандийсодержащего концентрата состава, мас.%: Sc - 1,96; Ti - 2,85; Fe - 1,42; Zn - 6,71; Zr - 18,13; Na - 17,7; Ca - 0,4; Si - 1,1; Th - 0,17; U - 0,015; растворяют в 500 дм³ серной кислоты концентрации 300 г/дм³, удаляют кислотонерастворимый осадок и корректируют концентрацию серной кислоты в фильтрате до 600 г/дм³. В раствор вводят 26,7 г NH₄Cl (53,5 г/дм³) при температуре 50°С и выдерживают в течение 2 часов при перемешивании. Затем выдерживают в течение 24 часов без перемешивания. Полученный осадок отделяют фильтрованием на фильтре Шотта и промывают этиловым спиртом в количестве 55 мл (объемное соотношение осадок: этиловый спирт = 1:10). После чего осадок сушат при 120°С в течение 12 часов и прокаливают при 800°С в течение 2 часов. Получают оксид скандия чистоты 99,0% с выходом 97,8%. Потери скандия составляют 2,2%.

Таким образом, авторами предлагается технологически простой способ получения товарного оксида скандия высокой степени чистоты 99,0% с выходом до 97-98% из бедного скандиевого концентрата, полученного после обработки путем карбонатного выщелачивания красного шлама - отхода производства при переработке бокситов на глинозем.