Результат интеллектуальной деятельности: Способ разделения скандия и сопутствующих металлов

Изобретение относится к технологии неорганических веществ, конкретно к гидрометаллургии скандия.

Известен способ разделения скандия и редкоземельных металлов, в частности иттрия и иттербия, по которому разделение осуществляют путем осаждения скандия из кислых растворов, в частности из сернокислых растворов в присутствии соединения, содержащего сульфат-ионы и/или ионы аммония, при температуре при 40-95°С. Отделение образовавшегося осадка от раствора осуществляют фильтрацией, а затем осадок промывают и сушат (патент РФ №2079431, МПК C01F 17/00, 1997 г.).

Недостатками известного способа являются:

- необходимость использования растворов с исходно высоким содержанием скандия, которая обеспечивает степень осаждения скандия 98,26%, а степень разделения скандия и иттрия β_Sc/Y 58,92 и скандия и иттербия β_Sc/Yb 98,84;

- большие потери скандия за счет высокого остаточного содержания в маточном растворе, составляющие не менее 0,28 г/дм³, а также в растворе от промывки осадка за счет хорошей растворимости образующейся в осадке двойной соли скандия в водных растворах;

- ограничение возможности использования способа (узкий диапазон примесного состава элементов в виде группы РЗЭ).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения оксида скандия, включающий растворение скандийсодержащего концентрата в серной кислоте, удаление кислотонерастворимого осадка, перевод скандия в осадок в присутствии соединения аммония. Затем ведут фильтрацию, промывку, сушку и прокаливание осадка с получением оксида скандия. При этом 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 ч при перемешивании. Промывку полученного осадка осуществляют этиловым спиртом при объемном соотношении 1-10÷11 (патент RU 2478725, МПК С22В 59/00, C01F 17/00, С22В 3/06; 2013 год)(прототип).

Недостатками известного способа:

- высокая концентрация серной кислоты в рабочем растворе, что обусловливает достижение предела насыщения по растворимости металлов и снижает коэффициенты разделения скандия и сопутствующих элементов при увеличении их содержания;

- ведение процесса в присутствии хлорида аммония повышает растворимость скандия и снижает степень осаждения скандия в виде сульфата скандия-аммония, что также отрицательно сказывается на коэффициентах разделения скандия и сопутствующих элементов.

Таким образом, перед авторами стояла задача - разработать способ, позволяющий повысить коэффициенты разделения скандия и сопутствующих элементов.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе разделения скандия и сопутствующих металлов путем обработки скандийсодержащего раствора серной кислотой в присутствии соли, содержащей ионы аммония, при нагревании с последующими фильтрацией полученного осадка, его промывкой этиловым спиртом и сушкой, в котором обработку ведут при концентрации серной кислоты 350-500 г/дм³, а в качестве соли, содержащей ионы аммония, используют сульфат аммония или ацетат аммония в количестве ионов аммония 1,5-2,0 моль/дм³.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ разделения скандия и сопутствующих металлов, в котором технологический процесс осуществляют обработкой серной кислотой растворов при концентрации 350-500 г/дм³ в присутствии сульфата аммония или ацетата аммония используют сульфат аммония или ацетат аммония в количестве ионов аммония 1,5-2,0 моль/дм³.

Таким образом, авторами разработаны условия разделения, обеспечивающие использование в качестве исходного раствора скандийсодержащий раствор с низким содержанием скандия не более 1-5 г/дм³, при этом обеспечивается снижение остаточного содержания скандия в маточном растворе менее 30 мг/дм³ и одновременное отделение скандия от примесей других металлов при их исходном содержании в скандийсодержащем растворе, г/дм³: до 40 железа (III), до 6-8 титана, до 8-10 алюминия, до 10-15 циркония, которые являются наиболее распространенными элементами-примесями скандия.

Скандий является рассеянным элементом и содержится в малых количествах в рудах других металлов. Как правило, при извлечении скандия в сернокислые растворы переходит большое количество элементов-примесей, поэтому существует необходимость разработки технологической схемы, предусматривающей процессы концентрирования скандия и его отделения в виде малорастворимых соединений от сопутствующих металлов.

Экспериментальные исследования, проведенные авторами, позволили установить, что при использовании предлагаемого способа, обеспечивающего получение осадка сульфата скандия-аммония в качестве конечного продукта, осаждение происходит полно, а остаточное содержание скандия достигает менее 30 мг/дм³. Для количественного осаждения сульфата скандия-аммония необходимо было установить пределы концентрации серной кислоты и возможность использования разных солей, содержащих ионы аммония, а также условия выдержки раствора с осадком для максимального отделения скандия от примесей металлов в сернокислых растворах и промывки осадка сульфата скандия-аммония.

Авторами опытным путем установлено, практически полное осаждение скандия (при его низком содержании в исходном растворе 1-5 г/дм³ скандия) в виде сульфата скандия-аммония достигается за счет оптимального сочетания концентрации серной кислоты и количества вводимо сульфата или ацетата аммония, а также соблюдения температурных режимов выдержки пульпы и промывки осадка сульфата скандия-аммония этиловым спиртом.

Так введение сульфата или ацетата аммония менее 1,5 моль/дм³ при концентрации серной кислоты менее 350 г/дм³ при комнатной температуре наблюдается резкое снижение количества образовавшегося осадка сульфата скандия-аммония за счет его высокой растворимости в водном сернокислом растворе при комнатной температуре, то есть снижаются степень осаждения скандия и степень разделения скандия и сопутствующих металлов, повышаются потери скандия с маточным раствором. При концентрации сернокислого раствора более 500 г/дм³ и при введении сульфата или ацетата аммония более 2,0 моль/дм³ наблюдается появление в осадке сульфата скандия-аммония в значительных количествах исходно вводимой соли аммония, а также сульфатов примесных металлов, что не обеспечивает высокие значения коэффициентов разделения скандия и примесных металлов.

Использование растворов с концентрацией серной кислоты не более 500 г/дм³ позволяет снизить плотность раствора с улучшением процессов седиментации с осаждением нерастворимого в данных условиях сульфата скандия-аммония и последующего фильтрования.

Промывка осадка как горячей, так и ледяной водой приводит к растворению некоторой части осадка сульфата скандия-аммония и дополнительным потерям скандия с промывочными водами. Промывка осадка сульфата скандия-аммония этиловым спиртом от маточного сернокислого позволяет избежать потерь скандия на этой стадии и получить осадок, не загрязненный примесными металлами, содержащимися в исходном растворе.

Предлагаемый способ, характеризующийся получением осадка сульфата скандия-аммония в качестве конечного продукта, может быть осуществлен следующим образом. В сернокислый скандийсодержащий раствор (содержание скандия 1-5 г/дм³) вводят серную кислоту до ее концентрации 350-500 г/дм³ и нагревают до 70-80°С. Затем вводят сульфат аммония или ацетат аммония используют сульфат аммония или ацетат аммония в количестве ионов аммония 1,5-2,0 моль/дм³.

Раствор выдерживают не более 1 часа на водяной бане при температуре 70-80°С и далее не более 24 ч при комнатной температуре. Затем осадок сульфата скандия-аммония отфильтровывают с помощью фильтра Шотта, промывают на фильтре небольшим количеством этилового спирта и сушат при комнатной температуре. Химический анализ конечного продукта подтверждает образование сульфата скандия-аммония состава NH₄Sс(SO₄)₂.

Для расчета коэффициентов разделения скандия и металлов-примесей используется формула:

β_Sc/М = (С_{Sc осад} × С_{М. р-р})/( С_{Sc р-р} × С_{М. осад}),

где C_{Sc осад} - содержание скандия в осадке сульфата скандия-аммония, %;

С_{М. р-р} - содержание металла-примеси в исходном растворе, г/дм³;

C_{Sc p-p} - содержание скандия в исходном растворе, г/дм³;

С_{M. осад} - содержание металла-примеси в осадке сульфата скандия-аммония, %.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить коэффициенты разделения скандия и сопутствующих металлов, при этом отделять скандий в виде осадка сульфата скандия-аммония от сопутствующих ионов наиболее распространенных примесей Fe, Al, Ti и Zr, которые остаются в маточном сернокислом растворе в виде растворимых соединений. Кроме того, получать полноту осаждения осадка сульфата скандия-аммония из растворов до остаточного содержания в маточном растворе не более 10-30 мг/дм³; (максимальная степень осаждения 98,0%).

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Берут 100 дм³ сернокислого раствора, содержащего, г/дм³: 1,0 скандия, 5,8 титана, 6,2 алюминия, 10,0 циркония, 41,0 железа (III), вводят в него концентрированную серную кислоту до ее концентрации 350 г/дм³ и нагревают раствор до 70°С. В горячий раствор вводят 15 г сульфата аммония (концентрация ионов аммония 1,9 моль/дм³) при перемешивании и выдерживают на водяной бане при температуре 70°С в течение 1 ч и затем не более 24 ч при комнатной температуре. Затем образовавшийся осадок отфильтровывают с помощью фильтра Шотта, промывают на фильтре небольшим количеством этилового спирта и сушат при комнатной температуре. Химический состав продукта: сульфат скандия аммония формулы NH₄Sc(SO₄)₂.

Остаточное содержание скандия в маточном растворе составляет 26 мг/дм³ скандия. Масса сухого осадка составляет 0,58 г содержание в нем скандия 16,7 мас.%, что соответствует степени извлечения 96,86%. Коэффициенты разделения скандия и сопутствующих металлов приведены в табл. 1.

Пример 2.

Берут 100 дм³ сернокислого раствора, содержащего, г/дм³: 1,7 скандия, 5,7 титана, 9,3 алюминия, 10,4 циркония, 40,0 железа (III), вводят в него концентрированную серную кислоту до ее концентрации 450 г/дм³ и нагревают раствор до 90°С. В горячий раствор вводят 15 г ацетата аммония (концентрация ионов аммония 1,55 моль/дм³) при перемешивании и выдерживают на водяной бане при температуре 70°С в течение 1 ч и затем не более 24 ч при комнатной температуре. Затем образовавшийся осадок отфильтровывают с помощью фильтра Шотта, промывают на фильтре небольшим количеством этилового спирта и сушат при комнатной температуре. Химический состав продукта: сульфат скандия аммония формулы NH₄Sc(SO₄)₂.

Остаточное содержание скандия в маточном растворе составляет 34 мг/дм³ скандия, что составляет 2,5% от исходного содержания. Масса сухою осадка составляет 0,97 г, содержание в нем скандия 16,9 мас.%, что соответствует степени извлечения 96,43%. Коэффициенты разделения скандия и сопутствующих металлов приведены в табл. 1.

Таким образом, предлагается способ разделения скандия и сопутствующих металлов, который обеспечивает возможность эффективного отделения скандия от примесей других металлов, в частности железа (III), алюминия, титана и циркония, которые являются наиболее распространенными элементами-примесями скандия.

Таблица