Способ получения оксида иттербия-176

Изобретение относится к области выделения и очистки оксида иттербия, обогащенного иттербием с массовым числом 176 (далее иттербий-176), высокой степени чистоты с минимальными потерями.

Задачей выделения и очистки иттербия-176 из концентрата, содержащего 5% иттербия-176 и значительное количество примесей, в том числе меди, железа, алюминия, свинца, хрома, марганца, бария, кальция и т.д., является максимально полное извлечение иттербия-176 на всех стадиях химической переработки и получение оксида иттербия, обогащенного по иттербию с массовым числом 176, и содержанием примесей бора, бария, висмута, кадмия, кобальта, меди, железа, галлия, марганца, никеля, цинка, хрома не более 50 ppm (каждой в отдельности), алюминия не более 80 ppm, свинца не более 20 ppm и суммы всех примесей не более 0,001% вес. (примечание: ppm - parts per million - единица измерения концентрации, соответствующая миллионной доле).

Известен способ получения оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) (патент РФ №2148019, МПК ⁷C01F 17/00, опубл. 27.04.2000), включающий разложение концентрата 1…2N азотной или соляной кислотой при нагревании и соотношении Т:Ж = 1:2,5…3,5, осаждение оксалатов редкоземельных элементов щавелевой кислотой, взятой в количестве 10…50 масс. % сверх стехиометрии на оксиды редкоземельных элементов, отделение осадка, его промывку и прокаливание.

Основным недостатком этого способа при использовании его для получения оксида дорогостоящего иттербия-176 является то, что он не обеспечивает выделение редкоземельных элементов без значительных потерь.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения оксидов редкоземельных элементов, включающий разложение РЗЭ-содержащего концентрата азотной или соляной кислотой при нагревании, проведение трехэтапного осаждения оксалатов редкоземельных элементов и меди в присутствии 2N щавелевой кислоты при рН 1-2 на первом этапе, на последующих этапах - осаждение оксалатов при рН 1,5 и избыточной концентрации щавелевой кислоты 0,2-0,45N, причем на втором этапе проводят предварительное отделение меди в виде аммиачного комплекса и примесей тяжелых металлов в виде сульфидов; на каждом из этапов - отделение оксалата РЗЭ, его промывку и прокаливание его до оксида (патент РФ №2178768, МПК ⁷C01F 17/00, опубл. 27.01.2002).

Основным недостатком этого способа при использовании его для получения дорогостоящего иттербия-176 является то, что он не обеспечивает требуемой степени очистки от тяжелых металлов, в частности от свинца.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является получение оксида иттербия-176 высокой степени чистоты и с минимальными потерями на всех стадиях химической переработки.

Поставленная проблема решается за счет того, что иттербийсодержащий концентрат перерабатывают в три этапа. На первом этапе его разлагают 3N соляной кислотой (V_T:V_Ж=1:3) при нагревании, затем проводят последовательное трехкратное осаждение гидроксида иттербия-176 аммиаком, разлагают гидроксид иттербия-176 и осаждают оксалат иттербия-176 с последующим отделением осадка, его промывкой и прокаливанием до оксида. При этом на первом этапе осаждают гидроксид иттербия-176 аммиаком при рН 14 с последующим отделением осадка, его промывкой, растворением в 3N соляной кислоте при нагревании, с последующим отделением осадка гидроксида иттербия-176 после третьего осаждения, его промывкой и растворением в 3N азотной кислоте при нагревании. На последующих этапах осаждают оксалат иттербия-176 из раствора с концентрацией по иттербию-176 2 г/л в присутствии винной кислоты и избыточной концентрации щавелевой кислоты 0,1…0,2 N при рН 1,5, причем на втором этапе переработки проводят предварительное отделение примесей тяжелых металлов в виде сульфидов при нагревании до 60°С при рН 3,5 и концентрации раствора по иттербию-176 20 г/л.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего сделан вывод о неизвестности последнего, т.е. о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию «новизна».

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна для специалиста в данной области техники, на основании чего сделан вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию «изобретательский уровень».

Реализация предложенного способа получения оксида иттербия -176 с минимальным содержанием примесей показана на примерах.

Пример 1.

2,5 г концентрата, содержащего 1 г иттербия, обогащенного по иттербию с массовым числом 176, и значительное количество примесей, в том числе 40% меди и 1% свинца, растворили в 3N соляной кислоте. Раствор разбавили деионизованной водой и осадили гидроксид иттербия-176 аммиаком при рН 14. После выстаивания в течение 10 часов осадок гидроксида иттербия-176 отфильтровали, промыли 1% раствором аммиака и растворили его в 3N соляной кислоте, затем провели еще два последовательных осаждения гидроксида иттербия-176, при этом медь, находящаяся в растворе, связывалась в растворимый аммиачный комплекс. Аммиачные фильтраты объединили, объем составил 2,0 л. Содержание иттербия-176 в аммиачных фильтратах составило 1,5 мг/л, что соответствует потерям иттербия-176 0,3% вес. Третий гидроксид иттербия -176 после фильтрации растворили в 3N азотной кислоте, создали в растворе концентрацию по иттербию-176 2 г/л, добавили раствор винной кислоты и 6 г щавелевой кислоты. После 10 часов выстаивания осадок оксалата иттербия-176 отфильтровали, промыли 1% раствором щавелевой кислоты и прокалили до оксида. Оксид растворили в 3N соляной кислоте, создали концентрацию 20 г/л по иттербию, добавили 25% раствор аммиака до рН 3,5, нагрели раствор до 60°С и провели осаждение сульфидов тяжелых металлов насыщением раствора газообразным сероводородом. Осадок сульфидов отфильтровали и промыли сероводородной водой. Затем удалили сероводород, отфильтровали от серы, добавили раствор винной кислоты, нагрели раствор и осадили оксалат иттербия-176 добавлением 6 г щавелевой кислоты. После 10 часов выстаивания оксалат иттербия-176 отфильтровали, промыли 1% раствором щавелевой кислоты и прокалили до оксида. Оксалатные фильтраты объединили, объем составил 2 л. В оксалатных фильтратах определили содержание иттербия-176. Оно составило 0,5 мг/л, что соответствует потерям иттербия-176 0,1% вес. В полученном оксиде иттербия-176 определили содержание примесей методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, оно составило 0,0012% вес. Выход по иттербию-176 составил 99,1% вес.

Пример 2.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили, как в примере 1, но гидроксид иттербия-176 осаждали при рН 10…11. Содержание примесей в полученном оксиде иттербия-176 составило 0,0078% вес. Выход по иттербию-176 98,90% вес.

Пример 3.

Растворение концентрата и получение оксида проводили, как в примере 1, но оксалатное осаждение проводили из концентрации по иттербию-176 10 г/л. Содержание примесей в оксиде иттербия-176 составило 0,0078% вес. Выход по иттербию-176 - 98,7% вес.

Пример 4.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили, как в примере 1, но сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов проводили из концентрации по иттербию-176 5 г/л. Увеличение концентрации по иттербию-176 соответственно пропорционально приводит к увеличению концентрации по свинцу. Содержание свинца в оксиде иттербия-176 составило 0,0070% вес.

Пример 5.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили как в примере 1, но сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов проводили из концентрации по иттербию-176 10 г/л. Содержание свинца в оксиде иттербия-176 составило 0,0047% вес.

Пример 6.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили как в примере 1, но сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов проводили из концентрации по иттербию-176 15 г/л. Содержание свинца в оксиде иттербия-176 составило 0,0035% вес.

Пример 7.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили как в примере 1, но сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов проводили из концентрации по иттербию-176 20 г/л. Содержание свинца в оксиде иттербия-176 составило 0,0007% вес.

Пример 8.

Растворение концентрата, сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов и получение оксида проводили как в примере 1, но оксалатное осаждение проводили в присутствии 50%-ного раствора винной кислоты из расчета 20 мл на 1 л раствора. Содержание примесей в оксиде иттербия-176 составило 0,0016% вес.

Пример 9.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили как в примере 1, но сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов проводили при рН 2. Содержание свинца в оксиде иттербия-176 составило 0,0080% вес.

Пример 10.

Растворение концентрата, осаждение оксалатов иттербия-176 и получение оксида проводили как в примере 1, но сероводородное осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов проводили при рН 3. Содержание свинца в оксиде иттербия-176 составило 0,0025% вес.

Пример 11.

2,5 г концентрата, содержащего 1 г иттербия-176 и значительное количество примесей (40% меди, 1% свинца) растворили в 600 мл 3N соляной кислоты при нагревании, довели объем до 5 л. К раствору добавили 450 г щавелевой кислоты и нейтрализовали аммиаком до рН 1, раствор с осадком оксалатов иттербия-176 и меди прогрели до 80°С. После 10 часов выстаивания осадок оксалата иттербия отфильтровали, промыли 1% раствором щавелевой кислоты и прокалили до оксида. Объем фильтратов составил 6,5 л. В фильтратах определили концентрацию иттербия-176, она составила 0,9 мг/л, что соответствует потере иттербия-176 - 0,59% вес. Оксид иттербия-176 растворили в 3N соляной кислоте и осадили гидроксид иттербия-176 аммиаком при рН 10. Раствор с осадком нагрели до 60°С. После 6 часов выстаивания осадок Yb^I76(OH)₃ отфильтровали, промыли 1% раствором аммиака, растворили в 3 N соляной кислоте, нейтрализовали аммиаком до рН 2 и провели осаждение тяжелых металлов насыщением раствора газообразным сероводородом. Осадок сульфидов отфильтровали и промыли водой. Раствор довели до объема 500 мл, затем добавили 4,5 г щавелевой кислоты, добавили соляной кислоты до рН 1,5. При этом концентрация иттербия-176 составила 2 г/л, избыток щавелевой кислоты 0,2 N. Раствор с осадком нагрели до 80°С. После 12 часов выстаивания осадок отфильтровали, промыли 1% раствором щавелевой кислоты и прокалили до оксида. Осадок оксида иттербия-176 растворили в 25 мл 3N соляной кислоты при нагревании и повторно провели осаждение оксалата иттербия-176, его отделение, промывку и прокаливание, как указано выше. Оксалатные фильтраты, объединили, объем составил 1,2 л. Определили в них концентрацию иттербия-176, она составила 3,1 мг/л, что соответствует потере иттербия-176 - 0,37% вес.

В полученном оксиде иттербия-176 определили содержание примесей методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Оно составило 0,040% вес, в том числе содержание свинца 0,0042% вес. Выход по иттербию-176 составил 99,00%.

Полученные результаты показали, что при использовании известного технического решения по сравнению с предложенным потери иттербия - 176 при выделении оксалатов увеличиваются, происходит недостаточная очистка от примесей, в том числе от свинца (содержание свинца в конечном оксиде 0,0042% вес.), что не удовлетворяет требованиям заказчиков, использующих иттербий-176 высокой степени чистоты как основу для производства радиофармпрепаратов.

Трехкратные осаждения гидроксида иттербия-176 аммиаком на первом этапе позволяют снизить содержание меди в иттербийсодержащем концентрате путем перевода ее в комплексное соединение - растворимый аммиакат меди - за счет увеличения рН осаждения до 14, при этом полнота выделения гидроксида иттербия-176 сохраняется, а гидроксиды амфотерных металлов (железа, хрома, свинца, цинка, никеля, кадмия, марганца) переходят в растворимое состояние, при этом снижается содержание этих примесей в иттербийсодержащем концентрате.

Раствор винной кислоты, добавляемый при осаждении оксалата иттербия-176, позволяет связать железо в растворимое комплексное соединение - тартрат железа, что приводит к снижению содержания железа в конечном оксиде иттербия-176.

Осаждение примесей тяжелых металлов, в том числе свинца, насыщением раствора газообразным сероводородом при нагревании до 60°С при рН 3,5 и увеличенной до 20 г/л концентрации иттербия-176, достижение которой ведет к пропорциональному увеличению концентрации примесей тяжелых металлов, позволяет максимально осаждать и отделять примеси тяжелых металлов, в том числе свинца, в виде сульфидов, что в конечном итоге приводит к снижению содержания свинца в оксиде иттербия-176.

Предложенный способ получения оксида иттербия-176 был опробован в цехе по производству стабильных изотопов. Он позволил выделить 99,10% изотопнообогащенного иттербия-176 в виде оксида со степенью очистки 99,99% вес, что удовлетворяет требованиям заказчика, использующего иттербий-176 высокой степени чистоты как основу для производства радиофармпрепаратов (содержание суммы примесей не должно превышать 0,1% вес., содержание примесей бора, бария, висмута, кадмия, кобальта, меди, железа, галлия, марганца, никеля, цинка, хрома не более 50 ppm (каждой в отдельности), алюминия не более 80 ppm, содержание свинца не должно превышать 20 ppm.)

Предложенный способ позволяет использовать стандартное оборудование, дешевые и доступные реактивы, не требует большого расхода электроэнергии.

Способ отвечает и экологическим требованиям, так как образующиеся в процессе переработки иттербийсодержащего концентрата оксалатные и аммиачные фильтраты взаимно нейтрализуются.