СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КИСЛЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 1997 года по МПК C01F17/00 

Изобретение относится к способам извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из кислых растворов с низким исходным содержанием РЗЭ (до 2 г/л) и может быть использовано при комплексной переработке фосфатного сырья, в частности, при извлечении РЗЭ из технических растворов производства фосфорной кислоты мокрым способом и растворов выщелачивания фосфогипса кислотами.

Несовершенство существующих в настоящее время способов извлечения РЗЭ из кислых растворов не позволяет использовать их при переработке промышленных растворов, имеющих кислотность 04 4,0 N и сложный солевой фон, включающий ионы Ca, Sr, Al, Ti, Fe и др. концентрации которых сравнимы или превышают концентрацию целевого компонента РЗЭ.

Известен способ извлечения редкоземельных элементов (Скрылев Л.Д. Сазонова В.Ф. Менчук В.В. О флотационном выделении ионов редкоземельных элементов. // Изв. ВУЗов. Горный журнал, 1978, N 4, с. 138- 140) путем взаимодействия собирателя раствора каприната калия с раствором хлоридов РЗЭ с последующим отделением коллоидных растворов труднорастворимых мыл при помощи флотации.

Недостаток способа заключается в неэффективности использования указанного собирателя в кислых средах: при снижении pH растворов ниже 7 введенный в раствор собиратель взаимодействует с ионами водорода, превращаясь в сравнительно хорошо растворимую каприновую кислоту. Кроме того, при наличии в растворе солей других элементов, например Ca, они также будут взаимодействовать с собирателем, уменьшая извлечение РЗЭ.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ извлечения редкоземельных элементов из кислых растворов (авт. св. N 1691307, МКИ⁵ C 01 F 17/00, 1991), включающий введение в исходный раствор, имеющий pH 1^oC2, реагента-собирателя в виде 0,07^oC0,13%-ного водного натриевых солей диалкилфосфиновых кислот, содержащих в алкильной цепи 8-10 атомов углерода, в количестве 3 моль/моль РЗЭ, продувание раствора воздухом и отделение образовавшегося твердого продукта. Процесс ведут при температуре 10- 60^oC.

Недостатком способа является то, что указанный собиратель неприемлем для сильно кислых сред (pH<1), так как в таких условиях натриевые соли диалкилфосфиновых кислот переходят в недиссоциированную кислотную форму, что затрудняет их взаимодействие с катионами редкоземельных элементов. Кроме того, использование собирателя в виде 0,07^oC0,13%-ного водного раствора влечет за собой значительное разбавление обрабатываемых растворов, что крайне нежелательно при осуществлении ряда технологических операций. Что касается влияния фоновых элементов, то из описания способа оценить это невозможно, так как способ опробован применительно к модельным растворам, содержащим лишь катионы РЗЭ.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи извлечения редкоземельных элементов из сильнокислых водных растворов (0,4^oC4,0 N) с высоким содержанием конкурирующих ионов, состав которых отвечает составу промышленных растворов кислотной переработки фосфатного сырья.

Поставленная задача решается тем, что в способе извлечения редкоземельных элементов из кислых растворов, включающем введение в исходный раствор фосфорорганического реагента-собирателя, продувание раствора воздухом и отделение образовавшегося твердого продукта, согласно изобретению, извлечение ведут из раствора с кислотностью 0,4-4,0 N, в качестве раегента-собирателя используют устойчивые в сильнокислых средах поверхностно-активные вещества (ПАВ) диалкилфосфорные кислоты, содержащие в алкильной цепи от 7 до 14 атомов углерода, а мольное соотношение собиратель/РЗЭ составляет 3- 6.

Поставленная задача решается также тем, что выбранный реагент-собиратель достаточно селективен по отношению к целевому компоненту ионам РЗЭ, что позволяет извлекать их из растворов, содержащих один или более фоновых элементов, таких как Ca, Sr, Al, Ti, Fe и др. предельные концентрации которых составляют, г/л: 2,70 CaO, 0,1 SrO, 2,40 Al₂O₃, 1,43 TiO₂, 1,41 Fe₂O₃.

На решение поставленной задачи направлено также то, что реагент-собиратель используется в чистом виде без применения растворителей, и перед введением в раствор он может нагреваться для понижения вязкости до температуры не более 100^oC.

Сущность способа заключается в обработке кислых растворов с кислотностью 0,4^oC4,0 N, содержащих редкоземельные элементы, а также Ca, Sr, Al, Fe, Ti и др. фоновые элементы в количествах, сопоставимых или превышающих содержание РЗЭ, фосфорорганическим реагентом-собирателем, в качестве которого используются диалкилфосфорные кислоты с числом атомов углерода в алкильной цепи 7- 14, при интенсивном перемешивании раствора и непрерывной продувке его воздухом или иным, инертным по отношению к раствору, газом и удалении образующегося пенного продукта. Собиратель используют без растворителя и подают в раствор непрерывно и равномерно в течение процесса при интенсивном диспергировании. Расход собирателя составляет 3^oC6 моль на 1 моль РЗЭ в зависимости от содержания конкурирующих элементов. Для понижения вязкости собиратель может быть предварительно нагрет до температуры не более 100^oC.

Использование способа позволяет извлекать РЗЭ из специфических промышленных растворов при переработке фосфатного сырья.

Так как технологические растворы при переработке фосфатного сырья не имеют кислотность ниже 0,4 N, а степень извлечения РЗЭ при понижении кислотности увеличивается, то не использовались растворы с кислотностью ниже указанной. При проведении процесса из растворов с кислотностью выше 4,0 N степень диссоциации собирателя понижается, что затрудняет его взаимодействие с ионами РЗЭ.

Использование в качестве собирателя диалкилфосфорных кислот с числом атомов углерода 7, не приводит к образованию труднорастворимого соединения с извлекаемым компонентом. Применение ПАВ с длиной алкильной цепи, содержащей более 14 атомов углерода, снижает эффективность процесса, так как при этом уменьшается растворимость в воде и критическая концентрация мицеллообразования, что приводит к образованию коллоидных растворов, резко уменьшая их собирательную способность. Кроме того, при увеличении длины углеводородной цепи уменьшается степень диссоциации диалкилфосфорных кислот в кислых растворах, что также приводит к уменьшению собирательной способности.

Расход собирателя в пределах 3- 6 моль/моль РЗЭ позволяет извлекать целевой компонент в виде труднорастворимого соединения при невысоком захвате конкурирующих ионов. Введение собирателя в количестве менее 3 моль/моль РЗЭ не обеспечивает достаточной степени извлечения РЗЭ. Избыток собирателя (более 6 моль/моль РЗЭ) приводит к разбавлению получаемого твердого продукта фоновыми элементами, что затрудняет его дальнейшую переработку.

Необходимость предварительного нагрева собирателя обусловлена повышением вязкости с ростом углеводородной цепи (повышением температуры плавления ПАВ). При этом температура нагрева определяется снижением вязкости собирателя до величины, достаточной для успешного его диспергирования, и зависит от длины углеводородной цепи. При перегреве собирателя выше 100^oC начинается его разложение.

Сущность и преимущества заявляемого изобретения могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1. Во флотационную колонку, снабженную турбинной мешалкой и пористой перегородкой, через которую продувается воздух, помещают 200 мл сернофосфорнокислого раствора кислотностью 4,0 N и концентрацией фосфорной кислоты 15% (в пересчете на P₂O₅), содержащего 1,24 г/л Ln₂O₃, 2,70 г/л CaO, 0,100 г/л SrO, 2,40 г/л Al₂O₃, 1,43 г/л TiO₂, 1,41 г/л Fe₂O₃. Расход ПАВ составил 3,0 моль на 1 моль РЗЭ, время проведения процесса 10 минут, температура ПАВ 15^oC. В результате извлечение РЗЭ составило 49,7%
Основные параметры процесса извлечения и полученные результаты по данному Примеру и Примерам 2-4 сведены в Таблицу.

Пример 2. Условия проведения процесса аналогичны Примеру 1 за исключением: расход ПАВ 5,6 моль/моль РЗЭ, температура ПАВ 40^oC. Степень извлечения составила 76,5%
Пример 3. Условия проведения процесса аналогичны Примерам 1,2 за исключением: раствор кислотностью 0,8 N, концентрацией фосфорной кислоты 4% (в пересчете на P₂O₅), состава: 0,23 г/л Ln₂O₃, 2,17 г/л CaO, 0,048 г/л SrO, 0,54 г/л Al₂O₃, 0,192 г/л TiO₂, 0,225 г/л Fe₂O₃. Расход ПАВ 3,5 моль/моль РЗЭ, температура ПАВ 60^oC Степень извлечения составила 80,7%
Пример 4. Условия проведения процесса аналогичны Примерам 1-3 за исключением: используют раствор выщелачивания фосфогипаса раствором серной кислоты содержанием 20 г/л, с конечной кислотностью 0,4 N, состава: 0,346 г/л Ln₂O₃, 1,55 г/л CaO, 0,042 г/л SrO. Расход ПАВ 6,0 моль/моль РЗЭ, температура ПАВ 20^oC. Степень извлечения составила 90,8%
Анализ данных, приведенных в примерах и таблице, показывает, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет избирательно извлекать редкоземельные элементы из значительно более кислых исходных растворов с приемлемой степенью извлечения. При этом исходные растворы, в отличие от прототипа, не подвергаются разбавлению.

Использование: извлечение редкоземельных элементов при комплексной переработке фосфатного сырья. Сущность способа: исходный раствор содержит редкоземельные элементы, фоновые элементы, предельная концентрация которых составляет: CaO - 2,7 г/л, SrO - 0,1 г/л, Al₂O₃ - 2,4 г/л, TiO₂ - 1,43 г/л, Fe₂O₃ - 1,41 г/л. Кислотность раствора - 0,4 - 4,0 N. Раствор обрабатывают фосфорорганическим реагентом - собирателем - диалкилфосфорной кислотой, содержащей в алкильной цепи от 7 до 14 атомов углерода, причем мольное соотношение реагента-собирателя и редкоземельных элементов составляет 3^oC6:1. Температура реагента-собирателя не более 100^oC. Раствор перемешивают и продувают воздухом. Образующийся пенный продукт удаляют. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ извлечения редкоземельных элементов из кислых растворов, включающий введение в исходный раствор фосфорорганического реагента-собирателя, продувание раствора воздухом и отделение образовавшегося твердого продукта, отличающийся тем, что извлечение ведут из растворов с кислотностью 0,4 4,0 N, а в качестве реагента-собирателя используют диалкилфосфорные кислоты, содержащие в алкильной цепи 7 14 атомов углерода, причем мольное соотношение реагента-собирателя и редкоземельных элементов составляет 3 6 1. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходный раствор содержит один или более фоновых элементов, таких как Ca, Sr, Al, Ti, Fe, предельная концентрация которых составляет, г/л:
СаО 2,7
SrО 0,1
Al₂O₃ 2,4
TiO₂ 1,43
Fe₂O₃ 1,41
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при введении в раствор реагент-собиратель имеет температуру не более 100^oС.