СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАТАНТАЛАТА ЛИТИЯ Российский патент 2002 года по МПК C01G35/00 C01D15/00 

Изобретение относится к технологии получения соединений редких элементов, в частности метатанталата лития, применяемого в различных областях электронной техники.

В большинстве известных способов получения метатанталата лития в качестве исходных продуктов используются окиси либо гидроокиси, соли тантала и лития. Так, в известном способе получения метатанталата лития обрабатывают гидроокись ниобия водным раствором гидроокиси лития при их мольном соотношении, равном 1,3:1,1, с последующей фильтрацией осадка, промывают его ацетоном и термической обработкой при 600^oС. Недостаток данного способа заключается в получении конечного продукта, отличного по составу oт стехиометрического метатанталата лития, а также в образовании примесных фаз при работе в сильнощелочных средах. Кроме того, данный способ пожароопасен и не удовлетворяет требованиям экологии из-за использования на стадии промывки ацетона. Наиболее близким по технической сущности к новому способу является известный твердофазный способ получения метатанталата щелочного металла взаимодействием пентаоксида тантала с карбонатом щелочного металла при нагревании до температуры 1000^oС и выше [Агулянская А.А. и др. Высокочистые вещества. 5, 1989, с. 153-157].

Основные недостатки данного способа - высокая энергоемкость процесса, а также связанная с этим вероятность загрязнения конечного продукта посторонними примесями из материалов аппаратуры. Кроме того, известный способ не обеспечивает получения конечного монофазного продукта строго заданного стехиометрического состава.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи снижения энергоемкости процесса и на получение монофазного метатанталата лития стехиометрического состава.

Для снижения энергоемкости процесса синтеза и повышения выхода целевого продукта в форме монофазного порошка разработан новый способ получения метатанталата лития, осуществляемый твердофазной реакцией взаимодействия предварительно измельченных и обезвоженных гидроокиси лития и пятиокиси тантала при нагревании реактантов в потоке осушенного кислородсодержащего газа со скоростью 1-20^oС/мин. Предпочтительно данный способ проводить при температуре 850-900^oС, используя при этом для нагревания кислородсодержащий газ, содержащий 70-100 об. % кислорода и 0,01-0,05 мас.% влаги. Исходные реактанты предпочтительно измельчают до частиц размером <1 мкм и осушают предпочтительно нагреванием в потоке сухого инертного газа.

В новом способе в качестве исходных продуктов применяют пентаоксид тантала и гидроокись лития, и реакция при этом протекает по следующему механизму:
2LiOH(тв)<-->Li₂O(тв)+H₂O(пар) (I)
Li₂O+Ta₂O₅=2LiTaO₃ (II)
Известно, что гидроокись лития термически неустойчива и при нагревании разлагается. Процесс разложения гидроокиси лития начинается с температуры порядка 400^oС, а затем при дальнейшем повышении температуры начинается процесс образования метатанталата лития. Полнота прохождения реакции контролируется методом рентгенофазного анализа. Предпочтительно нагревание реактантов проводится до температуры 800-900^oС, хотя процесс протекает и при более низких и более высоких температурах, но при этом получается продукт с более низким выходом либо загрязненный нежелательными примесями. Характерным существенным признаком способа является контролируемая скорость нагревания реактантов в потоке кислородсодержащего газа, поддерживаемая на уровне 1-20^oС/мин, предпочтительно 4-10^oС/мин.

Влияние скорости на показатели процесса (выход, производительность, чистота продукта) показаны в таблице.

Нагревание реакционной смеси в новом способе в отличие от известных способов осуществляется в потоке кислородсодержащего газа, содержащего 70-100 об. % кислорода. Кислородсодержащий газ в данном случае несет ряд функций. Он является теплоносителем, нагревая реактанты до нужной температуры, выполняет функцию газа-носителя, унося из реактора образующуюся парообразную воду, и сдвигает таким образом обратимую реакцию (I) вправо. Кроме того, благодаря своей химической природе кислород поддерживает стехиометрическое содержание кислорода в танталате лития. Оптимальное содержание кислорода в газе-носителе составляет 70-100 об.%, хотя допустимо и меньшее. Необходимым условием является применение именно осушенного кислородсодержащею газа при оптимальном содержании влаги 0,01-0,05 мас.%, что также обеспечивает унос парообразной воды с поверхности слоя гидроокиси лития и сдвиг обратимой реакции вправо.

Исходные реактанты до их смешения обязательно измельчают и обезвоживают, что является необходимым условием реакции. Измельчение допустимо любыми известными методами и предпочтительно до размера измельченных частиц <1 мкм, что позволяет увеличить поверхностно-активную площадь реактантов и увеличить выход конечного продукта. Последующая после измельчения стадия раздельной осушки реактантов проводится для получения безводных продуктов и проведения реакций по указанному выше механизму. Оптимально и экономически, и технологически выгодно осуществить процесс осушки в инертном газе, например кислородсодержащем потоке, применяемом в дальнейшем на основной стадии процесса синтеза. Таким образом, новый способ получения метатанталата лития энергетически выгоден, с высокой производительностью процесса, имеет хорошие экологические показатели и позволяет получать монофазный продукт с 99,0-99,2 мас. % выходом, по качеству удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к продуктам для электронной промышленности.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1.

Перед проведением процесса синтеза исходные продукты (гидроокись лития (LiOH•H₂O) и пятиокись тантала (Та₂О₅)) подвергают измельчению на виброносителях, снабженных плексигласовыми индивидуальными контейнерами для каждого продукта. В контейнеры емкостью 3 л загружают на 1/3 объема плексигласовые шары и измельчаемые продукты. Измельчение осуществляют преимущественно до частиц с размером <1 мкм. Затем измельченные продукты подвергают обезвоживанию в раздельных кварцевых реакторах, снабженных графитовыми лодочками, покрытыми пироуглеродом. Обезвоживание гидроокиси лития (0,7 кг) осуществляют нагреванием до 350^oС в потоке газа (аргона) до установления постоянного веса загрузки при взвешивании на электронных весах. Выход сухой гидроокиси - 99,5%. Обезвоживание пятиокиси тантала (1 кг) проводят нагреванием до 700^oС в потоке сухого инертного газа, содержащего 70% кислорода. Выход сухой пятиокиси тантала 99,5%.

После предварительных стадий смешивают измельченные и осушенные гидроокись лития (0,0258 кг) и пятиокись тантала (0,239 кг) и загружают в контейнер и тщательно перемешивают на виброносителе в течение 1 часа. Контейнер с перемешанной смесью загружают в кварцевый реактор диаметром 100 мм и длиной 1200 мм и нагревают до 850^oС при скорости нагрева 8^oС/мин в потоке кислорода, содержащего 0,02 мас.% влаги. Вес получаемого метатанталата лития 0,253; выход 99,2 мас.%.

Примеры 2-6. Процесс проводят аналогично примеру 1 при режимах, указанных в таблице.

Изобретение относится к технологии получения метатанталата лития, применяемого в электронной промышленности. Гидроокись лития и оксид тантала измельчают до частиц размером менее 1 мкм. Обезвоживают. Нагревают в потоке кислородсодержащего газа до температуры 850-900^oС. Скорость нагрева 1-20^oС/мин, преимущественно 4-10^oС/мин. Кислородсодержащий газ содержит 70-100 об. % кислорода и 0,01-0,05 мас.% влаги. Результат способа - низкая энергоемкость процесса, повышение выхода монофазного порошка целевого продукта. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Твердофазный способ получения метатанталата лития взаимодействием литийсодержащего соединения с оксидом тантала при нагревании, отличающийся тем, что используемую в качестве литийсодержащего соединения гидроокись лития и оксид тантала предварительно подвергают измельчению и обезвоживанию, а процесс нагревания реактантов проводят в потоке осушенного кислородсодержащего газа при скорости нагрева 1-20^oС/мин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно нагревание проводят со скоростью 4-10^oС/мин. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагревание осуществляют предпочтительно до температуры 850-900^oС. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ содержит предпочтительно 70-100 об.% кислорода. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ предпочтительно содержит 0,01-0,05 мас.% влаги. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что исходные реактанты измельчают предпочтительно до частиц размером <1 мкм.