способ экстракционного разделения тантала и ниобия из кислых фторидно-сульфатных кислых растворов

Формула изобретения

Способ экстракционного разделения тантала и ниобия из кислых фторидно-сульфатных растворов, отличающийся тем, что экстракцию ведут смесью трибутилфосфата и алифатического спирта С₇ -С₉ при соотношении компонентов, об.%:

Трибутилфосфат 70-85

Спирт С₇-С₉ 30-15

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии редких и рассеянных элементов. Оно может быть использовано для экстракционного извлечения и концентрирования тантала из кислых фторидно-сульфатных растворов, сложных по химическому составу. Эти растворы могут быть получены, например, при выщелачивании танталитовых и колумбитовых концентратов растворами фтористоводородной и серной кислот. В настоящее время для извлечения тантала из подобных технологических растворов используется экстракционный способ, позволяющий проводить концентрирование тантала и очистку его от примесей, в том числе и ниобия.

Известен способ экстракционного извлечения и разделения тантала и ниобия из кислых растворов экстракцией метилизобутилкетоном (МИБК) [Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. - М.: Металлргия, 1991. - 432 с.]. Недостатком этого способа является достаточно высокая растворимость экстрагента в водной фазе и воды в нем, а также его высокая летучесть. Это приводит к значительным потерям дорогого органического реагента и требует принятия специальных мер для уменьшения этих потерь и очистки водных растворов от присутствия органических веществ. Все это вызывает существенное удорожание технологического процесса.

Известен способ извлечения тантала и отделения его от ниобия и кислых фторидно-сульфатных растворов экстракцией алифатическими спиртами С₇-С₉ [Глубоков Ю.М., Травкин В.Ф., Ильин Е.Г. и др. / Цветная металлургия. 2001. №10, с.23-27]. Процесс включает три стадии: экстракцию металлов, промывку органической фазы водой при соотношении объемов органической и водной фаз О:В 20:1, реэкстракцию тантала водой. Недостатком этого способа являются необходимость проведения процесса экстракции при высокой кислотности водной фазы, невысокая степень экстракции тантала и низкая величина коэффициента разделения тантала и ниобия.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ экстракционного разделения тантала и ниобия с использованием в качестве экстрагента трибутилфосфата [Коровин С.С., Дробот Д.В., Федоров П.И. Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология. - М.: МИСИС, 1999. - 464 с.]. Экстракцию проводят из сильнокислых растворов (не менее 8 М H₂ SO₄) в присутствии большого избытка фторид-ионов. Коэффициенты разделения не превышают 100. Сравнение всех параметров экстракции прототипа и предлагаемого способа дано в табл.1-5. Недостатками данного способа являются: высокая кислотность водной фазы (концентрация свободной серной кислоты не менее 300 г/л), относительно невысокая степень извлечения и разделения тантала и ниобия, низкая скорость расслаивания органической и водной фаз и самого процесса экстракции металлов. Это приводит к необходимости использования большого числа экстракционных аппаратов и их размеров и, следовательно, к увеличению затрат при использовании экстракционного процесса.

Технической сущностью настоящего изобретения является увеличение степени извлечения тантала в органическую фазу, повышение степени разделения тантала и ниобия, снижение кислотности водной фазы при экстракции, а также увеличение скорости экстракции металлов и скорости расслаивания органической и водной фаз.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе экстракционного разделения тантала и ниобия, включающем извлечение тантала трибутилфосфатом, экстракцию ведут органическим экстрагентом, представляющим собой смесь трибутилфосфата (70-85% об.) и алифатического спирта С₇-С₉ (30-15% об.).

Суть предлагаемого способа поясняется следующими примерами.

Пример 1. Ведут экстракцию тантала и ниобия из фторидно-сульфатного водного раствора, содержащего 31,0 г/л тантала и 2,3 г/л ниобия. Содержание фторид-ионов не превышает суммарного содержания металлов в стехиометрическом соотношении не более 7:1; содержание серной кислоты меняется в пределах 100-400 г/л. В качестве органической фазы используется смесь 80% об. ТБФ и 20% об. октанола-1, а также 100% об. ТБФ (прототип). Экстракцию проводят при соотношении объемов органической и водной фаз О:В=1:1 и температуре 21° С. Время контакта фаз - 3 мин. В таблице 1 приведены данные по влиянию кислотности водной фазы на извлечение тантала и ниобия в органическую фазу.

Таблица 1 Влияние кислотности водной фазы на извлечение тантала и ниобия.
Концентрация Н 2SO4,г/л	Коффициент распределения металлов
100% ТБФ	80% ТБФ+20% октанол-1
DТа	DNb	DТa	DNb
100	3,1	0,30	3,6	0,23
150	3,6	0,33	4,2	0,24
200	8,2	0,44	13,0	0,26
250	10,4	0,51	800	0,30
300	90	0,89	870	0,37
350	240	1,6	>1000	0,46
400	510	3,3	>1000	0,52

Из приведенных в табл.1 данных видно, что при использовании в качестве экстрагента смеси ТБФ и алифатического спирта C₇-С₉ извлечение металлов значительно выше, чем для ТБФ, при содержании серной кислоты более 250 г/л.

Пример 2. Ведут экстракцию тантала и ниобия из фторидно-сульфатного водного раствора, содержащего 31,0 г/л тантала и 2,3 г/л ниобия. Концентрация свободной серной кислоты - 300 г/л, а связанного с металлами фторид-иона - 23,2 г/л, что соответствует стехиометрическому соотношению металл:фторид-ион - 1:7. Органическая фаза - смесь трибутилфосфата и октанола-1 с различным соотношением между собой. Экстракцию проводят при соотношении органической и водной фаз О:В=1:1 и температуре 20,6° С. Время контакта фаз - 5 мин. В таблице 2 приведены данные по влиянию состава органической фазы на разделение тантала и ниобия.

Таблица 2 Влияние состава органической фазы на извлечение и разделение тантала и ниобия
Состав органической фазы, % об.	Коффициент распределения металлов	Коэффициент назделения, Та/Nb
Октанол-1	ТБФ	D Та	DNb
100	0	7,4	0,18	42
95	5	12,0	0,18	66
90	10	16,0	0,18	91
80	20	21,0	0,22	95
60	40	61,5	0,39	157
40	60	92	0,46	198
30	70	610	0,92	660
20	80	870	0,97	890
15	85	820	1,2	680
10	90	98	1,1	87
0	100	90	1,0	90

Приведенные результаты указывают на то, что высокое извлечение тантала и его отделение от ниобия достигается в интервале концентраций ТБФ и алифатического спирта: 70-85% об. ТБФ и 30-15% об. спирта.

Пример 3. Процесс экстракционного разделения тантала и ниобия ведут при различном времени контакта фаз. Состав органической фазы приведен в примере 2. Экстракцию проводят при соотношении органической и водной фаз О:В=1:1 и температуре 20,9° С. В таблице 3 приведены данные по влиянию времени контакта фаз на экстракцию тантала и ниобия.

Таблица 3 Влияние времени контакта фаз на экстракцию тантала и ниобия
Время контакта фаз, мин	Коффициент распределения металлов
100% ТБФ	80% ТБФ+20% октанол-1
DTa	DNb	DТa	DNb
1	12	0,22	93	0,32
2	28	0,30	320	0,53
3	41	0,43	810	0,96
4	52	0,79	850	0,95
5	90	1,0	870	0,97
10	98	1,1	880	0,96
20	101	1,0	860	1,0
30	99	1,1	900	0,99
60	106	1,1	880	0,98

Из приведенных в табл.3 данных следует, что при экстракции органическим растворителем, содержащим смесь 80%об. ТБФ и 20%об. октанола-1, для достижения величины коэффициентов распределения тантала и ниобия, близкой к равновесным, достаточно 3-4 мин контакта фаз, в то время как при использовании 100% необходимо не менее 10 мин.

Пример 4. Экстракцию тантала и ниобия ведут в соответствии с условиями примера 3. В случае использования в качестве органической фазы раствора 80% об. ТБФ и 20% об. октанола-1 максимальная производительность по сумме потоков органической и водной фаз достигает 5,3 м³/м²· час. В тоже время при использовании в качестве органической фазы неразбавленного ТБФ максимальная производительность по сумме фаз составляет 2,1 м³/м²· час. Таким образом, использование в качестве экстрагента смеси ТБФ и спирта позволяет повысить скорость расслаивания фаз, а значит, и производительность экстракционного оборудования.

Пример 5. Процесс экстракционного разделения тантала и ниобия ведут в соответствии с условиями примера 1. В качестве органической фазы используют трибутилфосфат (80% об.) с добавкой 20% об. алифатических спиртов (ROH, где R: С₆ - гексанол, С₇ - гептанол, C₈ - октанол-2, С₉ - нонанол и С₁₀ - деканол). В таблице 4 приведены данные по влиянию природы спирта на эффективность разделения тантала и ниобия.

Таблица 4 Влияние природы спирта на эффективность разделения тантала и ниобия
Концентрация Н2SO4, г/л	Коэффициент разделения, Та/Nb
Гексанол	Гептанол	Октанол-2	Нонанол	Деканол
100	3	11	12	13	4
150	5	15	14	15	7
200	11	17	18	17	10
250	100	850	860	850	96
300	130	890	900	910	120
350	107	870	880	870	110
400	83	650	700	710	84

Из приведенных в таблице 4 данных видно, что наиболее эффективно использование в качестве добавки спиртов с длиной радикала в алифатической цепи C₇-С ₉. Кроме того, использование гексанола (R - С ₆) приводит к большим его потерям из-за достаточно высокой растворимости в водной фазе. При использовании деканола (R - С₁₀) наблюдается резкое ухудшение процесса расслаивания органической и водной фаз.

Пример 6. Из фторидно-сульфатного водного раствора проводят разделение экстрагентом, содержащим 80% об. ТБФ и 20% об. октанола-1. Состав исходной водной фазы (г/л): тантал - 30,5; ниобий - 7,8; серная кислота - 253; фторид-ион - 39. Экстракцию ведут при соотношении объемов органической и водной фаз О:В=1,2:1. Промывку равновесной органической фазы и реэкстракцию проводят водой при различном соотношении органической и водной фаз. Промывные воды объединяются с исходной водной фазой и направляются на экстракцию. Условия процесса и полученные экспериментальные дынные приведены в таблице 5.

Таблица 5 Основные показатели процесса разделения тантала и ниобия
Показатель	Предлагаемый способ	Прототип
Состав экстрагента	80% об. ТБФ и 20% об октанола-1	100%об. ТБФ
Экстракция
Число ступеней противотока	4	4
Отношение объемов фаз O:В	1,2:1	1,2:1
Содержание тантала в рафинате, г/л	0,004	0,26
Извлечение тантала в экстракт, %	99,9	99,1
Промывка
Состав промывного раствора	Вода	50 г/л H2SO4
Число ступеней противотока	3	3
Отношение объемов фаз O:В	30:1	30:1
Реэкстракция
Состав реэкстрагирующего раствора	Вода	10%NH 4OH
Число ступеней противотока	4	4
Отношение объемов фаз O:В	5:1	5:1
Содержание тантала в реэкстракте	152	141
Извлечение тантала в реэкстракт, %	99,5	92,5
Коэффициент разделения, Та/Nb	1790	150

Приведенный пример показывает, что общее извлечение тантала, а также коэффициент разделения тантала и ниобия по заявленному способу выше, чем по способу-прототипу. При этом операции промывки органической фазы и реэкстракции могут проводиться водой, в то время как в случае использования в качестве органической фазы неразбавленного ТБФ (прототип) для интенсификации процесса расслаивания фаз используют водные растворы реагентов (серная кислота, фторид аммония).

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить извлечение тантала, а также степень экстракционного разделения тантала и ниобия. Кроме того, предлагаемый процесс позволяет проводить экстракцию из менее кислых растворов (200-250 г/л серной кислоты), что приводит к снижению затрат на реагенты. Наконец эффективность процесса экстракции повышается за счет снижения затрат на экстракционное оборудование вследствие уменьшения времени контакта фаз и увеличения скорости расслаивания водной и органической фаз, которая составляет 5,3 м³/м ²· час для предлагаемого способа и 2,1 м³/м²· час для прототипа.