способ получения пентахлорида тантала

Формула изобретения

Способ получения пентахлорида тантала путем хлорирования пентоксида тантала при повышенном давлении и температуре, отличающийся тем, что процесс проводят взаимодействием пентоксида тантала с тетрахлоридом кремния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химических технологий, в частности к новому способу получения пентахлорида тантала, и может быть использовано для извлечения тантала в виде его пентахлорида из танталсодержащего минерального сырья.

В литературе описан способ хлорирования танталсодержих руд хлором (Морозов И.С. Применение хлора в металлургии редких и цветных металлов. М.: Наука, 1966, 253 с.; Коршунов Б.Г., Стефанюк С.Л. Введение в хлорную металлургию редких элементов. М.: Металлургия, 1970, 343 с.). Рудный концентрат хлорируют газообразным хлором при 800-1000°С в присутствии восстановителя: древесного угля или кокса. Хлорированию подвергают либо брикетированную шихту, либо рудный концентрат в солевом расплаве. Получаемая парогазовая смесь содержит хлориды тантала, ниобия, титана, железа, марганца, алюминия, кремния и других составляющих минерального сырья, углекислый газ, угарный газ, фосген, хлор, хлористый водород, хлорпроизводные углеводородов. Температура парогазовой смеси на выходе из хлоратора 750-800°С.

Основными недостатками данного способа являются:

- недостаточно полное освобождение танталовых полупродуктов от основных примесей (железо, марганец, алюминий, титан, щелочные металлы), что приводит к дополнительным затратам на их очистку;

- значительный расход хлора, что требует территориальной привязки к действующему хлорному производству или организации собственного;

- присутствие в парогазовой фазе таких ядовитых и отравляющих веществ, как угарный газ, фосген, хлор, хлористый водород, что создает экологически неблагоприятные условия и требует специальных мер защиты;

- большие энергетические затраты.

Известен также способ хлорирования самого пентоксида тантала ( -Ta₂O₅) газообразным хлором и его смесями с аргоном и кислородом в присутствии различных видов углерода (сажа, графит, углерод из сахарозы) при температурах 500-800°С - так называемое карбохлорирование - (Gonzales J., Bohe A., Pasquevich D., Ruiz M. Del С. -Ta₂O₅ Carbochlorination with Different Types of Carbon. Canad. Metallurg. Quart. 2002, 41, №1, 29-40; Gonzales J., Rivarola J.B., Ruiz M. Del C. Kinetics of Chlorination of Tantalum Pentoxide with Sucrose Carbon by Chlorine Gas. Metallurg. Mater. Trans. B, 2004, 35, №3, 439-448). Процесс идет при атмосферном давлении, реакции способствует увеличение удельной поверхности углерода, и скорость хлорирования увеличивается в ряду графит < углерод из сахарозы < сажа.

Известен способ получения пентахлорида тантала четыреххлористым углеродом (Jena P.K., Brocchi E.A., Lima M.P.A.C. Studies on the Kinetics of Carbon Tetrachloride Chlorination of Tantalum Pentoxide. Metallurg. Mater. Trans. B, 2004, 32, №5, 801-810). Процесс изучен в интервале температур от 425 до 500°С и от 520 до 580°С.

Наиболее близким к заявляемому способу как по составу получаемого продукта, так и по методу обработки, является способ, описанный в работе (Гармазов Ю.Л., Турчанинов В.К., Кольцов В.П. Новый автоклавный способ вскрытия низкосортных танталониобиевых минеральных концентратов. Материалы международного совещания "Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья", г.Чита, 16-19.09.2002 г.). По этому способу танталсодержащее минеральное сырье обрабатывают в автоклаве жидким четыреххлористым углеродом при повышенной температуре и давлении, а полученный продукт выделяют охлаждением до комнатной температуры и декантацией избытка четыреххлористого углерода. Этот способ обладает несомненными преимуществами перед стандартной хлорной технологией [1, 2]. Однако и он несвободен от ряда недостатков, присущих традиционному хлорированию, - по-прежнему образуются угарный газ, фосген, хлористый водород, хлоруглеводороды.

Целью предлагаемого изобретения является исключение из процесса хлорирования элементного хлора и четыреххлористого углерода, которые в условиях процесса дают высокотоксичные соединения, а также снижение температуры и тем самым энергозатратности процесса. Данная цель достигается тем, что танталсодержащее минеральное сырье подвергают взаимодействию с тетрахлоридом кремния в автоклаве при повышенной температуре и давлении. Применение новой хлорирующей системы, не содержащей соединений углерода, исключает образование таких ядовитых и опасных продуктов как угарный газ, фосген и хлоруглеводороды. Основным продуктом превращения хлорирующего агента является диоксид кремния. Кроме того, данная хлорирующая система позволяет вести процесс в более мягких условиях, что резко снижает энергопотребление.

Пример 1. В стальной автоклав объемом 80 мл загружали 10 г (0.023 моль) высушенного при 200°С химического концентрата пентоксида тантала и заливали 26 мл (38.5 г, 0.23 моль) SiCl ₄ марки «ч». Автоклав герметично закрывали, ставили в трубчатую печь и выдерживали 2 ч при ˜280°С, периодически перемешивая содержимое путем встряхивания автоклава. По окончании автоклав охлаждали и вскрывали, содержимое автоклава фильтровали. Хлориды тантала, будучи нерастворимы в SiCl₄, остаются на фильтре вместе с диоксидом кремния. Оставшийся на фильтре осадок обрабатывали сухим ацетонитрилом, извлекая пентахлорид тантала и отфильтровывали экстракт от диоксида кремния. Фильтрат упаривали, получая 17.6 г зеленовато-желтой массы. Возгонкой в вакууме получено ˜9 г (56%) чистого пентахлорида тантала с т.пл 217-219°С. Лит.т.пл. 220°С.

Опыты, проведенные по примеру 1 с варьированием температуры, соотношения реагентов и времени процесса сводятся к семи примерам, представленным в виде таблицы (пример 1 соответствует опыту №4).

Реализация предлагаемого способа хлорирования в промышленном масштабе позволит исключить из процесса использование элементного хлора и образование высокотоксичных соединений (фосген, монооксид углерода, хлоруглеводороды), снизить затраты на извлечение целевого продукта и обеспечить его высокий выход.

Таблица Результаты получения химического концентрата пентахлорида тантала тетрахлоридом кремния в различных условиях
№ опыта	Температура, °С	Мольное соотношение Ta2O5 :SiCl4	Время, ч	Выход хлоридов Та, %
1	210	1:10	7	23
2	245	1:12.5	5	73
3	245	1:12.5	7	100
4	280	1:10	2	82
5	280	1:18	2	32
6	280	1:18	7	78
7	300	1:12.5	1	69