способ получения металлического скандия

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СКАНДИЯ, включающий металлотермическое восстановление его из хлорида скандия в среде аргона с последующим выделением скандия из продуктов реакции обработкой растворителем для отделения примесей, промывкой и сушкой, отличающийся тем, что восстановление ведут тонкодисперсным литием, взятым в избытке, в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при нагреве смеси исходных реагентов до 200

400^oС, а обработку продуктов реакции восстановления ведут метанолом при температуре кипения метанола с последующим отделением скандия в виде порошка, промывку осуществляют метанолом для отделения Li⁺, Cl^- и Sc⁺³, а сушку ведут в вакууме при 100 150^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при восстановлении используют литий с размером частиц 0,2 0,3 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку ведут в вакууме не ниже 1,3 Па(10^-2 мм рт.ст.).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к способам получения редкоземельных элементов.

Известен способ получения металлического скандия металлотермическим восстановлением его из безводного хлорида скандия щелочными металлами калием и натрием. По известному способу процесс осуществляют в две стадии. На первой стадии после дегазации ScCl₃ в танталовом тигле при 370^оС и разрежение 0,00133 Па в него добавляли калий и смесь выдерживали при 400^оС в течение 15 ч. На второй стадии добавляли натрий с получением в итоге избытка щелочного металла и довосстанавливали скандий при 1000^оС за 8 ч. Избыток щелочного металла-восстановителя и его хлориды отделяются возгонкой или иными путями. Недостатками данного способа являются его большая длительность, большие энергетические затраты и сложность контроля реакции восстановления на второй стадии из-за бурного протекания процесса [1]

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения металлического скандия [2] в котором скандий получают металлотермическим восстановлением его из галогенидов. В качестве исходных компонентов берут безводные хлорид или фторид скандия; а восстановление производят магнием или кальцием в инертной среде аргона. В связи с тем, что скандий и шлак разделяются на два слоя только при повышенных температурах, галогенид скандия восстанавливают вначале при 850^оС, повышая температуру в конце процесса до 1600^оС, шлак удаляют в жидком состоянии и после удаления шлака металл переплавляют в вакууме (10^-5 мм рт. ст.) для удаления остатков летучих примесей. Примеси можно удалять промывкой продуктов реакции водой для удаления соединений кальция, а затем 10%-ным раствором NaOH. Высушенный металл переплавляют в вакууме при 500-600^оС. Недостатком данного способа является сложность технологического цикла, имеющего большое количество операций по очистке от загрязнений, которые необходимо выполнять при повышенных температурах и высоком вакууме. Сам процесс восстановления также протекает при высоких температурах 900-1100^оС.

Целью изобретения является снижение энергетических затрат на получение скандия путем одностадийного восстановления его при меньших температурах процесса, увеличение выхода чистого металла и снижение загрязнения скандия трудноудалимыми окисными соединениями.

Для решения поставленной задачи в способе получения металлического скандия, включающем металлотермическое восстановление его из хлорида скандия в среде аргона с последующим выделением скандия из продуктов реакции обработкой растворителем для отделения примесей, промывкой и сушкой, восстановление ведут мелкодисперсным литием, взятым в избытке, в режиме высокотемпературного самораспространяющегося синтеза при нагреве смеси исходных реагентов до 200-400^оС, а обработку продуктов реакции восстановления ведут метанолом при температуре кипения метанола с последующим отделением скандия в виде порошка, промывку осуществляют метанолом для отделения Li⁺, Cl^- и Sc⁺³, а сушку ведут в вакууме при 100-150^оС.

Кроме того, для восстановления используют литий с размером частиц 0,2-0,3 мм.

При этом сушку ведут при вакууме не ниже 1,3 Па (10^-2 мм рт.ст.).

Сущность изобретения заключается в том, что в смеси хлорида скандия с тонкодисперсным литием при нагреве ее до температуры 200-400^оС взаимодействие реагентов (восстановление скандия) происходит в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и выделяющегося тепла достаточно для поддержания реакции, пока не прореагирует вся смесь. Избыток лития обеспечивает минимальное количество непрореагировавшего хлорида скандия по завершению реакции восстановления. Метанол обладает наибольшей растворимостью в нем хлоридов лития и скандия и инертен по отношению к металлическому скандию. Последовательная обработка продуктов реакции кипящим и холодным метанолом обеспечивает на выходе чистый порошок скандия. Остатки метанола легко удаляются вакуумированием.

Технологически наиболее выгодно использовать литий с размером частиц 0,2-0,3 мм, а сушку порошка металлического скандия вести в вакууме 1,3 Па (10^-2 мм рт.ст.).

Цель изобретения снижение энергетических затрат и возможности получения металлического скандия в промышленных масштабах.

В реакционный сосуд из тугоплавкого металла или из стекла, заполненный аргоном, помещают тонкодисперсный порошок металлического лития и трихлорид скандия, полученный при возгонке. Загруженные компоненты механически перемешивают до получения достаточно однородной смеси. Реакционный сосуд со смесью нагревают до 200-400^оС, после чего начинается взаимодействие смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в соответствии с реакцией:

SсCl₃ + 3Li 3LiCl + Sc. Реакция идет с выделением тепла, и смесь разогревается до 1000-1100^оС.

По окончании реакции восстановления реакционной сосуд охлаждают, заливают его метанолом и нагревают до температуры кипения метанола. Хлорид лития, непрореагировавший литий и непрореагировавший хлорид скандия переходят в жидкую фазу. Порошок скандия выделяют из смеси любым методом: фильтрацией, центрифугированием и т.д. а затем промывают чистым метанолом, удаляя ионы Li⁺, Cl^- и Sc⁺³. Отмытый порошок металлического скандия сушат в вакууме не ниже 1,3 Па (10^-2 мм рт.ст.) при 100-150^оС.

П р и м е р 1. В реакционный сосуд из молибдена, заполненный сухим аргоном, помещают 1,9 г тонкодисперсного лития с размером частиц 0,2-0,3 мм и 10 г порошка хлорида скандия. Загруженные в реакционный сосуд компоненты перемешивают до получения однородной смеси, после чего сосуд нагревают. По достижении температуры 200-250^оС начинается взаимодействие хлорида скандия и лития в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Реакция начинается в зоне нагрева и распространяется вдоль сосуда. Вся смесь разогревается до 1000^оС. Прореагировавшую смесь охлаждают, заливают метанолом и кипятят в течение 1 ч. Порошок скандия выделяют из взвеси центрифугированием, а затем промывают чистым метанолом, удаляя Li⁺, Cl^- и Sc⁺³. Промытый порошок подвергают сушке в вакууме 1,3 Па при 100^оС.

Выход скандия 96,5% при чистоте 98%

П р и м е р 2. В реакционный сосуд из кварцевого стекла, заполненный аргоном, помещают 1,2 г тонкодисперсного лития с размерами частиц 0,3 мм и 6 г порошка хлорида скандия. Загруженные в реакционный сосуд компоненты перемешивают до получения однородной смеси, после чего сосуд нагревают. По достижении температуры 350^оС начинается взаимодействие хлорида скандия с литием в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Реакция начинается в зоне нагрева и распространяется вдоль сосуда. В итоге вся смесь быстро разогрелась до 1000-1100^оС. Прореагировавшую смесь охлаждали и выделяли порошок металлического скандия аналогично примеру 1.

Выход скандия 95,5% при чистоте 98%

Предлагаемый способ получения металлического скандия использует сырьевую базу и реагенты, освоенные промышленностью, а примеры реализации показывают, что реакция восстановления хорошо контролируется, что подтверждает промышленную применимость изобретения.