» » Разделение ниобия и тантала методом экстракции
06.02.2017

Как указывалось ранее, единственным промышленным способом разделения ниобия и тантала является описанный выше процесс, основанный на дробной кристаллизации фтористых комплексных солей тантала и ниобия. Другие способы разделения, например осаждение таннином, избирательное восстановление хлоридов тантала и ниобия водородом или алюминием, а также разделение с помощью ионнообменных смол, представляют пока интерес лишь для химического анализа ниобия и тантала.
Более перспективными для целей промышленного использования являются разработанные в последнее время экстракционные способы разделения ниобия и тантала. Исследования показали, что тантал и ниобий избирательно экстрагируются из растворов, содержащих плавиковую и соляную кислоты, кетонами алифатического и ароматического ряда. Коэффициенты распределения тантала и ниобия между водным раствором и кетоном сильно отличаются. При определенной концентрации кислот из водной фазы преимущественно экстрагируется тантал.
Разделение ниобия и тантала методом экстракции

Так, при перемешивании водного раствора, содержащего 16 г/л тантала и 19,2 г/л ниобия в смеси 3,3-н. плавиковой и 0,5-н. соляной кислот с равным объемом метилизобутилкетона (СН3СО*С4Н9), при достижении равновесия из водной фазы экстрагируется 80,6% Ta и только 0,56% Nb. Коэффициент разделения, представляющий собой отношение коэффициентов распределения тантала и ниобия между двумя жидкими фазами, равен 736.
Степень экстракции тантала и ниобия из растворов плавиковой и соляной кислот метилизобутилкетоном зависит от концентрации кислот и концентрации ниобия и тантала в растворе. Соотношение ниобия и тантала в исходном продукте мало влияет на эффективность разделения.
Как следует из рис. 76, экстракция тантала и ниобия увеличивается с увеличенном концентраций соляной и плавиковой кислот. Однако в области более низких концентраций кислот экстракция ниобия незначительна, в то время как степень экстрагирования тантала составляет 90% и выше.
При экстракции из плавиковокислого раствора максимальное извлечение тантала достигается из растворов с 6-н. концентрацией HF (рис. 77). Ниобий при концентрации плавиковой кислоты ниже 4-н. экстрагируется в незначительной степени.
Разделение ниобия и тантала методом экстракции

Экстракционное разделение тантала и ниобия может осуществляться в экстракционных аппаратах периодического или непрерывного действия.
Экстракторы периодического действия представляют собой цилиндрические чаны, снабженные мешалкой. В аппарат заливают определеннее количество обрабатываемого водного раствора и органического растворителя. После перемешивания в течение заданного времени смеси дают отстояться. При этом происходит расслаивание на два слоя. Если удельный вес растворителя меньше 1 (как, например, в случае применения метилизобутилкетона), то он образует верхний слой, а водный раствор — нижний слой. Через кран в дне аппарата в отдельные сборники спускают раствор и органический растворитель. Если необходимо, производится многостадийная экстракция. Более совершенными с точки зрения полноты экстрагирования и производительности являются экстракционные аппараты непрерывного действия. Они представляют собой колонные аппараты, работающие по принципу противотока. Жидкость с большим удельным весом непрерывно подается в верхнюю часть колонны, а жидкость с меньшим удельным весом — в нижнюю. Легкая жидкость (обычно растворитель) поднимается вверх и удаляется из верхней части аппарата, а тяжелая жидкость (обрабатываемый водный раствор) выходит из нижней части колонны.
Степень экстрагирования зависит от поверхности контакта между двумя жидкими фазами. С целью создания большой контактной поверхности применяют колонны с насадкой и колонны с ситчатыми тарелками или диспергируют поступающую в колонну жидкость при помощи распылительных устройств.
На рис. 78 показана схема непрерывной экстракционной установки, применявшейся для разделения тантала и ниобия по вышеописанному метод избирательного экстрагирования тантала метилизобутилкетоном из растворов, содержащих плавиковую и соляную кислоты.
В установке применена колонна высотой 3,7 м с внутренним диаметром 50 мм с ситчатыми тарелками, снабженная пульсирующим устройством. Koлонна, тарелки и трубопроводы выполнены из пластмассы (полиэтилена), устойчивой против действия плавиковой и соляной кислот.
Разделение ниобия и тантала методом экстракции

В верхнюю часть колонны насосом подается кислый раствор, содержащий ниобий и тантал, в нижнюю часть колонны — метилизобутилкетон. Экстракт вытекает из верхней части колонны, а рафинат (водный раствор после экстрагирования) — из нижней части колонны. Постоянный уровень раздела фаз в колонне поддерживается с помощью U-образной сифонной трубки, которая сообщается с воздушным пространством аппарата.
Пульсация достигается при помощи пульсирующего мотора, передающего пульсации сильфону, герметично присоединенному к нижней отстойной части колонны (см. рис. 78).
Возможны различные методы осуществления экстракционного разделения тантала и ниобия. Приводим два из них.
1.Экстракция производится метилизобутилкетоном из плавиковокислого раствора тантала и ниобия (при отсутствии ионов хлора). Тантал переходит в органическую фазу, ниобий остается в водной фазе.
2. Экстракция производится из раствора безводных хлоридов тантала и ниобия в метилизобутилкетоне раствором плавиковой кислоты. При этом ниобий переходит в водную фазу.
В качестве примера ниже приведены результаты, полученные при работе по первому методу в колонне непрерывного действия. Смесь гидроокисей ниобия и тантала (отношение Ta:Nb = 1:1) была растворена в 2,3-н. плавиковой кислоте. Исходный раствор содержал 17,3 г/л тантала, 17,3 г/л ниобия, 1,27 г/л железа, 0,25 г/л титана, следы алюминия, олова, меди, марганца и кремния.
Водный раствор пропускался через колонну со скоростью 6,84 л/час, метилизобутилкетон — со скоростью 11.11 л/час (отношение объемов органической и волной фаз равно 1,62). Амплитуда пульсации составляла 25,4 мм, частота пульсаций — 62 в минуту. Первые 7,94 л рафината были присоединены к исходному раствору для повторной циркуляций.
Тантал извлекался из органической фазы путем осаждения гидроокиси тантала 28%-ным раствором аммиака. Кетон отделялся от водной фазы декантацией, затем производилась фильтрация — отделение гидроокиси тантала от водного раствора. Водная фаза (рафинат), содержащая HF, ниобий и некоторое количество оставшеюся тантала, подвергалась повторной экстракции метилизобутиткетоном. Из водной фазы аммиаком выделяли гидроокись ниобия.
Регенерация органической фазы может производиться противоточным взаимодействием ее с водой в тон же колонне. При этом получается метилизобутилкетон, пригодный для использования. Степень регенерации составляет выше 90%.
Результаты разделения приведены в табл. 38.
Разделение ниобия и тантала методом экстракции

Приведенные в таблице данные показывают, что способ экстракции позволяет получить танталоные и ниобиевые продукты с незначительной примесью ниобия в тантале и тантала в ниобии.
Одним из преимуществ этого способа является то, что общее содержание тантала и ниобия в перерабатываемом сырье, а также соотношение между ниобием и танталом в нем не влияют на ход процесса разделения.