Способ получения тантала и ниобия из их соединений

 

Изобретение относится к способу получения тантала и ниобия из их химических соединений, включающему восстановление щелочным металлом и последующее выщелачивание остатка щелочного металла из порошков тантала и ниобия, полученных в элементарном состоянии. Восстановлению подвергают полимерные металлоорганические соединения тантала и ниобия в автоклаве в жидкой среде, состоящей из расплава металлоорганических соединений и щелочного металла при температуре не ниже температуры распада полимерных соединений на отдельные мономеры, с последующим охлаждением полученных продуктов до комнатной температуры, сбросом из автоклава избыточного давления газообразных веществ и выщелачиванием при нормальных условиях металлоорганического соединения щелочного металла раствором перекиси водорода из порошков тантала и ниобия, полученных в элементарном состоянии. Способ позволяет удешевить процесс. 1 ил.

Изобретение относится к химии металлоорганических соединений.

В настоящее время разработан способ получения тантала и ниобия из их полимерных металлоорганических соединений [1, 2]. Сущность этого способа заключается в следующем.

Твердые полимерные металлоорганические соединения тантала или ниобия, смешанные с четыреххлористым углеродом, подвергают химическому взаимодействию со щелочным металлом в автоклаве при перемешивании и нагревании выше температуры распада полимерных соединений на отдельные мономеры.

Мономеры вступают в реакцию со щелочным металлом. В результате химического взаимодействия получают тантал или ниобий в элементарном состоянии в виде тяжелого порошка, который оседает на дно автоклава, и легкого порошка твердого металлоорганического соединения натрия, который находится во взвешенном состоянии во всем объеме четыреххлористого углерода. При сливе четыреххлористого углерода удаляется металлоорганическое соединение натрия и получают чистый порошок тантала или ниобия в элементарном состоянии.

В описании изобретения не сообщается о физико-химических свойствах металлоорганических соединений щелочных металлов и затруднениях при их удалении из порошков тантала и ниобия, полученных в элементарном состоянии.

В связи с этим необходимо сообщить о нижеследующем.

Металлоорганические соединения щелочных металлов образуются в результате взаимодействия щелочных металлов с радикалами, входящими в состав мономеров металлоорганических соединений тантала и ниобия. Это хорошо видно, когда в качестве щелочного металла используют металлический натрий.

Восстановление тантала и ниобия из их мономеров металлоорганических соединений натрием проходит по реакции: Металлоорганическое соединение натрия представляет собой тонкодисперсный порошок черного цвета, устойчивый на воздухе при нормальных условиях (20^oC, 760 мм рт. ст. ). Это труднорастворимое и химически стойкое вещество. При взаимодействии с рядом высокоагрессивных реагентов оно не разлагается. Например, металлоорганическое соединение натрия при комнатной температуре практически не разлагается концентрированной серной, соляной и азотной кислотой. Оно не растворяется в царской водке. Это соединение не реагирует с концентрированными щелочами.

Органические растворители, такие как четыреххлористый углерод, спирты и эфиры, не растворяют металлоорганическое соединение натрия. Вода также не растворяет металлоорганическое соединение натрия.

Плотность элементарных тантала и ниобия больше плотности металлоорганического соединения натрия, поэтому в разработанном способе, металлоорганическое соединение натрия удаляют в виде порошка при сливе четыреххлористого углерода, а на дне сосуда, в котором проводят разделение, остается тяжелый порошок элементарных тантала и ниобия. В промышленных условиях металлоорганическое соединение натрия будут удалять с применением отсадочных машин.

Этот способ разделения порошков простой и дешевый в осуществлении, однако он не обеспечивает полного удаления металлоорганического соединения натрия. При таком способе удаления на поверхности зерен тантала и ниобия, в слипшихся комках может остаться металлоорганическое соединение натрия. Чтобы его удалить полностью нужно проводить перечистку осадка элементарных тантала и ниобия.

Удаление можно сделать эффективнее, если химически разложить металлоорганическое соединение натрия на растворимые компоненты. В связи с этим обстоятельством был разработан химический способ очистки порошков.

Исследованиями было найдено, что металлоорганическое соединение натрия хорошо взаимодействует с пергидролем. Реакция идет удовлетворительно при нормальных условиях (20^oC, 760 мм рт.ст.).

При нагревании и перемешивании скорость реакции значительно возрастает и процесс выщелачивания заканчивается за короткое время. Химическое взаимодействие металлоорганического соединения натрия с раствором перекиси водорода, содержащим 30% H₂O₂, проходит по реакции: Металлоорганическое соединение натрия разлагается на компоненты, которые хорошо растворяются в избыточном растворе перекиси водорода. Химическая реакция сопровождается выделением тепла и суспензия нагревается, и из нее бурно выделяются пузырьки газа и пара. По окончании реакции суспензию отфильтровывают. Порошок элементарных тантала и ниобия на фильтре промывают дистиллированной водой. Осадок сушат при температуре 105^oC до постоянного веса. Получают тантал и ниобий в элементарном состоянии высокой химической чистоты в виде порошка темно-серого цвета. Фильтрат представляет собой прозрачный раствор, слегка окрашенный в желтовато-зеленый цвет. Раствор имеет сильно кислую реакцию, потому что при разложении металлоорганического соединения образуется соляная кислота.

При упаривании из раствора выпадают стекловидные кристаллы хлористого натрия в виде кубиков правильной геометрической формы.

При комплексном использовании ценных компонентов раствор можно направить на извлечение хлористого натрия и соляной кислоты высокой химической чистоты.

Химический способ разложения металлоорганического соединения натрия позволяет отказаться от четыреххлористого углерода, который применяют в способе как несущую жидкость для осуществления физико-химического взаимодействия реагирующих веществ во взвешенном состоянии и для удаления порошка твердого металлоорганического соединения натрия при сливе четыреххлористого углерода.

Отказ от применения четыреххлористого углерода дает ряд экономических и эксплуатационных характеристик.

Процесс извлечения тантала и ниобия в элементарном состоянии становится значительно дешевле, потому что отпадает потребность в дорогом реагенте. Позволяет более эффективно использовать рабочий объем автоклава, т.к. он освобождается от веществ, которые напрямую не участвуют в получении тантала и ниобия.

Отказ от четыреххлористого углерода позволяет более рационально использовать физико-химические свойства полимерных металлоорганических соединений тантала и ниобия.

Эти соединения тантала и ниобия являются легкоплавкими веществами и при нагревании в автоклаве они при температуре выше 150^oC находятся в жидком состоянии. Их расплав выполняет функцию несущей жидкости, в которой физико-химическое взаимодействие реагирующих веществ проходит во взвешенном состоянии, что позволяет их эффективно перемешивать.

Все эти новые технические решения позволили создать более совершенный способ получения тантала и ниобия в элементарном состоянии из их полимерных металлоорганических соединений.

На фиг. 1 представлена технологическая схема этого способа. Новый способ получения тантала и ниобия из их химических соединений осуществляют следующим образом.

Исходя из рабочего объема автоклава, взвешивают определенное количество твердых полимерных металлоорганических соединений тантала или ниобия и металлический натрий, количество которого определяют расчетом по реакции восстановления этих металлов.

Твердые полимерные металлические соединения тантала или ниобия и металлический натрий загружают в автоклав, снабженный перемешивающим и нагревающим устройствами.

Загруженный люк плотно и прочно закрывают и включают электронагревающее и перемешивающее устройство.

При температуре 250 - 300^oC полимерные металлоорганические соединения распадаются на отдельные мономеры. При температуре 300 - 350^oC мономеры металла органических соединений тантала или ниобия химически энергично взаимодействуют с металлическим натрием. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла, при этом температура расплава самопроизвольно повышается. В связи с этим электронагревающее устройство выключают. Реакция восстановления тантала и ниобия проходит энергично и заканчивается за короткое время.

Автоклав охлаждают до комнатной температуры. Сбрасывают избыточное давление парогазообразных веществ.

В автоклав заливают раствор перекиси водорода, содержащий 30% H₂O₂, в таком количестве, чтобы получить суспензию, в которой соотношение твердого и жидкого по весу было в пределах Ж:Т = 3:1. Включают перемешивающее устройство и выщелачивание ведут при нормальных условиях (20^oC, 760 мм рт.ст.).

Если продолжительность выщелачивания требуется сократить, тогда суспензию нагревают до 30 - 40^oC. Дальше реакция развивается самостоятельно. При реакции выделяется много тепла. Во всем объеме суспензии выделяется большое количество пузырей газа. Электронагревающее устройство отключают.

Твердое металлоорганическое соединение натрия разлагается на компоненты, которые хорошо растворяются в растворе перекиси водорода. После завершения выщелачивания суспензию из автоклава сливают и отфильтровывают. Раствор направляют на утилизацию хлористого натрия и соляной кислоты. Осадок на фильтре промывают дистиллированной водой. Затем осадок сушат при температуре 105^oC до постоянного веса и получают тантал или ниобий в элементарном состоянии высокой химической чистоты в виде порошка темно-серого цвета.

Если на автоклавный способ получения тантала и ниобия поступают сополимер металлоорганических соединений тантала и ниобия, то сополимер перерабатывают по технологической схеме, которая представлена на фиг. 1, и получают биметаллический порошок, содержащий одновременно тантал и ниобий в элементарном состоянии.

Пример получения тантала в элементарном состоянии.

Для осуществления способа получения тантала в элементарном состоянии из полимерного металлоорганического соединения тантала (формула вычисленного состава имеет вид TaO₅C₅Cl₁₅ · nCCl₄) использовали вращающийся автоклав вместимостью 0,5 л, снабженный электронагревательным устройством, контрольно-измерительными приборами и обеспечивающий рабочее давление 10 МПа и рабочую температуру до 400^oC. В автоклав загружали 200 г твердого полимерного металлоорганического соединения, содержащего 42,4 г тантала, 30 г металлического натрия, взятого с небольшим избытком против теоретически необходимого для восстановления тантала.

Автоклав нагревали до температуры 300^oC при непрерывном вращении. При этой температуре и непрерывном перемешивании смеси веществ осуществлялось химическое взаимодействие в течение двух часов. После этого нагревание и перемешивание отключали и автоклав охлаждали до комнатной температуры. Из автоклава сбрасывали избыточное давление газообразных веществ.

В автоклав заливали раствор перекиси водорода, содержащий 30% H₂O₂, в таком количестве, чтобы получить суспензию с соотношением жидкости и твердого как Ж : Т = 3 : 1.

Суспензию выщелачивали при нормальном давлении и комнатной температуре до полного разложения твердого металлоорганического соединения натрия на компоненты, которые хорошо растворяются в избыточном растворе перекиси водорода.

Суспензию отфильтровывали. Осадок на фильтре промывали дистиллированной водой. Порошок тантала сушили при температуре 105^oC до постоянного веса. Степень извлечения тантала из исходного соединения составила не менее 99,95%. Тантал в элементарном состоянии является металлом высокой химической чистоты, содержащим не ниже 99,98% тантала. Содержание других металлов в элементарном тантале не обнаружено.

Литература 1. Патент РФ N 2033515 на изобретение "Способ получения металлоорганических соединений", МПК, опубл. 22.04.95. в офиц. бюлл. N 11.

2. Патент РФ N 2084550 на изобретение "Способ получения тантала и ниобия из их соединений"... C 22 B 34/24, 5/04, опубл. 20.07.97 в офиц. бюлл. N 20.

Формула изобретения

Способ получения тантала и ниобия из их химических соединений, включающий восстановление щелочным металлом полимерных металлоорганических соединений тантала и ниобия в автоклаве при температуре не ниже температуры распада полимерных металлоорганических соединений на мономеры, последующее охлаждение автоклава до комнатной температуры, сброс избыточного давления и последующее отделение тантала и ниобия, отличающийся тем, что отделение осуществляют выщелачиванием металлоорганического соединения натрия в автоклаве раствором перекиси водорода при нормальных условиях, полученную суспензию отфильтровывают, раствор утилизируют, а осадок на фильтре, содержащий тантал и ниобий в элементарном состоянии, промывают дистиллированной водой и сушат до постоянного веса.

РИСУНКИ

Рисунок 1