Способ очистки нитрата кадмия
Владельцы патента RU 2493103:
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТИВОВ И ОСОБО ЧИСТЫХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ" (RU)
Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ очистки нитрата кадмия включает растворение кристаллического нитрата кадмия в дистиллированной воде и добавление к полученному раствору нитрата кадмия при перемешивании водного раствора гидроксида натрия, взятого в количестве, составляющем 4,4-6,0% от стехиометрически необходимого для полного осаждения гидроксида кадмия. После этого отфильтровывают выпавший осадок гидроксида кадмия, а водный раствор нитрата кадмия дополнительно обрабатывают азотной кислотой до рН 2, затем упаривают и подвергают кристаллизации при рН 2 и выделяют центрифугированием. Изобретение позволяет получить нитрат кадмия высокой степени чистоты, содержащий примеси металлов на уровне 10-5-10-6 мас.%. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 пр.
Настоящее изобретение относится к химии неорганических соединений и непосредственно касается способа очистки нитрата кадмия, который может быть использован как исходный продукт при получении чистых кадмийсодержащих соединений для современных отраслей промышленности.
Известен способ получения кристаллического нитрата кадмия обработкой оксида кадмия концентрированной азотной кислотой, последующим охлаждением образовавшегося раствора до температуры - 80°С, затем выдерживанием при температуре порядка +60°С, отделением не растворившегося осадка фильтрацией и охлаждением очищенного раствора до температуры его замерзания (и ниже) до получения кристаллического высокочистого нитрата кадмия (JP 63170217, C01G 11/00, 1988). В данном способе для очистки получившегося нитрата кадмия, как видно из приведенного описания, применяют метод кристаллизации при замораживании. Однако данный способ не технологичен и экономически не выгоден, поскольку требует применения сложного дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату предлагаемому способу является другой известный способ очистки нитрата кадмия, описанный в опубликованной в 1976 г работе отечественных авторов (Горштейн Г.И., Тютюева Н.Н.. Пузырева А.И. В сб. кристаллизация, 1976, №2, с.55-57). В данной статье исходный нитрат кадмия, применяемый в качестве исходного сырья для получения карбоната кадмия, предлагают очищать методом соосаждения. Для чего в емкости, снабженной перемешивающим устройством, сначала готовят 20%-ный раствор нитрата кадмия в дистиллированной воде, а затем к нему добавляют 30%-ный раствор пероксида водорода и 25%-ный водный раствор аммиака в количестве, необходимом для частичного осаждения гидроксида кадмия в количестве, составляющем 4% в пересчете на кадмий. При такой обработке происходит очистка нитрата кадмия от ряда примесей Fe (III), Cr (III), Сu (II).
Недостатками данного способа-прототипа являются, во-первых, невысокая степень чистоты получаемого нитрата кадмия 10-3÷10-4 мас.% и, во-вторых, - использование в процессе взрывоопасного вещества - пероксида водорода, что делает процесс технологически опасным.
Целью настоящего изобретения является создание более технологичного процесса, обеспечивающего получение нитрата кадмия высокой чистоты и с высоким выходом. Предлагаемый способ очистки нитрата кадмия осуществляют растворением кристаллического нитрата кадмия в дистиллированной воде и добавлением к полученному раствору нитрата кадмия при перемешивании водного раствора гидроксида натрия, взятого в количестве, составляющем 4,4-6,0% от стехиометрически необходимого для полного осаждения гидроксида кадмия, после чего фильтрацией отделяют выпавший осадок гидроксида кадмия, а отделенный раствор нитрата кадмия дополнительно обрабатывают азотной кислотой до рН 2, затем упаривают, охлаждают, выпавшие кристаллы выделяют центрифугированием и сушат.
Стадию кристаллизации проводят, предпочтительно, понижая температуру от 50°С и до 20-25°С.
Основным существенным отличием предлагаемого способа от способа-прототипа является применение в качестве вещества, частично осаждающего гидроксид кадмия, водного раствора гидроксида натрия, а не пероксида водорода в смеси с аммиаком, как в прототипе, что позволяет повысить чистоту продукта и упростить технологический процесс.
Существенное влияние на эффективность процесса очистки оказывает экспериментально подобранное количество гидроксида натрия, применяемого для соосаждения примесей, а именно применение раствора гидроксида натрия в количестве, составляющем 4,4-6,0% от стехиометрического количества гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения гидроксида кадмия.
Дополнительные экспериментальные исследования показали, что в случае уменьшения количества вводимого гидроксида натрия ниже заявляемого происходит не полная очистка продукта от примесей металлов, а в случае завышения этого показателя происходит потеря основного вещества с коллектором (осажденный гидроксид кадмия).
Предлагаемый способ в отличие от прототипа содержит после стадии соосаждения и последующей фильтрации стадию обработки маточного раствора азотной кислотой 65-68%-ной, до установления рН 2, что позволяет избежать образования основных солей кадмия (содержащих группу ОН). Для этой же цели на последующей стадии кристаллизации поддерживают то же значение рН 2.
Последними стадиями выделения продукта являются кристаллизация и центрифугирование. При этом стадию кристаллизации проводят при определенных температурных условиях, а именно, начинают кристаллизацию при 50°С и кончают при 20-25°C, что обеспечивает получение кристаллов с равномерной дисперсностью.
Таким образом, при соблюдении всех признаков предлагаемого способа удается получить нитрат кадмия, превышающий по чистоте по лимитируемым примесям образцы реактивной квалификации, особенно примесей следующих металлов: железо, марганец, никель, свинец, цинк - в 10 раз, а таких металлов, как ванадий, кобальт, медь - в 100 раз.
Ниже изобретение иллюстрируется следующими примерами и таблицей, которые не ограничивают возможность очистки нитрата кадмия и при других числовых режимах, но находящихся в пределах, заявляемых в формуле изобретения.
Пример 1.
В реактор, снабженный мешалкой, подают дистиллированную воду (0,8 л) и нитрат кадмия ч.д.а. (200 г), затем при постоянном перемешивании добавляют 10 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия х.ч., количество которого составляет 4,4% от стехиометрического количества гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения гидроксида кадмия. После перемешивания для более полного осаждения гидроксида кадмия, отделяют очищенный раствор от осадка фильтрацией на воронке Бюхнера. Затем к раствору добавляют 65%-ную азотную кислоту квалификации ч.д.а. до рН 2, упаривают и кристаллизуют при перемешивании, при снижении температуры до комнатной и поддержании рН 2, и после кристаллизации упаренного раствора отделяют осадок центрифугированием. Получают кристаллический нитрат кадмия (191 г) с 95,5%-ным выходом.
Чистота получаемого кадмия нитрата приведена в таблице.
Пример 2.
В реактор, снабженный мешалкой, подают дистиллированную воду (0,8 л) и нитрат кадмия, квалификации ч.д.а (200 г), затем при постоянном перемешивании добавляют 20%-ный раствор гидроксида натрия (13,6 мл), что составляет 6% от стехиометрии. Далее пример проводят аналогично примеру 1, только для подкисления добавляют 68%-ную азотную кислоту и кристаллизацию заканчивают при температуре 25°C. Получают 188 г, с 94%-ным выходом.
Ниже изобретение иллюстрируется таблицей, в которой приводятся данные по чистоте нитрата кадмия, очищаемого предлагаемым способом.
Примеры 3, 4, 5 проводятся аналогично примеру 1, но только отличаются количеством добавляемого осадителя (гидроксид натрия), которое составляет: 6,5 мас.% (пример 3), 3,5 мас.% (пример 4), 0 мас.% (пример 5).
Как видно из таблицы (примеры 4, 5) в случае занижения количества гидроксида натрия ниже заявляемого (менее 4,4 мас.%) имеет место резкое снижение чистоты получаемого продукта по содержанию большинства примесей перечисленных выше элементов. В случае же завышения содержания гидроксида натрия выше заявляемого (более 6,0 мас.%) происходит потеря основного вещества с коллектором (осажденный гидроксид кадмия) и снижается выход, что становится не экономичным.
Максимальный выход, по предполагаемому способу, составляет 94,0-95,5% от теоретического, а чистота получаемого продукта находится на уровне 10-5-10-6 мас.%, что отвечает требованиям, предъявляемым для высоко чистых продуктов, применяемых, например, в новых областях техники.
Чистота кадмия нитрата по примерам
| Таблица | ||||||
| Показатели качества | ч.д.а. | Примеры | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Содержание, мас.% | ||||||
| Ванадий (V) | 3·10-4 | <5·10-6 | <5·10-6 | <5·10-6 | 1·10-4 | 5·10-4 |
| Железо (Fe) | 1·10-4 | <1·10-5 | <1·10-5 | <1·10-5 | 1·10-4 | 1·10-4 |
| Кобальт (Со) | 3·10-4 | 1·10-6 | 1·10-6 | 1·10-6 | 1·10-5 | 1·10-4 |
| Марганец (Мn) | 3·10-4 | 1·10-5 | 1·10-5 | 1·10-5 | 5·10-5 | 1·10-4 |
| Медь (Сu) | 1·10-3 | 3·10-6 | 3·10-6 | 3·10-6 | 4·10-5 | 4·10-4 |
| Никель (Ni) | 3·10-4 | <1·10-5 | <1·10-5 | <1·10-5 | 5·10-5 | 2·10-4 |
| Свинец (Рb) | 2·10-3 | 3·10-5 | 3·10-5 | 3·10-5 | 1·10-4 | 3·10-4 |
| Цинк (Zn) | 2·10-3 | 4·10-5 | 4·10-5 | 4·10-5 | 1·10-4 | 1·10-3 |
| Хром (Сr) | 3·10-4 | <5·10-6 | <5·10-6 | <5·10-6 | 1·10-5 | 3·10-5 |
| Алюминий (Аl) | 2,5·10-2 | <5·10-4 | <5·10-4 | <5·10-4 | 1·10-3 | 2·10-2 |
| Барий (Ва) | 5·10-4 | <2·10-5 | <2·10-5 | <2·10-5 | 1·10-4 | 5·10-4 |
| Натрий (Na) | 2·10-2 | <2·10-2 | <2·10-2 | <2·10-2 | 2·10-2 | 2·10-2 |
1. Способ очистки нитрата кадмия растворением кристаллического нитрата кадмия в дистиллированной воде, добавлением к полученному раствору нитрата кадмия при перемешивании химического реагента, частично осаждающего гидроокись кадмия, и фильтрационным отделением раствора от выпавшего осадка с последующей обработкой целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве осаждающего реагента используют раствор гидроксида натрия, взятый в количестве, составляющем 4,4-6,0% от стехиометрически необходимого для полного осаждения гидроксида кадмия, а водный раствор нитрата кадмия после фильтрационного отделения осадка гидроксида кадмия дополнительно обрабатывают азотной кислотой до рН 2, затем упаривают, охлаждают и выпавшие кристаллы выделяют центрифугированием и сушат.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадию кристаллизации проводят, предпочтительно понижая температуру от 50°С и до 20-25°С.
