Экстракционная технология получения высокочистого оксида лютеция для кристаллов-сцинтилляторов ортосиликатов лютеция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экстракционная технология получения высокочистого оксида лютеция для кристаллов-сцинтилляторов ортосиликатов лютеция

Юрасова О.В.

Самиева Д.А.

Федулова Т.В.

Аннотации

Изучена экстракция редкоземельных элементов (РЗЭ) представителем класса четвертичных аммониевых оснований - Aliquat 336. Исследованы хлоридные и хлоридно-роданидные системы. Установлено, что хлоридно-роданидные растворы являются более эффективными для очистки лютеция от сопутствующих примесей. На примере лютеция предложен механизм экстракции редкоземельных элементов Aliquat 336, уравнение экстракции имеет вид: Lu3+ + 3NCS- + 3[RR'3 N]+NCS- = {(R3R' N)3+·[Lu(NCS)6]3-}о. Определены коэффициенты распределения и рассчитаны факторы разделения при экстракции РЗЭ Aliquat 336. На основании результатов рассчитан и организован экстракционный каскад по разделению Lu/Ln(Yb).

Ключевые слова: Aliquat 336, жидкостная экстракция, лютеций, редкоземельные элементы, четвертичные аммониевые основания.

EXTRACTION TECHNOLOGY OF HIGH PURE LUTIUM OXIDE PRODUCTION FOR CRYSTALS-SCINTILATORS OF LUTETIUM ORTHOSILICATES

Research article

Yurasova O.V.1, *, Samiev D.A.2, Fedulova T.V.3

1, 2, 3 JSC "Giredmet", Moscow, Russia;

Abstract

The extraction of rare-earth elements (REE) by a representative of the quaternary ammonium base class - Aliquat 336. - Chloride and chloride-rhodanide systems was studied in this work. It was found that chloride-rhodanide solutions are more effective for purifying lutetium from related impurities. The mechanism of extraction of rare-earth elements Aliquat 336 was proposed based on the example of lutetium. The extraction equation has the following form: Lu3+ + 3NCS- + 3[RR'3 N]+NCS- = {(R3R' N)3+·[Lu(NCS)6]3-}о. The distribution coefficients were determined and the separation factors were calculated during the extraction of REE Aliquat 336. Based on the results, the extraction cascade for Lu/Ln(Yb) separation was calculated and implemented.

Keywords: Aliquat 336, liquid extraction, lutetium, rare earth elements, quaternary ammonium bases.

Введение

Кристаллы-сцинтилляторы на основе силиката лютеция успешно применяются за рубежом в технологии позитронно-эмиссионного сканирования. В отличие от сцинтилляционных кристаллов другого состава силикаты лютеция (LSO) обладают рядом преимуществ, они имеют большую плотность, высокий световой выход, малое время послесвечения и малый процент потерь, поэтому именно им отдается преимущество при изготовлении сцинтилляционных элементов для трехмерных позитронно-эмиссионных томографов (ПЭТ) [1], [2]. В настоящее время основными производителями ПЭТ являются зарубежные компании General Electric, Siemens, Philips, Shimadzu, а в России в Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" проводятся работы по созданию первого отечественного томографа, использующего лютецийсодержащие кристаллы Lu1.8Y0.2SiO5 (LYSO).

Данная НИОКР выполнена с целью создания технологии подготовки качественной шихты для синтеза монокристаллов ортосиликатов лютеция, основу которой составляют высокочистые оксиды кремния SiO2 и лютеция Lu2O3. Последний относится к группе редкоземельных элементов (РЗЭ) - лантаноидов, обладающих схожими свойствами, поэтому получить индивидуальный оксид высокой степени чистоты достаточно сложная задача. Основными и наиболее эффективными методами разделения и очистки близких по свойствам РЗМ, являются жидкостная экстракция и (или) ионный обмен, при этом экстракционные методы являются более производительными и считаются менее трудоемкими [3], [4]. Поэтому в настоящей работе было уделено внимание поиску доступной эффективной, экологически безопасной экстракционной системы, позволяющей получить оксид лютеция с содержанием основного вещества более 99,99 % и одновременно отделиться от примесей РЗЭ до уровня, (%, кажд.): < 1•10-3 (в т.ч. Nd, Pr, Eu, Tb, Yb - (1-5)•10-4), отрицательно влияющих на сцинтилляционные свойства кристаллов LSO.

В исследованиях в качестве сырья использовали концентрат лютеция (98-99 %), содержащий примеси РЗЭ, в том числе оксид иттербия до 0,5 %. В качестве экстрагента изучен Aliquat 336, выбор которого объясняется следующими мотивациями. В последние годы в исследованиях и технологиях редкоземельных элементов в качестве экстрагентов все большее применение находят ионные жидкости, к несомненным преимуществам которых относится очень низкое давление пара, что уменьшает риски загрязнения воздуха и возникновения пожара, и позволяет отнести данные технологии к зеленым. [5], [6], [7]. Для успешного использования ионных жидкостных систем в процессах редкоземельного разделения такие системы должны быть экономичными, простыми, давать высокие коэффициенты разделения, обладать низкой токсичностью. Согласно литературе [8], [9], обозначенным критериям соответствует экстрагент Aliquat 336 (триоктилметиламмоний хлорид - ТОМАХ), представляющий собой ионную жидкость с катионами четвертичного аммониевого основания (ЧАО) и легко заменяемыми анионами хлора. Дополнительным преимуществом Aliquat 336 является то, что его синтез организован в России.

Экспериментальная часть

В исследованиях применяли технический экстрагент Aliquat 336 различной формы: хлоридной - ТОМАХ, и роданидной - ТОМАР. Поиск эффективной системы для очистки лютеция от сопутсвующих РЗЭ проведен на хлоридно-роданидных растворах, поскольку экспериментально установлено, что извлечение Lu в них осуществляется лучшее (рис.1, кривая (1).

Рис. 1 - Изотермы экстракции лютеция в системах: (1) 1 моль/л Aliquat 336 (ТОМАР) - LuCl3 - NH4NCS - Н 2О; (2) 1 моль/л Т Aliquat 336 (ТОМАХ) - LuCl3 - Н 2О

Согласно графикам рисунка 1 в хлоридно-роданидных растворах насыщение экстрагента происходит при содержании лютеция в равновесной органической фазе 0.21-0,22 моль/л, а в хлоридных - при 0.102 моль/л. В изученном интервале концентраций лютеция коэффициенты распределения металла в присутствии роданида аммония выше (рис.1, кривая 1) по сравнению с хлоридной системой (рис. 1, кривая 2), поэтому дальнейшие исследования проведены на хлоридно-роданидных растворах с применением экстрагента Aliquat 336, переведенном в роданидную форму (ТОМАР).

В ходе исследований был экспериментально определен состав экстрагируемого комплекса лютеция. Сделан вывод, что совместно с ионом лютеция в органическую фазу переходят три роданид-иона водной фазы, в состав экстрагируемого комплекса входят три молекулы экстрагента в роданидной форме, и предложена следующая схема экстракции лютеция Aliquat 336 (ТОМАР):

Lu3+вод + 3NCS-вод + 3[RR'3 N]+NCS-орг = {(R3R' N)3+·[Lu(NCS)6]3-}орг.

Для установления поведения сопутствующих редкоземельных металлов в процессе экстракции лютеция из раствора его концентрата, изучена зависимость коэффициентов распределения (D) редкоземельных элементов от их порядкового номера. Установлено, что для лантаноидов легкой подгруппы (La-Nd) и средней (Sm-Tb) коэффициенты распределения не велики и не превышают 1. Существенные различия в коэффициентах распределения определены для тяжелых РЗМ (DEr=3.17, DTm=9.61, DYb=34.16, DLu=83.26. Иттрий в изученных условиях смещается в область средней подгруппы РЗЭ, значение его коэффициента распределения находится в интервале между Sm-Tb.

По полученным коэффициентам распределения были рассчитаны факторы разделения (в) РЗЭ (таблица 1). Средний фактор разделения соседних элементов тяжелой подгруппы РЗЭ составляет 2,77, а соседнего с лютецием вLu/Yb ~ 2,4. В технологии редкоземельных элементов полученные в считаются достаточно высокими для их эффективного разделения.

Таблица 1 - Факторы разделения РЗЭ при экстракции 1 моль/л

На основании полученных данных разработаны режимы и рассчитан экстракционный каскад по разделению Lu/Ln(Yb) с получением 99,999 % Lu2O3 (по сумме РЗМ) [10]. Расчетные данные проверены экспериментально - организован экстракционный каскад в делительных воронках, состоящий из экстракционной, промывной и реэкстракционной частей (рис. 2).

Рис. 2 - Экстракционный каскад, смоделированный в делительных воронках экстракция аммониевый роданидный

После выхода каскада на равновесие были собраны растворы реэкстракта, из которых выделили оксалаты, прокалили и сдали их на анализ в ЦКП АО "Гиредмет". Получен оксид лютеция Lu2O3, в котором содержание критических примесей не превысило заданных выше границ.

Заключение

На основании выполненных исследований сделан вывод о возможности применения разработанной экстракционной технологии с использованием Aliquat 336 (ТОМАР) для получения оксида лютеция с качественными характеристиками достаточными для получения шихты для применения в синтезе кристаллов оксиортосиликатов лютеция.

Список литературы / References

1. Пат. 2242545 Российская Федерация, МПК C30B29/34, C30B11/00, C30B15/00, C30B15/34, C30B17/00, C30B28/06, C30B28/10, C04B35/16, C09К 11/08. Сцинтилляционное вещество (варианты) / Загуменный А.И., Заварцев Ю.Д., Крутовой С.А.; № 2003132127/15, заявл. 11.2003; опубл. 20.12.2004, Бюл. № 35.

2. Глобус М.Е. Неорганические сцинтилляторы. Новые и традиционные материалы / М.Е. Глобус, Б.В. Гринёв. - Харьков: Акта, 2000. - 408 с.

3. Михайличенко А.И., Редкоземельные металлы / А.И. Михайличенко, Е.Б. Михлин, Ю.Б. Патрикеев. М.: Металлургия, 1987- 232 с.

4. Поляков Е.Г. Металлургия редкоземельных металлов / Е.Г. Поляков А.В. Нечаев, А.В. Смирнов. М.: Металлургия, 2018 -731с.

5. Liu Y. Application and Perspective of Ionic Liquids on Rare Earths Green Separation / Y. Liu, J. Chen, D. Li // Separation Science and Technology. - 2012. - 47 (2) - P. 223?232.

6. Baba Y. Recent advances in extraction and separation of rare-earth metals using ionic liquids / Y. Baba, F. Kubota, N. Kamiya and others // Journal of Chemical Engineering. - 2011. -Vol. 44 (10). - P. 679-685.

7. Makanyire T. Separation and recovery of critical metal ions using ionic liquids / T. Makanyire, S. Sбnchez-Segado, A. Jha // Advances in Manufacturing. - 2016. - Vol. 4 (1). - P. 33-46.

8. Kubota F. Uphill transport of rare-earth metals through a highly stable supported liquid membrane based on an ionic liquid / F. Kubota, Y. Shimobori, Y. Koyanagi // Analytical Science. - 2010. - Vol. 26(3). - P. 289-290.

9. Larsson K. Separation of rare earths by split-anion extraction / K. Larsson, K. Binnemans // Hydrometallurgy. - 2015. - Vol. 156. - P. 206-214.

10. Гасанов А.А, Апанасенко В.В. и др. Расчет полного противоточного экстракционного каскада с обменной промывкой с использованием Exсel // Цветные металлы. - 2016. - N С. 44-49.

Список литературы на английском языке / References in English

1. 2242545 Russian Federation, MPK C30B29/34, C30B11/00, C30B15/00, C30B15/34, C30B17/00, C30B28/06, C30B28/10, C04B35/16, C09К 11/08. Scintillyacionnoe veshchestvo (varianty) [Scintillation substance (options)] / Zagumennyj A. I., Zavarcev YU. D., Krutovoj S. A.; № 2003132127/15, appl. 04/11/2003; publ. 20/12/2004, Bul. Number 35.

2. Globus M. E. Neorganicheskie scintillyatory. Novye i tradicionnye materialy [Inorganic scintillators. New and traditional materials]/ M. E. Globus, B. V. Grinyov. - Har'kov: Akta, 2000. - 408p. [in Russian]

3. Mikhaylichenko A. I., Redkozemel'nye metally [Rare-earth metals]/ A. I. Mikhaylichenko, E. B. Mihlin, Yu. B. Patrikeev. M.: Metallurgiya, 1987- 232 p. [in Russian]

4. Polyakov E. G. Metallurgiya redkozemel'nyh metallov [Metallurgy of rare-earth metals] / E. G. Polyakov A. V. Nechaev, A. V. Smirnov. M.: Metallurgiya, 2018 -731p. [in Russian]

5. Liu Y. Application and Perspective of Ionic Liquids on Rare Earths Green Separation / Y. Liu, J. Chen, D. Li // Separation Science and Technology. - 2012. - 47(2) - P. 223?232.

6. Baba Y. Recent advances in extraction and separation of rare-earth metals using ionic liquids / Y. Baba, F. Kubota, N. Kamiya and others // Journal of Chemical Engineering. - 2011. - Vol. 44(10). - P. 679-685.

7. Makanyire T. Separation and recovery of critical metal ions using ionic liquids / T. Makanyire, S. Sбnchez-Segado, A. Jha // Advances in Manufacturing. - 2016. - Vol. 4(1). - P. 33-46.

8. Kubota F. Uphill transport of rare-earth metals through a highly stable supported liquid membrane based on an ionic liquid / F. Kubota, Y. Shimobori, Y. Koyanagi // Analytical Science. - 2010. - Vol. 26(3). - P. 289-290.

9. Larsson K. Separation of rare earths by split-anion extraction / K. Larsson, K. Binnemans // Hydrometallurgy. - 2015. - Vol. 156. - P. 206-214.

10. Gasanov A. A. Raschet polnogo protivotochnogo ekstrakcionnogo kaskada s obmennoj promyvkoj s ispol'zovaniem Exsel [Calculation of a complete counter-current extraction cascade with an exchange industry using Exsel] / A. A. Gasanov, V. V. Apanasenko and others // Cvetnye metally. - 2016. -№ 5. - P. 44-49. [in Russian]

Размещено на Allbest.ru