Физико-химические основы экстракции галлия и алюминия из щелочно-карбонатных растворов азотсодержащими экстрагентами фенольного типа

Московский государственный университет тонких химических технологийимени М.В. ЛомоносоваНа правах рукописиЕршова Яна ЮрьевнаФизико-химические основы экстракциигаллия и алюминия из щелочно-карбонатныхрастворов азотсодержащими экстрагентамифенольного типа05.17.02 – технология редких, рассеянных и радиоактивных элементовДиссертация на соискание ученой степени кандидата химических наукНаучный руководитель:доктор химических наук, профессорРезник Александр МарковичМосква  год2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4ГЛАВА 1.

ЛИТЕРАТУРЫЙ ОБЗОР.............................................................................. 81.1.Галлий: применение, потребление, производство, цены, сырьевые источники 81.2. Поведение галлия при переработке алюминиевого сырья. Переработканефелиновых руд ...........................................................................................................

161.3.Состояние галлия в щелочных растворах ............................................................. 221.4. Экстракция галлия.................................................................................................. 25ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ........................................................................ 392.1. Исходные вещества ................................................................................................ 392.2. Методика эксперимента ........................................................................................

422.3. Методы исследования и анализа .......................................................................... 45ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ................... 543.1 ЭКСТРАКЦИЯ ГАЛЛИЯ И АЛЮМИНИЯ НБЭА-0 И НБЭА-2 ...........................ИЗ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ РАСТВОРОВ................................................................... 543.1.1. Влияние времени контакта фаз .......................................................................... 543.1.2. Влияние состава разбавителя ............................................................................. 563.1.3. Влияние концентрации экстрагента .................................................................. 603.1.4.

Влияние концентрации каустической щелочи ................................................. 653.1.5. Влияние концентрации карбоната калия .......................................................... 703.1.6. Определение соотношения галлий:экстрагент в экстракте методом сдвигаравновесия ...................................................................................................................... 743.1.7. Определение соотношения галлий:экстрагент в экстракте методомизомолярных серий .......................................................................................................

773.1.8. Определение соотношения алюминий:экстрагент в экстракте методомсдвига равновесия ......................................................................................................... 793.1.9. Определение соотношения алюминий:экстрагент в экстракте методомизомолярных серий ....................................................................................................... 813.1.10. ИК-спектроскопия экстрагентов и экстрагируемых соединений галлия иалюминия .......................................................................................................................

8333.1.11. Спектроскопия ЯМР экстрагентов и экстрагируемых соединений галлия иалюминия ....................................................................................................................... 903.1.12. Теоретический расчет молекулы экстракта.................................................... 933.1.13. Сравнение экстрагирующей способности НБЭА-0 и НБЭА-2 ..................... 953.1.14.

Реэкстракция галлия и алюминия .................................................................... 963.2. ЭКСТРАКЦИЯ ГАЛЛИЯ И АЛЮМИНИЯ НБЭА-0 ИЗ СОВМЕСТНЫХЩЕЛОЧНО-КАРБОНАТНЫХ РАСТВОРОВ .......................................................... 1003.2.1. Влияние времени контакта фаз на экстракцию галлия в присутствииалюминия ..................................................................................................................... 1003.2.2. Влияние концентрации экстрагента на извлечение галлия в присутствииалюминия .....................................................................................................................

1023.2.3. Влияние концентрации каустической щелочи на экстракцию галлия вприсутствии алюминия ............................................................................................... 1043.2.4. Влияние концентрации карбоната калия на экстракцию галлия вприсутствии алюминия ...............................................................................................

1053.2.5. Влияние соотношения объемов фаз на экстракцию галлия в присутствииалюминия ..................................................................................................................... 1073.2.6. Применение перекрестного тока при экстракции галлия из щелочнокарбонатных растворов в присутствии алюминия ..................................................

1083.2.7. Реэкстракция галлия из экстрактов в присутствии алюминия .................... 1123.2.8. Цементация галлия ............................................................................................ 1153.2.9. Принципиальная технологическая схема .......................................................

117СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ .............................. 120ВЫВОДЫ ..................................................................................................................... 122СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................

1234ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Полупроводниковые соединения на основе галлияшироко используются в осветительной технике, телекоммуникационном оборудованиии бытовой электронике. Нитрид галлия в ближайшие годы станет ключевым материаломв производстве высокочастотных и сверхмощных транзисторов. В России одним изосновных источников галлия являются алюмосиликатные нефелиновые месторождения.Содержание галлия в нефелинах колеблется в диапазоне 7-400 г/т. При переработкенефелинов используют метод спекания. В данном методе источником получения галлияслужат поташные маточные растворы.

Содержание алюминия в этих растворахпревышает содержание галлия более чем в 50 раз.Для извлечения галлия из подобных растворов и отделения его от алюминияможетбытьпримененажидкостнаяэкстракция.Азотсодержащиеэкстрагентыфенольного типа могут служить перспективными реагентами для селективногоизвлечения галлия из данных растворов.Цель настоящей работы – извлечение, концентрирование и отделениегаллия от алюминия из щелочно-карбонатных оборотных растворов нефелиновогопроизводства азотсодержащими реагентами фенольного типа.Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи: выявить основные закономерности экстракционного извлечения галлия иалюминияизщелочно-карбонатныхрастворовазотсодержащимиэкстрагентами фенольного типа; получить щелочной раствор галлия для его эффективного выделенияметодом цементации; разработатьпринципиальнуютехнологическуюсхемупопутноговыделения галлия из оборотных растворов нефелинового производства.Научная новизна.1.

Впервые применены для извлечения галлия из щелочно-карбонатныхрастворов и отделения его от алюминия N-(2-гидрокси-5-нонилбензил)-,-5дигидроксиэтиламин(НБЭА-0)иN-(2-гидрокси-5-нонилбензил)--гидроксиэтилметиламин (НБЭА-2).2. Выявлены основные физико-химические закономерности экстракциигаллия и алюминия растворами НБЭА-0 и НБЭА-2 в смеси октана с 20% об.октанола. Показано, что галлий эффективно извлекается реагентом НБЭА-0 сконцентрациями K2CO3 = 300 г/л, NaOH ≈1 моль/л, степень извлечения Ga (далееEGa) составляет 90-95%, при аналогичных условиях в случае экстракции реагентомНБЭА-2 значения EGa доходят до 60%.

Установлены соотношения Ga/ Al:НБЭА-0,Ga/ Al:НБЭА-2 в экстрагируемых соединениях, равные 1:1. Предложены уравненияэкстракции. Установлены параметры реэкстракции галлия и алюминия щелочнымирастворами. Предложены уравнения реэкстракции.3. Установлены параметры экстракции галлия растворами НБЭА-0 изщелочно-карбонатных растворов в присутствии алюминия.Теоретическая значимость.

Полученные данные были использованы влекционном курсе «Физико-химические основы технологии редких элементов»,«Технология прекурсоров на основе редких, рассеянных и платиновых металлов»на кафедре «Химия и технология редких и рассеянных элементов, наноразмерных икомпозиционных материалов им. К.А.Большакова» Московского государственногоуниверситета тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова.Практическаязначимость.Показанаэффективностьиспользованиярастворов НБЭА-0 и НБЭА-2 для извлечения галлия из щелочно-карбонатныхрастворов и отделения его от алюминия.Показано, что концентрирование галлия и отделение его от алюминия изоборотныхщелочно-карбонатныхрастворовнефелиновогопроизводствапроисходит в случае экстракции в режиме перекрестного тока.

В результатепроцесса получают экстракт, содержащий 1,4 г/л Ga, 7,3 г/л Al – то есть молярноесоотношение Ga : Al = 1:14,тогда как в исходном поташном маточнике Ga : Al ≈1:50.6Определены условия проведения реэкстракции галлия в режиме противотока,в результате которой в итоговом реэкстракте CGa = 1,68 г/л, CАl = 3,29 г/л, то естьмолярное соотношение Ga:Al = 1:5. Проведение цементации галлия из данногореэкстракта позволяет получить черновой галлий чистоты 99,9% с выходом около92,6%, и также сэкономить значительное количество алюминия.Предложена принципиальная технологическая схема извлечения галлия изоборотных растворов нефелинового производства.Разработан способ разделения галлия и алюминия из совместных щелочнокарбонатных растворов, с 50-тикратным преобладанием алюминия (заявка напатент №2015107674 от 05,03,2015).На защиту выносятся следующие положения: новые экстрагенты для извлечения галлия и алюминия из щелочнокарбонатных растворов; основные закономерности межфазного распределения галлия и алюминияпри их экстракционном извлечении из щелочно-карбонатных растворовпредложенными реагентами; способ извлечения, концентрирования галлия и отделения его от алюминияиз совместных щелочно-карбонатных растворов.Личныйвкладсоискателясостоитвполучениибольшинстваэкспериментальных результатов, связанных с изучением экстракции галлия,концентрирования и отделения его от алюминия из совместных щелочнокарбонатных растворов, обсуждении результатов и их оформлении.Достоверность и обоснованность результатов диссертации базируется наприменении современных методов исследования (ИК - спектроскопии, межфазномраспределении,жидкостнойхроматографии,спектроскопии,спектроскопииядерно-магнитногоатомно-адсорбционнойрезонанса),взаимноподтверждающих полученные данные, и использовании приборов, прошедшихгосударственную поверку.7Апробация работы.