Синтез и технология производства эффективных экстракционных реагентов для извлечения редкоземельных элементов на примере замещенных гидроксамовых кислот
Введение 4
1. Область применения редкоземельных металлов, особенности ресурсного
минерально-сырьевого потенциала России, особенности руд и экстрагентов для их извлечения 7
1.1 Область применения редкоземельных металлов и минерально-сырьевая
база 7
1.1.1 Применение редкоземельных элементов в производстве 7
1.1.2 Добыча и производство РЗМ 9
1.1.3 Разделение РЗЭ 10
1.1.4 Сравнительная характеристика реагентов - собирателей 12
1.2 Экстракционные свойства гидроксамовых кислот 19
1.2.1 Оценка свойств комплексообразующих реагентов-собирателей .... 19
1.2.2 Экстракция металлов гидроксамовыми кислотами 23
1.3 Методы получения гидроксамовых кислот 35
1.4 Идентификация гидроксамовой кислоты 40
1.5 Получение сложных эфиров из карбоновых кислот 41
1.5.1 Механизм этерификации 44
1.5.2 Технология синтеза эфиров карбоновых кислот 45
1.6 Определение РЗМ в водных растворах 47
2. Экспериментальная часть 54
2.1 Реагенты и оборудование 54
2.2 Физико-химические свойства веществ, используемых в эксперименте 54
2.3 Очистка и осушка растворителей 59
2.4 Получение этилового эфира каприловой кислоты 60
2.5 Оптимизация условий получения каприлгидроксамовой кислоты 61
2.5.1 Масштабированная методика получения каприлгидроксамовой кислоты 62
2.6 Методика экстракции лантана раствором каприлгидроксамовой кислоты 62
2.6.1 Спектрофотометрическое определение лантана 62
3. Обсуждение результатов 63
3.1 Синтез этилового эфира каприловой кислоты 63
3.2 Оптимизация условий получения каприлгидроксамовой кислоты 63
3.3 Оценка экстракционной активности каприлгидроксамовой кислоты 66
3.4 Материальный баланс производства каприлгидроксамовой кислоты 71
3.4.1 Исходные данные 71
3.4.2 Расчет материального баланса получения каприлгидроксамовой
кислоты 72
3.4.3 Расчет материального баланса получения этилового эфира
каприловой кислоты 76
3.5 Расчет объема реакторов 78
3.5.1 Расчет объема реактора получения этилового эфира каприловой
кислоты 78
3.5.2 Расчет объема реактора получения каприлгидроксамовой кислоты 80
3.6 Описание технологической схемы 82
Заключение и Выводы 86
3. Список литературных источников 88
Редкоземельные металлы (рзм) (иттрий и лантаноиды) обладают уникальными свойствами, которые применяются в наукоемких технологиях - в разработке полупроводников, микропроцессоров и т.д. Поэтому мировой спрос на такие металлы из года в год растет, что влечет за собой постепенное истощение сырьевой базы - руды. Ввиду ограниченности природных запасов, актуальной задачей является совершенствование технологий извлечения редкоземельных металлов из руды и отработанных изделий из редкоземельных металлов.
По учтенным запасам большинства редкоземельных металлов Российская сырьевая база занимает одно из передовых положений в мире. В Российской Федерации открыты крупные запасы редких минералов, которые достигают почти 28 млн т. в пересчете на их оксиды. Однако большинство отечественных месторождений обладают достаточно низким качеством: в среднем содержание редкоземельных элементов рудах в 2-5 раз меньше, чем за рубежом. Ввиду ограниченности природных запасов, актуальной задачей является совершенствование технологий извлечения редкоземельных металлов из отечественной руды.
Универсальным и хорошо освоенным промышленным способом обогащения руды ряда цветных металлов является флотация. Однако в настоящее время отсутствуют эффективные технологии извлечения редкоземельных металлов. Одними из направлений для решения проблемы является рациональный выбор реагентов. Исследования показали, что селективными комплексообразующими собирателями для руд, содержащих катионы редких металлов: тантал, ниобий, редкоземельные и др., а также олово, являются гидроксамовые кислоты. Гидроксамовые кислоты и их соли (гидроксаматы) используют для сбора минералов, таких как пирохлор, мусковит, фосфорит, гематит, пиролюзит, родонит, радохрозит, хризоколла, малахит, борнит, кальцит, обеспечивая высокую степень извлечения оксидов металлов.
Актуальность разработки технологии получения гидроксамовых кислот обусловлена их пригодностью для извлечения редкоземельных металлов из залежей и отсутствием производства флотореагентов на основе гидроксамовой кислоты на территории Российской Федерации
Данная работа посвящена разработке методики и технологии получения гидроксамовых кислот. Изучению экстракционных свойств гидроксамовых кислот, влияния рН среды и природы растворителя на извлечение редкоземельных металлов.
Целью данной работы является разработка технологии получения эффективных флотационных реагентов для извлечения редкоземельных металлов на основе производных гидроксамовых кислот, получаемых из карбоновых кислот.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Разработка методики получения гидроксамовых кислот: - подбор исходных карбоновых кислот для производства гидроксамовых кислот с высокой флотационной активностью;
- проведение синтеза гидроксамовых кислот с учетом мольного соотнощения компонентов
- подбор растворителя
2. Проведение испытания на экстракционную активность кислоты в отношение редкоземельных металлов.
3. Составление материальный баланс процесса.
4. Разработка технологической схему производства гидроксамовой кислоты;
Объектом исследования является технология получения эффективного реагента с высокой экстракционной способностью в качестве которого была выбрана каприлгидроксамовая кислота. Оптимизация способа получения кислоты. Методы идентификации гидроксамовых кислот. Экстракционные свойства каприлгидроксамовой кислоты в отношении редкоземельных металлов.
При выполнении работы использовали изучение и анализ литературных данных, методы высокоэффективной жидкостной хроматографии, ИК- спектрофотометрии, УФ-спектрофотометрии.
В работе впервые разработана промышленная технологическая схема получения каприлгидроксамовых кислот из карбоновых кислот. Показана возможность извлечения лантана из водного раствора соли в кислой среде растворами каприлгидроксамовой кислоты в бутиловом, амиловом и изоамиловом спиртах со степенью извлечения более 98%. Определено оптимальное соотношение лантан : экстрагент 1 : 3. Выявлено влияние рН среды раствора на степень извлечения лантана.
Работа выполнена в соответствии с поставленной целью работы - разработка технологии получения эффективных флотационных реагентов для извлечения редкоземельных металлов на основе производных гидроксамовых кислот, получаемых из карбоновых кислот. В ходе работы выполнены поставленные задачи.
1. Для производства гидроксамовых кислот с высокой флотационной активностью на основе литературных данных выбрано исходное соединение - каприловая карбоновая кислота.
2. Разработана методика получения гидроксамовых кислот. Экспериментально подобраны основания: наибольший выход конечного продукта был достигнут с использованием КОН и NaOH. Гидроксамовые кислоты с высоким выходом получены при использовании растворителей - спиртов MeOH и EtOH и соотношение компонентов 1:1.5:3. Каприлгидроксамовая кислота при использовании в качестве оснований Na2CO3 и LiOH, в качестве растворителей продукт не образовался с PrOH и i- PrOH не образуется, что обусловлено низкой растворимостью оснований в этих спиртах.
3. Проведен синтез капилгидроксамовой кислоты, состоящий из 2-х
стадий: этерификация каприловой кислоты и этилового спирта в
присутствии катализатора Amberlist и последующее взаимодействие этилового эфира каприловой кислоты с гидроксиламином гидрохлоридом в щелочной среде. Полученная каприлгидроксамовая кислота обладает высокой чистотой, Структура и чистота полученного продукта доказаны методами ВЭЖХ и ИК-спектроскопии.
4. Экспериментально доказана высокая экстракционная активность каприлгидроксамовой кислоты в отношение лантана, методом УФ- спектрофотометрии выявлена зависимость степени извлечения лантана раствором каприлгидроксамовой кислоты от кислотности среды, природы растворителя и соотношения концентраций лантана и экстрагента. Максимальная степень извлечения ланатана наблюдается в сильнокислых растворах. Природа органического растворителя также оказывает влияние на экстракционные свойства каприлгидраксамовой кислоты. Лучшие результаты получены в малополярном амиловом спирте. Установлено что минимальное соотношение концентраций лантан - экстрагент составляет 1:3, , при котором возможна экстракция лантана можно объяснить как координационным числом лантана, так и комплексообразующими свойствами экстрагента.
5. Рассчитан материальный баланс стадии получения этилового эфира каприловой кислоты, этерификацией каприловой кислоты этиловым спиртом в присутствии катализатора Amberlist. И стадии получения каприлгидроксамовой кислоты, взаимодействием этилового эфира каприловой кислоты с гидроксиламином гидрохлоридом в щелочной среде. Рассчитаны объемы реакторов периодического действия с мешалками для обеих стадий.
6. Разработана технологическая схема получения флотационного реагента, содержащего не менее 20% каприлгидроксамовой кислоты .
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
