Разделение ниобия и тантала

Химическое поведение ниобия и тантала характеризуется чрезвычайной склонностью к гидролизу, гидролитической поли­меризации и комплексообразованию. Поэтому их водные раство­ры, в первую очередь азотнокислые, очень неустойчивы, что в значительной мере осложняет возможность применения экстрак­ционных методов для разделения ниобия и тантала.

Ниобий и тантал экстрагируются нейтральными фосфорорга­ническими экстрагентами из 7-10 М растворов НСl (экстракция происходит в виде гидролизованных соединений), а также в виде фторметаллатных кислот из растворов HF, так как в плавиково-кислых растворах гидролиз тантала и ниобия подавляется. Из плавиковокислых растворов экстрагируется преимущественно тантал, при этом. разделение достаточно хорошее, однако экстрагируемость низка.

Экстракция из смешанных кислот позволяет получить не только хорошее разделение, но и высокие коэффициенты распре­деления.

Основным экстрагентом для разделения ниобия и тантала является ТБФ, который экстрагирует эти элементы из смесей HNO₃-HF или H₂SO₄-HF. В целях предотвращения образо­вания третьей фазы используют 100%-ный ТБФ. В органиче­скую фазу преимущественно экстрагируется ниобий, причем его коэффициент распределения может быть очень высоким. При кислотности 6 М он достигает 80. После четырех ступеней экс­тракции и двух ступеней промывки 12 М HF можно извлечь 99% ниобия.

Предложен непрерывный нитрато-фторидный .процесс. Колум­бит непосредственно растворяется в смеси HNO₃-HF, и полу­чается раствор, содержащий Nb 45 г/л, Та 25 г/л, 8 М HF и 3 М HNO₃. Его подвергают экстракции на шести ступенях при соотношении объемов органической и водной фаз 3:1. Органи­ческую фазу промывают раствором, содержащим 8 М HF и 3 М HNO₃, при 0:В=2:1. Около 99% ниобия переходит в органический раствор, после чего реэкстрагируются 0,5 М HF при 0:В=2:3. Тантал вымывается из органической фазы рас­твором N₂CO₃, при этом достигается хорошая очистка от при­месей Fe, Mn, Ti и Si. Аппаратура должна быть изготовлена из полиэтилена.

Кроме трибутилфосфата для разделения тантала и ниобия используется метилизобутилкетон или диизопропилкетон. Разде­ление достигает 700.

РАСЧЕТ ЧИСЛА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТУПЕНЕЙ

Для аппаратурного оформления процесса экстракции нужно определить число теоретических ступеней или контактов, необ­ходимых для получения вещества заданной концентрации (чи­стоты). Существует два метода расчета числа теоретических ступеней: графический и аналитический.

Графический метод

Для графического определения необходимо иметь данные по распределению вещества между водной и органической фа­зами, заданные значения исходных и конечных концентраций в фазах и отношение потоков.

Из данных по распределению строят изотерму экстракции (или кривую равновесия) y = f(x), изображающую зависимость равновесной концентрации извлекаемого вещества в органиче­ской фазе у от концентрации в водной фазе х (рис. 58). Наклон этой кривой характеризует коэффициент распределения. В иде­альном случае до состояния насыщения равновесная линия дол­жна представлять собой прямую, так как коэффициент распре­деления постоянен; однако в реальных системах вследствие непостоянства коэффициента распределения изотерма может считаться прямолинейной только на небольшом участке.

Рис. 58. Расчет числа теоре­тических ступеней по изотерме экстракции.

Далее строится рабочая линия, выражающая связь между концентрациями в водной и органической фазах в экстракционном аппарате на основе материального баланса. Если исходная концентрация металла в органической фазе у_н, а конечная у_к; исходная концентрация в водной фазе х_н, а конечная х_к, объем водной фазы V_водн, а органической Vо_рг, то в колонну входит вещество в количестве V_воднх_н + V_оргу_н, а выходит из колонны V_воднх_к + V_оргу_к. Эти количества должны быть равны:

V_воднх_н + V_оргу_н = V_воднх_к + V_оргу_к.

отсюда

у_к – у_н = (V_водн / V_орг) ^. (х_н – х_к)

Это уравнение прямой, проходящей через точки с координатами (х_н, у_к) и (х_к, у_н). Обычно у_н = 0, х_н известно, х_к задается. Наклон прямой равен отношению V_орг/V_водн. Для любого сечения (рис. 59)

V_воднх + V_оргу_н = V_воднх_к + V_оргу.

Отсюда

(у – у_н) / (х_к – х_н) = (х – х_к) / (х_н – х_к)

Прямая, соединяющая точки с координатами (х_н, у_к) и (х_к, у_н), наносится на график (см. рис. 58). Она называется рабочей линией. Число контактов рассчитывается графически, как пока­зано на рисунке.

Рис. 59. Схема направле­ния потоков в любом се­чении экстракционной колонны.