DE102017010590A1 - Enrichment of rare earth metals from mineral substrates - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Anreicherung von Kationen der Elemente Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd,Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu in wässriger Lösung aus mineralischen Substraten mittels organischer Phosphonäuren der Formel (1) nach Anspruch 1 als Hauptverfahrensschritt. Hierfür sind die enstsprechenden Phosphonsäure-Derivate der Formel (100) bis (109) für den Hauptverfahrensschrit bevorzugt, wobei der Hauptverfahrensschritt unter Anpassung des pH-Wertes und / oder durch Zusatz von Chlorid optimiert werdem kann. In Ihrer Weiterbildung umfasst die Erfindung unabhängig voneinander zwei Vorbehandlungsschritte für das Substrat, für die Extraktionslösung jeweils zwei Nachbehandlungsschritte und einen Schlussbehandlungsschritt, welche mit dem Hauptverfahrensschritt zu einem allgemein anwendbaren Gesamtverfahren in Apsruch 10 zusammengeführt sind. Besonders vorteilhast zeichnet sich das vorgeschlagene Anreicherungsverfahren durch eine hohe Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit aus.The present invention comprises a process for the enrichment of cations of the elements Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu in aqueous solution of mineral Substrates by means of organic phosphonic acids of the formula (1) according to claim 1 as the main process step. For this purpose, the corresponding phosphonic acid derivatives of the formulas (100) to (109) are preferred for the main process step, it being possible to optimize the main process step by adjusting the pH and / or by adding chloride. In its development, the invention independently comprises two pretreatment steps for the substrate, for the extraction solution in each case two post-treatment steps and a final treatment step, which are combined with the main process step to form a generally applicable overall process in Apsruch 10. Particularly advantageous, the proposed enrichment process is characterized by a high efficiency and environmental friendliness.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung Kationen der Seltenen-Erd-Metalle Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praeseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd),Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) in wässriger Phase durch Extraktion von mineralischen Substraten.In Ihren Weiterbildungen betrifft die Erfindung weiter ein Verfahren zur Anreicherung dieser Seltenen-Erd-Metalle in Anwesenheit von Komplexbildnern und quarternären Ammoniumsalzen sowie die Überführung von Seltenen-Erd-Metallen aus einer wässrigen in eine hydrophobe Phase.The invention relates to a method for enriching cations of the rare earth metals scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), preseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu) in aqueous In its developments, the invention further relates to a method for enriching these rare earth metals in the presence of complexing agents and quaternary ammonium salts and the transfer of rare earth metals from an aqueous to a hydrophobic phase.
Die Gewinnung von Seltenen-Erd-Metallen (nachfolgend als SEM bezeichnet) ist äußerst aufwändig. Einzelne Methoden hierfür sind beispielsweise in: Bernhard Adler, Ralf Müller, „Seltene Erdmetalle - Gewinnung, Verwendung und Recycling“, Universitätsverlag Ilmenau 2014 zusammenfassend beschrieben. Die Reinsalze dieser Elemente müssen aus den Erzen, die neben anderen Verbindungen grundsätzlich nur Gemische der SEM-Verbindungen enthalten, über aufwändige Trennverfahren separiert werden. Im ersten Schritt werden die Erze durch Behandlung beispielsweise mit Alkalilaugen oder Mineralsäuren, wie Salz- oder Schwefelsäure, aufgeschlossen. Zum Teil werden die Erze, wie beispielsweise Monazit oder Bastnäsit oder Xenotim oder Gadolinit oder Euxenit, auch einer Hochtemperaturchlorierung unterworfen, wobei ein Gemisch von Chloriden entsteht.The extraction of rare earth metals (hereinafter referred to as SEM) is extremely expensive. Individual methods for this are described, for example, in: Bernhard Adler, Ralf Müller, "Rare earth metals - extraction, use and recycling", Universitätsverlag Ilmenau 2014 summarized. The pure salts of these elements must be separated from the ores, which in principle contain only mixtures of the SEM compounds in addition to other compounds, via elaborate separation processes. In the first step, the ores are digested by treatment, for example, with alkali or mineral acids, such as hydrochloric or sulfuric acid. In part, the ores, such as monazite or bastnaesite or xenotime or gadolinite or euxenite, are also subjected to high temperature chlorination to form a mixture of chlorides.
In einem weiteren Schritt werden die aus dem aufgeschlossenen Material gewonnenen Gemische der SEM-Salze weiteren Trennverfahren unterworfen:
- - Fraktionierte Kristallisation oder Fällung;
- - Absorption in einem Ionenaustauscher und anschließende selektive Elution mit einem Komplexbildner, wie beispielsweise Ethylendiamintetraessigsäure (nachfolgend als EDTA bezeichnet), Nitrilotriessigsäure (nachfolgend als NTA bezeichnet), 1-Hydroxyethyl-1,1-diphosphonsäure (nachfolgend als HEDPA bezeichnet), Aminotris(methylenphosphonsäure) (nachfolgend als ATMP bezeichnet), Ethylendiamintetra(methylenphosphonsäure) (nachfolgend als EDTMP bezeichnet) und Diethylentriaminpenta(methylenphosphonsäure (nachfolgend als DTPMP bezeichnet);
- - Flüssig-Flüssig-Extraktion aus einer wässrigen Phase in ein hydrophobes organisches Lösemittel, wobei in dem Lösemittel geeignete Komplexbildner, wie Tri-n-butylphosphat (nachfolgend als TBP bezeichnet), Di(2-ethylhexyl)hydrogenphos-phat (nachfolgend als DEHPA bezeichnet), oder langkettige quarternäre Ammoniumsalze, wie Tetradecylammoniumchlorid enthalten sind.
- Fractionated crystallization or precipitation;
- Absorption in an ion exchanger and subsequent selective elution with a complexing agent such as ethylenediaminetetraacetic acid (hereinafter referred to as EDTA), nitrilotriacetic acid (hereinafter referred to as NTA), 1-hydroxyethyl-1,1-diphosphonic acid (hereinafter referred to as HEDPA), aminotris (methylenephosphonic acid (hereinafter referred to as ATMP), ethylenediaminetetra (methylenephosphonic acid) (hereinafter referred to as EDTMP) and diethylenetriaminepenta (methylenephosphonic acid (hereinafter referred to as DTPMP);
- Liquid-liquid extraction from an aqueous phase into a hydrophobic organic solvent, wherein in the solvent suitable complexing agents, such as tri-n-butyl phosphate (hereinafter referred to as TBP), di (2-ethylhexyl) hydrogenphosphate (hereinafter referred to as DEHPA ), or long-chain quaternary ammonium salts such as tetradecylammonium chloride are included.
Aufgrund von Rohstoffknappheit, Exportbeschränkungen und des hohen industriellen Bedarfs an SEM nimmt deren Rückgewinnung aus Industrieabfällen eine immer wichtigere Bedeutung ein. Auch in solchen Industriabfällen, wie beispielsweise in Verschlackungen von Kraftfahrzeug-Katalysatoren oder SEM-haltigen Glasabfällen, fallen die SEM grundsätzlich als Gemische an. Je nach Art des anfallenden Abfalls erfordert dies aufwändige spezifische Anpassungen von einzelnen Rückgewinnungsverfahren.Due to resource scarcity, export restrictions and the high industrial demand for SEM, their recovery from industrial waste is becoming increasingly important. Even in such industrial waste, such as, for example, in slagging of motor vehicle catalysts or glass waste containing SEM, the SEM are generally produced as mixtures. Depending on the type of waste generated, this requires complex specific adjustments of individual recovery processes.
Zur Verbesserung der Flüssig-Flssig-Extraktion oder zur Trennung der einzelnen SEM ist die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten vorgeschlagen worden; diesbezüglich aktuelle Methoden sind in der
Aus der Abhandlung:
Ein wesentlicher Nachteil der bisherigen Trenn- und Anreicherungsverfahren von SEM besteht nicht nur in deren Komplexität, der hohen Anzahl an erforderlichen Einzelschritten und in dem apparativen Aufwand, sondern auch in der Verwendung konzentrierter, hochkorrosiver Mineralsäuren wie Laugen und großen Volumina an organischen Lösemitteln. Diese Verfahren sind nicht nur kostenintensiv, sondern erfordern auch einen hohen Aufwand für einen hinreichenden Umweltschutz.A major disadvantage of the previous separation and enrichment of SEM is not only in their complexity, the high number of required steps and in the equipment required, but also in the use of concentrated, highly corrosive mineral acids such as alkalis and large Volumes of organic solvents. These methods are not only costly, but also require a lot of effort for a sufficient environmental protection.
H3TriNOx ist nur in organischen Lösemitteln, jedoch nicht in Wasser löslich. Die Kompelxierung von dreiwertigen SEM-Kationen gelingt nur in der Anwesenheit starker Basen, wie Amide. Im Vergleich zu anderen Liganden für dreiwertige SEM-Kationen ist die Synthese von H3TriNOx aufwändig.H 3 TriNOx is only soluble in organic solvents but not in water. Complexation of trivalent SEM cations succeeds only in the presence of strong bases, such as amides. Compared to other ligands for trivalent SEM cations, the synthesis of H 3 TriNOx is complex.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren für die Anreicherung von dreiwertigen SEM-Kationen in eine flüssige Phase aus mineralischen Substraten zur Verfügung zu stellen.The invention has for its object to provide a simplified method for the enrichment of trivalent SEM cations in a liquid phase of mineral substrates available.
Unter einem mineralischen Substrat wird in der vorliegenden Erfindung ein festes anorganisches Stoffgemenge verstanden, welches neben weiteren Bestandteilen ein odere mehrere SEM in Form einer in neutralem Wasser schwerlöslichen Verbindung oder Gemisches davon enthält. Dies können beispielsweise in Form von Oxiden und / oder Silicaten unbehandelte oder nachbehandelte Erze oder verschlackte Industrieabfälle sein.In the present invention, a mineral substrate is understood as meaning a solid inorganic substance mixture which, in addition to further constituents, contains one or more SEMs in the form of a sparingly soluble compound or mixture thereof in neutral water. These may be, for example, in the form of oxides and / or silicates untreated or aftertreated ores or slagged industrial waste.
Die vorbenannte Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 in erfinderischer Weise gelöst.The above object is achieved by the feature combination of claim 1 in an inventive manner.
Das vorgeschlagene Anreicherungsverfahren von SEM aus einem mineralischen Substrat umfasst als Hauptverfahrensschritt eine Extraktion von Kationen mindestens eines der Elemente Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu aus einem in einer wässrigen Suspension vorliegenden mineralischen Substrat mittels einer in Wasser gelösten organischen Phosphonsäure der Formel (1):
Eine Extraktion von SEM-Kationen aus mineralischen Substraten in die wässrige Phase mit einer Phosphonsäure der Formel (1) dann schon bei 25°C bewerkstelligbar, wenn die wässrige Phase einen pH-Wert von 4,5 oder weniger aufweist. Vorteilhaft für eine möglichst schnelle Extraktion ist ein pH-Wert zwischen 0,5 und 3. Dies ist technisch einfach durch Rühren des mineralischen Substrates in einer wässrigen Lösung der Phosphonsäure realisierbar.An extraction of SEM cations from mineral substrates in the aqueous phase with a phosphonic acid of the formula (1) can be effected even at 25 ° C, when the aqueous phase has a pH of 4.5 or less. A pH value between 0.5 and 3 is advantageous for the fastest possible extraction. This is technically feasible simply by stirring the mineral substrate in an aqueous solution of the phosphonic acid.
Bei Stillstand der Anreicherung von SEM-Kationen in der wässrigen Phase bei der Durchführung des Hauptverfahrensschrittes erfolgt eine Filtration der Lösung von dem mineralischen Substrat. Besonders vorteilhaft ist die so erhaltene Filtratlösung nehrmalig für denselben Extraktionsvorgang mit jeweils einer neuen Charge an minerlischem Substrat verwendbar, wobei im Fall eines zu hohen pH-Wertes wieder mit der Phosphonsäure der Formel (1) angesäuert erfolgt. Die mögliche Anzahl dieser Zyklen des Hauptverfahrensschrittes ist nur durch die Löslichkeit der Phosphonsäure der Formel (1) und alle anderen gelösten Stoffe in der wieder eingesetzten Lösung, jedoch hauptsächlich durch eine gegebenenfalls kritische Volumenzunahme beschränkt.At standstill of the accumulation of SEM cations in the aqueous phase in the implementation of the main process step, the solution is filtered from the mineral substrate. Particularly advantageously, the filtrate solution thus obtained is nehrmalig for the same extraction process, each with a new batch of minerlischem substrate used, which takes place in the case of too high a pH again acidified with the phosphonic acid of formula (1). The possible number of these cycles of the main process step is limited only by the solubility of the phosphonic acid of the formula (1) and all other solutes in the reused solution, but mainly by an optionally critical volume increase.
Der einfachste Vertreter der Phosphonsäure der Formel (1) ist Methylphosphonsäure, mit welcher die Extraktion von SEM aus mineralischen Substraten gelingt. Allerdings sind hierfür höhere Konzentrationen von Methylphosphonsäure im Vergleich zu solchen Phosphonsäuren erforderlich, welche mehr als eine Phosphonsäure-Gruppe aufweisen. Da mit Anzahl der Phosphonsäure-Gruppen an dem gemeinsamen organischen Rest R gleichzeitig das pH-Puffervermögen der Phosphonsäure steigt, kann im Vergleich zu Methylphosphonsäure schon mit geringeren Konzentrationen einer solchen mehrbasigen Phosphonsäure der pH-Wert über die gesammte Extraktionsdauer besonders vorteilhaft konstant gehalten werden, wodurch bessere Extraktion der SEM-Kationen bewirkt wird.The simplest representative of the phosphonic acid of the formula (1) is methylphosphonic acid, with which the extraction of SEM from mineral substrates succeeds. However, this requires higher concentrations of methylphosphonic acid compared to those phosphonic acids which have more than one phosphonic acid group. Since the pH of the phosphonic acid increases simultaneously with the number of phosphonic acid groups on the common organic radical R, the pH can be kept particularly advantageously constant over the entire extraction period in comparison to methylphosphonic acid even with lower concentrations of such a polybasic phosphonic acid better extraction of the SEM cations is effected.
Säurestärke und / oder ein möglichst kleiner pH-Wert sind nicht perse ein Garant für ein Gelingen der Extraktion von SEM aus mineralischen Substraten. Beispielsweise gelingt die Extraktion von SEM-Kationen nicht mit Methylsulfonsäure. Überraschend weisen Phosphonsäuren der Formel (1) einer Konzentration von 1 mol L-1 in Wasser in etwa dasselbe Extraktionsvermögen bezüglich SEM-Kationen wie eine wässrige Salzsäure-Lösung einer Konzentration von 6 mol L-1 auf. Weist das mineralische Substrat einen hohen Silicatanteil auf, so ist oft bei der Verwendung von Salzsäure eine unvorteilhafte Vergelung der wässrigen Phase beobachtbar, welche eine Filtration technisch erschwert. Eine solche Vergelung der wässrigen Phase wird bei Durchführung des Hauptverfahrensschrittes unter Verwendung der Phosphonsäure der Formel (1) nicht beobachtet.Acid strength and / or the lowest possible pH value are not per se a guarantee for the success of the extraction of SEM from mineral substrates. For example, the extraction of SEM cations does not succeed with methylsulfonic acid. Surprisingly, phosphonic acids of the formula (1) have a concentration of 1 mol L -1 in water in about the same extraction capacity with respect to SEM cations as an aqueous hydrochloric acid solution of a concentration of 6 mol L -1 . If the mineral substrate has a high silicate content, disadvantageous gelling of the aqueous phase is often observed when using hydrochloric acid, which makes filtration technically more difficult. Such gelling of the aqueous phase is not observed when carrying out the main process step using the phosphonic acid of the formula (1).
Nachfolgend wird auf die Weiterbildung der vorgeschlagenen Erfindung bezüglich des Hauptverfahrensschrittes eingegangen.The development of the proposed invention with regard to the main method step will be discussed below.
Zur Durchführung des Hauptverfahrensschrittes sind Derivate der Formeln (100) bis (109):
- -(CH2)s-CH3, -CH2-(CF2)s-CF3,
- -Isopropyl,
- -Isobutyl,
- -Phenyl,
- -3,5-Dimethylphenyl,
- -Pentafluorophenyl,
- -3,5-Bis(trifluoromethyl)phenyl.
- - (CH 2 ) s -CH 3 , -CH 2 - (CF 2 ) s -CF 3 ,
- isopropyl,
- isobutyl,
- phenyl,
- -3,5-dimethylphenyl,
- -Pentafluorophenyl,
- -3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl.
Hierbei ist q eine natürliche Zahl von 1 bis 5, s eine ganze Zahl von 0 bis 19 und X ein H- oder F-Atom.Here q is a natural number from 1 to 5, s is an integer from 0 to 19 and X is an H or F atom.
Zu Derivaten der Formel (100) gehört auch HEDPA, wobei dafür der Rest R1 einer Methyl-Gruppe entspricht. Die Derivate (100), (103), (105), (107) und (109) sind bekannt und teilweise kommerziell erhältlich. Die Derivate (101) und (102) sind beispielsweise mittels Michaelis-Abusov-Reaktionen und Kombinationen davon zugänglich und sind teilweise auch kommeziell erhältlich. ATMP, EDTMP und DTPMP nach den Formeln (104), (106) und (108) sind durch Varianten der Mannich-Reaktion zugänglich und ebenfalls kommerziell erhältlich.Derivatives of the formula (100) also include HEDPA, where for the radical R 1 corresponds to a methyl group. The derivatives (100), (103), (105), (107) and (109) are known and partially commercially available. The derivatives (101) and (102) are accessible, for example, by means of Michaelis-Abusov reactions and combinations thereof, and in some cases are also available commercially. ATMP, EDTMP and DTPMP according to formulas (104), (106) and (108) are accessible by variants of the Mannich reaction and are also commercially available.
Die Derivate der Formeln (100) bis (109) stellen nicht nur ausgezeichnete Komplexbildner für SEM-Kationen mit optimalen Säurestärken und guten pH-Puffereigenschaften dar, sondern zeichnen sich sowohl durch eine gute Löslichkeit in Wasser als auch in organischen Lösemitteln aus. Weiter sind die Derivate der Formeln (100), (104), (105), (106), (108) und (109) leicht biologisch abbaubar und kostengünstig. Diese Derivate sind wenige korrosiv als Mineralsäuren, beispielsweise Salzsäure. Obwohl diese Derivate pKA-Werte von etwa 0,8 der ersten bis 12,6 der letzten Protolysestufe aufweisen und somit um circa 40 bis 50 Zehnerpotenzen schwächer als Salzsäure sind, sind für die Extraktion von SEM-Kationen aus mineralischen Substraten gewöhnlich nur Konzentrationen zwischen 0,2 bis 1,5 mol L-1 erforderlich. Damit ist allein schon der Hauptverfahrensschritt des vorgeschlagenen Verfahrens herkömmlichen Methoden zur Anreicheung von SEM in wässrigen Lösungen überlegen.The derivatives of formulas (100) to (109) are not only excellent complexing agents for SEM cations with optimal acid strengths and good pH buffering properties, but are characterized by both a good solubility in water and in organic solvents. Further, the derivatives of formulas (100), (104), (105), (106), (108) and (109) are readily biodegradable and inexpensive. These derivatives are few corrosive than mineral acids, for example hydrochloric acid. Although these derivatives have pK a values of about 0.8 of the first to 12.6 of the last protolysis step and are thus about 40 to 50 powers of ten weaker than hydrochloric acid, only concentrations between SEM cations from mineral substrates are usually 0.2 to 1.5 mol L -1 required. Thus, even the main process step of the proposed method is superior to conventional methods for enrichment of SEM in aqueous solutions.
Die Wahl eines geeigneten Extraktionsmittels, welches sowohl eine hinreichende Säurestärke als auch Komplexierungsvermögen von SEM-Kationen als auch eine gute Löslichkeit aufweist, ist keinesfalls trivial. Beispielsweise ist EDTA für die Extraktion von SEM-Kationen aus mineralischen Substraten anstelle der Phosphonsäure der Formel (1) völlig ungeeignet.The choice of a suitable extractant, which has both a sufficient acid strength and complexing ability of SEM cations and a good solubility, is by no means trivial. For example, EDTA is totally unsuitable for the extraction of SEM cations from mineral substrates in place of the phosphonic acid of formula (1).
In einer zweiten vorteilhaften Variante des Hauptverfahrensschrittes ist die wässrige Phase zusätzlich durch Zugabe von Salzsäure auf einen pH-Wert zwischen 1 und 3 eingestellt. Auf diese Weise ist sowohl durch die Anwesenheit zusätzlicher Säure als auch durch Chlorid eine Erhöhung der Extraktionsrate von SEM-Kationen in die wässrige Phase bewerkstelligbar. Beträgt der pH-Wert der wässrigen Phase weniger als 1, ist die Extraktionsrate verringert. Es ist also erforderlich, dass das Protolysegleichgewicht der Phsophonsäure der Formel (1) bei dem vorgeschlagenen Hauptverfahrensschritt nicht unterdrückt ist. Chlorid bildet hierbei mit den SEM-Kationen Chlorido-Komplexe.In a second advantageous variant of the main process step, the aqueous phase is additionally adjusted to a pH of between 1 and 3 by addition of hydrochloric acid. In this way, both the presence of additional acid and chloride an increase in the extraction rate of SEM cations in the aqueous phase can be accomplished. If the pH of the aqueous phase is less than 1, the extraction rate is reduced. It is therefore necessary that the protolysis equilibrium of the phosphonic acid of the formula (1) is not suppressed in the proposed main process step. Chloride forms chlorido complexes with the SEM cations.
In einer dritten vorteilhaften Variante des Hauptverfahrensschrittes enthält die wässrige Phase zusätzlich ein metallfreies Chlorid-Salz der Formel (2): wobei das Kation:
Diese dritte Variante des vorgeschlagenen Hauptverfahrensschrittes ist dann indiziert, wenn bereist der pH-Wert der wässrigen Phase zu niedrig ist. Durch die Wahl eines metallfreien Kations ist Einführung einer nachteiligen Fracht von zusätzlichen Fremdmetallen vermieden. Ammoniumchlorid als Zusatz ist nicht geeignet, das das Ammoniumkation (NH4 +) ebenfalls die Phosphonsäure der Formel (1) bezüglich ihrer Komplexierungseigenschaften inhibiert.This third variant of the proposed main process step is indicated when the pH of the aqueous phase is already too low. By choosing a metal-free cation, introduction of disadvantageous cargo of additional foreign metals is avoided. Ammonium chloride as an additive is not suitable, the ammonium cation (NH 4 + ) also inhibits the phosphonic acid of the formula (1) with respect to their complexing properties.
Nach der Durchführung des Hauptverfahrensschrittes oder des Hauptverfahrensschrittes nach einer der drei weiteren Varianten mit einem nicht weiter vorbehandelten mineralischen Substrat, beispielsweise mit einem Erz oder mit einer Schlacke gewonnen aus Industrieabfällen, liegen neben den SEM-Kationen gewöhnlich noch eine Vielzahl weiterer Metallionen in der wässrigen Phase vor.After carrying out the main process step or the main process step according to one of the three other variants with a not further treated mineral substrate, for example with an ore or with a slag obtained from industrial waste, in addition to the SEM cations are usually a variety of other metal ions in the aqueous phase in front.
Nachstehend werden daher in Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zwei Vorbehandlungsschritte offenbart, mit denen mindestens ein Teil von unerwünschten Fremdkationen durch Vorbehandlung des mineralischen Substrates vor Durchführung des Hauptverfahrensschrittes entfernbar sind.Below, therefore, two pretreatment steps are disclosed in the development of the proposed method, with which at least a portion of unwanted foreign cations by pretreatment of the mineral substrate before carrying out the main process step are removable.
Der erste Vorbehandlungsschritt umfasst die alkalische Vorbehandlung des mineralischen Substrates mit einer wässrigen Lösung eines metallfreien Hydroxid-Salzes der Formel (3):
Der erste Vorbehandlungsschritt ist beispielsweise in Form einer Extraktion eines fein gemahlenen mineralischen Substrates mit einer wässrigen Lösung des Hydroxid-Salzes der Formel (3) durchführbar. Hierbei gehen die Elemente:
Das Hydroxid-Salz der Formel (3) weist dieselben Eigenschaften wie starke Elektrolyte auf und ist somit eine hinreichend starke Base für die Extraktion der vorbenannten Elemente in Form ihrer Hydroxo-Komplexe ab einem pH-Wert von mehr als 12. Gleichzeitig weist das Kation des Hydroxid-Salzes, beispielsweise Tetramethylammonium oder Tetra-n-butylammonium, detergente Eigenschaften auf, welche besonders vorteilhaft über eine Oberflächenaktivierung des Substrates zusätzlich die Extraktion der vorbenannten Elemente beschleunigt. Durch Verwendung des Hydroxid-Salzes der Formel (3) ist der Eintrag von Femdmetallionen in das mineralische Substrat ausgeschlossen.The hydroxide salt of the formula (3) has the same properties as strong electrolytes and is thus a sufficiently strong base for the extraction of the above-mentioned elements in the form of their hydroxo complexes from a pH of more than 12. At the same time, the cation of Hydroxide salt, for example tetramethylammonium or tetra-n-butylammonium, detergent properties, which particularly advantageous via surface activation of the substrate in addition to the extraction of the aforementioned elements accelerated. By using the hydroxide salt of formula (3) the entry of foreign metal ions in the mineral substrate is excluded.
Der zweite Vorbehandlungsschritt umfasst die saure Vorbehandlung des mineralischen Substrates mit mit einer wässrigen Essigsäure-, Glycolsäure- oder ZitronensäureLösung oder Mischungen davon. Der zweite Vorbehandlungsschritt ist beispielsweise in Form einer Extraktion eines fein gemahlenen mineralischen Substrates mit einer wässrigen Lösung von Zitronensäure gegeben. Hierbei gehen die Elemente:
Der erste und der zweite Vorbehandlungsschritt sind bezüglich ihrer Durchführung miteinander vertauschbar.The first and the second pretreatment step are interchangeable with respect to their implementation.
Nachstehend werden in Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zwei Nachbehandlungsschritte offenbart, mit denen weitere Anteile noch verbliebener Fremdionen aus der nach Durchführung des Hauptverfahrensschrittes erhaltenen wässrigen Phase entfernbar sind.In the further development of the proposed method, two post-treatment steps are disclosed below, with which further fractions of remaining foreign ions can be removed from the aqueous phase obtained after carrying out the main process step.
Der erste Nachbehandlungsschritt umfasst die Nachbehandlung der nach der Durchführung des Hauptverfahrensschrittes erhaltenen Suspension durch Versetzen mit Schwefelwasserstoff und wahlweise anschließende Filtration vom enthaltenden Feststoff.The first post-treatment step comprises the post-treatment of the suspension obtained after carrying out the main process step by addition of hydrogen sulfide and optionally subsequent filtration of the solid containing it.
Der zweite Nachbehandlungsschritt umfasst die Nachbehandlung der nach der Durchführung des Hauptverfahrensschrittes erhaltenen Suspension mit einem organischen Hydroxid-Salz der Formel (4):
Für das Kation des Hydroxid-Salzes der Formel (4) sind insbesondere Derivate der Formeln (200) bis (218):
- -(CH2)s-CH3,
- -CH2-(CF2)s-CF3,
- -Isopropyl,
- -Isobutyl,
- -Benzyl,
- -3,5-Dimethylbenzyl,
- -2,3,4,5-Pentafluorobenzyl,
- -3,5-Bis(trifluoroethyl)benzyl,
- -2-Hydroxyethyl,
- -2-Methoxyethyl,
- Phenyl- oder
- 3,5-Dimethylphenyl- oder
- Pentafluorophenyl- oder einem
- 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenyl-Substituenten
- - (CH 2 ) s -CH 3 ,
- -CH 2 - (CF 2 ) s -CF 3 ,
- isopropyl,
- isobutyl,
- benzyl,
- -3,5-dimethyl benzyl,
- -2,3,4,5-Pentafluorobenzyl,
- -3,5-bis benzyl (trifluoroethyl)
- -2-hydroxyethyl,
- -2-methoxyethyl,
- Phenyl or
- 3,5-dimethylphenyl or
- Pentafluorophenyl- or one
- 3,5-Bis (trifluoromethyl) phenyl-substituents
Besonders vorteilhaft wiesen die vorgeschlagenen Hydroxid-Salze der Formel (4), welche Kationen der Derivate (200) bis (218) umfassen, sowohl eine gute Löslichkeit in Wasser als auch in organischen Lösemitteln, wie beispielsweise Toluol, THF, Diethylether, Methyl-tert.-butylether, Trifluoromethylbenzol, Dichlormethan, Butanon und Aceton, auf.The proposed hydroxide salts of the formula (4), which comprise cations of the derivatives (200) to (218), have both proven to have good solubility in water and in organic solvents, such as, for example, toluene, THF, diethyl ether, methyl tert .-Butyl ether, trifluoromethylbenzene, dichloromethane, butanone and acetone, on.
Weiter zeigen die vorgeschlagenen Kationen der Formeln (200) bis (218) des Hydroxid-Salzes der Formel (4) die vorteilhafte Eigenschaft, in Zusammenwirkung mit der Phosphonsäure der Formel (1) und insbesondere deren Derivate der Formeln (100) bis (109) die dreiwertigen Kationen der SEM Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu zu komplexieren und aus einer wässrigen Phase in eine nicht-wassermischbare organische Phase oderin eine hydrophobe ionische Flüssigkeit zu tranportieren, beispielsweise in einem Schlussbehandlungsschritt. Sind bei der Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens auf ein bestimmtes mineralisches Substrat sowohl die dritte Variante des Hauptverfahrensschrittes als auch der zweite Nachbehandlungsschritt orgesehen oder erforderlich, weisen das metallfreie Chlorid-Salz der Formel (2) und das organische Hydroxid-Salz der Formel (4) jeweils identische Kationen auf, vorzugsweise solche der Formeln (200) bis (218).Furthermore, the proposed cations of the formulas (200) to (218) of the hydroxide salt of the formula (4) show the advantageous property, in cooperation with the phosphonic acid of the formula (1) and in particular their derivatives of the formulas (100) to (109) To complex the trivalent cations of the SEM Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and from an aqueous phase to a non-water-miscible organic phase or into a hydrophobic ionic liquid, for example in a final treatment step. In the application of the proposed method to a particular mineral substrate, both the third variant of the main process step and the second post-treatment step are considered or required, the metal-free chloride salt of formula (2) and the organic hydroxide salt of formula (4) respectively identical cations, preferably those of the formulas (200) to (218).
Der erste und zweite Nachbehandlungsschritt sind bezüglich ihrer Durchführung miteinander vertauschbar.The first and second post-treatment steps are interchangeable with respect to their implementation.
Der erste Nachbehandlungsschritt ist dann überflüssig, wenn das mineralische Substrat vor Durchführung des Huptverfahrensschrittes oder seiner Varianten einen hohen Anteil an Sulfid aufweist. In diesem Fall enthält die nach der Durchführung des Hauptverfahrensschrittes oder seiner Varianten erhaltene Suspension oder Filtratlösung eine hinreichende Menge an Schwefelwasserstoff zur Fällung der verbliebenen Schwermetallkationen:
Nachstehend wird daher in Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens ein Schlussbehandlungsschritt offenbart, welcher nach Durchführung aller vorherigen Verfahrensschritte für Abtrennung der SEM- von Alkali-Kationen vorgesehen ist.Below, therefore, a finishing treatment step is disclosed in development of the proposed method, which is provided after performing all the previous process steps for the separation of the SEM of alkali cations.
Der Schlussbehandlungsschritt umfasst eine Extraktion der nach einem oder beiden Nachbehandlungsschritten erhaltenen Suspension oder Filtratlösung mit einem organischen Lösemittel oder einer hydrophoben ionischen Flüssigkeit sowie Mischungen davon unter anschließender Abtrennung der erhaltenen hydrophoben Phase von der verbleibenden wässrigen Phase. Nach Durchführung des Schlussbehandlungsschrittes sind ationen der SEM in der hydrophoben Phase angereichert. In dieser hydrophoben Phase liegen die SEM-Kationen als Addukte von solchen Phosphonsäuresalzen vor, welche aus Phosphonaten der Phosphonsäure der Formel (1) und Kationen des Chlorid-Salz der Formel (2) und / oder des Hydroxid-Salzes der Formel (4) zusammengesetzt sind. Aus dieser hydrophoben Phase sind SEM-Kationen mit bekannten und üblichen Fällungsreaktionen, beispielsweise als Oxalate, abtrennbar.The final treatment step comprises extraction of the suspension or filtrate solution obtained after one or both after-treatment steps with an organic solvent or a hydrophobic ionic liquid and mixtures thereof, with subsequent removal of the resulting hydrophobic phase from the remaining aqueous phase. After the final treatment step, ions of the SEM are enriched in the hydrophobic phase. In this hydrophobic phase, the SEM cations are present as adducts of such phosphonic acid salts which are composed of phosphonates of the phosphonic acid of formula (1) and cations of the chloride salt of formula (2) and / or the hydroxide salt of formula (4) are. From this hydrophobic phase SEM cations with known and customary precipitation reactions, for example as oxalates, are separable.
Nachfolgend ist das vorgeschlagene Anreicherungsverfahren in allen seinen Weiterbildungen im Sinne einer allgemein anwendbaren Ausführungsform zusammengefasst, wobei das Anreicherungsverfahren folgende Schritte aufweist:
- (I) erster Vorbehandlungsschritt;
- (II) zweiter Vorbehandlungsschritt;
- (III) Hauptverfahrensschritt und / oder Variationen davon;
- (IV) erster Nachbehandlungsschritt;
- (V) zweiter Nachbehandlungschritt;
- (VI) Schlussbehandlungsschritt.
- (I) first pretreatment step;
- (II) second pretreatment step;
- (III) main process step and / or variations thereof;
- (IV) first post-treatment step;
- (V) second post-treatment step;
- (VI) final treatment step.
Im Vergleich zu den herkömmlichen Anreicherungsverfahren erfordert das vogeschlagene Anreicherungsverfahren von SEM-Kationen ausgehend von einem mineralischen Substrat nur ein Minimum an Einzelschritten und Mengen an Wasser sowie organischen Lösemitteln oder hydrophoben ionischen Flüssigkeiten. Weiter ist der appartive Aufwand nur auf einfache Rührvorrichtungen und Rührgefäße beschränkt.Compared to conventional enrichment processes, the vogue enrichment process of SEM cations from a mineral substrate requires only a minimum of individual steps and amounts of water as well as organic solvents or hydrophobic ionic liquids. Furthermore, the appartive effort is limited only to simple stirring devices and mixing vessels.
Besonders vorteilhaft werden im Vergleich zu hoch korrosiven Reagenzien oder Lösungen davon herkömmlicher Verfahren relativ milde und umweltverträglichere Reagenzien benötigt; die anfallenden Chemikalienabwässer können in herkömmlichen Abwasseraufbereitungsanlagen aufbereitet werden.Particularly advantageous relatively mild and environmentally friendly reagents are needed compared to highly corrosive reagents or solutions thereof conventional methods; The accumulating wastewater can be treated in conventional wastewater treatment plants.
Der erforderliche Energieaufwand beschränkt sich weitestgehend auf das Rühren und gegebenfalls Erwärmen bei der Durchführung des Hauptverfahrensschrittes und der Vorbehandlungsschritte auf maximal 50°C; alle ande ren optionalen Teilverfahrensschritte sind bei Raumtemperatur durchführbar.The required energy expenditure is largely limited to the stirring and, if appropriate, heating in carrying out the main process step and the pretreatment steps to a maximum of 50 ° C .; all other optional partial process steps are feasible at room temperature.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren auf eine Vielzahl mineralischer Substrate insbesondere auf solche, welche in Rückgewinnungsverfahren anfallen, anwendbar.The process is particularly advantageously applicable to a large number of mineral substrates, in particular to those obtained in recovery processes.
Damit ist nach dem Stand der Technik das vorgeschlagene Verfahren signifikant wirtschaftlicher als die bisherigen Anreicherungsverfahren von SEM-Kationen.Thus, according to the state of the art, the proposed process is significantly more economical than the previous enrichment processes of SEM cations.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden zwei, nicht einschränkenden Beispiele detailliert beschrieben. Diese Beispiele umfassen die Anwendung des Hauptverfahrensschrittes bezüglich der Anreicherung von SEM-Kationen aus jeweils zwei unterschiedlichen mineralischen Substraten (Substrat 1, Substrat 2), welche die allgemeine einfache Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens belegen.The present invention will be described in detail by the following two non-limiting examples. These examples include the use of the main process step for the enrichment of SEM cations from in each case two different mineral substrates (substrate 1, substrate 2), which prove the general simple applicability of the proposed method.
Substrat 1: Mit Calciumoxid verschlackte Bestandteile von Kraftfahrzeug-Katalysatoren, fein gemahlen, enthaltend: 2,89 Gew. % Ce; 0,27 Gew. % La; 0,08 Gew. % Nd.Substrate 1: calcium oxide-grafted components of motor vehicle catalysts, finely ground, containing: 2.89% by weight of Ce; 0.27% by weight of La; 0.08 wt.% Nd.
Substrat 2. Gemahlene Brillengläser / Linsen aus der Optik-Industrie, fein gemahlen, enthaltend: 6,97 Gew. % La.Substrate 2. Milled spectacle lenses / lenses from the optics industry, finely ground, containing: 6.97% by weight of La.
Beispiel 1example 1
50 g Substrat 1 wurden in einem geschlossenen PVC-Becher in 1 L einer wässrigen HEDPA-Lösung (c = 1 mol L-1) mittels eine Magnetrührfisches bei 25°C 21 h gerührt. Der pH-Wert der Lösung betrug vor der Aufarbeitung 1,53. Es resultierte eine graue Suspension mit starkem Geruch nach Schwefelwasserstoff, welche nach zweimaliger Filtration eine grünliche klare Lösung (1107 g, ca. 1 L) ergab. Die Gehaltsbestimmung der SEM mittels ICP-OES ergab foldende Wiederfindungsraten: 59 % Ce, 63 % La, 86 % Nd.50 g of substrate 1 were stirred in a closed PVC beaker in 1 L of an aqueous HEDPA solution (c = 1 mol L -1 ) by means of a magnetic stirring fish at 25 ° C for 21 h. The pH of the solution before working up was 1.53. The result was a gray suspension with a strong smell of hydrogen sulfide, which after filtration twice a greenish clear solution (1107 g, about 1 L). The determination of the content of SEM by means of ICP-OES yielded the following recoveries: 59% Ce, 63% La, 86% Nd.
Beispiel 2Example 2
167 g Substrat 2 wurden in einem geschlossenen PVC-Becher in 1 L einer wässrigen HEDPA-Lösung (c = 1 mol L-1) mittels eine Magnetrührfisches bei 25° C 72 h gerührt. Der pH-Wert der Lösung betrug während der gesammten Reaktion 1,42 - 1,44. Es resultierte eine farblose Suspension, welche nach einmaliger Vakuum-Filtration über einem feinfilter eine arblose klare Lösung (1028 g, ca. 0,99 L) ergab. Die Gehaltsbestimmung der SEM mittels ICP-OES ergab folde Wiederfindungsraten: 35 % La.167 g of substrate 2 were stirred in a closed PVC beaker in 1 L of an aqueous HEDPA solution (c = 1 mol L- 1 ) by means of a magnetic stirring fish at 25 ° C for 72 h. The pH of the solution during the entire reaction was 1.42-1.44. The result was a colorless suspension, which after a single vacuum filtration on a fine filter an arblose clear solution (1028 g, about 0.99 L). The determination of the content of SEM by ICP-OES yielded recovery rates of 35% La.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Abhandlung: Kaiying Wang, Hertanto Adidharma, Maciej Radosz, Pingyu Wan, Xin Xu, Christopher K. Russell, Hanjing Tian, Maohong Fan, Jiang Yu, „Recovery of rare earth elements with ionic liquids“, Green Chemistry 2017 [0005]Written by: Kaiying Wang, Hertanto Adidharma, Maciej Radosz, Pingyu Wan, Xin Xu, Christopher K. Russell, Hanjing Tian, Maohong Fan, Jiang Yu, "Recovery of rare earth elements with ionic liquids", Green Chemistry 2017 [0005]
- Justin A. Bogart, Connor A. Lippincott, Dr. Patrick J. Carroll, Prof. Eric J. Shelter, „An Operationally Simple Method for Separating the Rare-Earth Elements Neodymium and Dysprosium“, Angewandte Chemie International Edition 2015, Band 127, Ausgabe 28, Seiten 8340 - 8343 [0006]Justin A. Bogart, Connor A. Lippincott, dr. Patrick J. Carroll, Eric J. Shelter, "An Operationally Simple Method for Separating the Rare-Earth Elements Neodymium and Dysprosium", Angewandte Chemie International Edition 2015, Vol. 127, Issue 28, pp. 8340-8343 [0006]
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---|---|---|---|---|
CN114231763A (en) * | 2021-11-11 | 2022-03-25 | 成都中核高通同位素股份有限公司 | Separation method for extracting terbium from gadolinium terbium mixed solution |
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Abhandlung: Kaiying Wang, Hertanto Adidharma, Maciej Radosz, Pingyu Wan, Xin Xu, Christopher K. Russell, Hanjing Tian, Maohong Fan, Jiang Yu, „Recovery of rare earth elements with ionic liquids", Green Chemistry 2017 |
Justin A. Bogart, Connor A. Lippincott, Dr. Patrick J. Carroll, Prof. Eric J. Shelter, „An Operationally Simple Method for Separating the Rare-Earth Elements Neodymium and Dysprosium", Angewandte Chemie International Edition 2015, Band 127, Ausgabe 28, Seiten 8340 - 8343 |
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CN114231763A (en) * | 2021-11-11 | 2022-03-25 | 成都中核高通同位素股份有限公司 | Separation method for extracting terbium from gadolinium terbium mixed solution |
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