DE1171876B - Process for the separation of difficult to separate compounds - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Internat. Kl.: BOIj Boarding school Kl .: BOIj
Deutsche Kl.: 12 g-1/01 German class: 12 g -1/01
Nummer: 1 171 876Number: 1 171 876
Aktenzeichen: P 17528 IV a / 12 gFile number: P 17528 IV a / 12 g
Anmeldetag: 6. Dezember 1956Filing date: December 6, 1956
Auslegetag: 11. Juni 1964Opening day: June 11, 1964
Die Erfindung betrifft eine Methode zur Trennung, insbesondere zur quantitativen Abscheidung und Reindarstellung, von schwer trennbaren Verbindungen und bezweckt eine Verbesserung der bei chemisch ähnlichen Elementen bisher unentbehrlichen, zeitraubenden Trennungsverfahren.The invention relates to a method for separation, in particular for quantitative separation and Pure representation, of difficult to separate connections and aims to improve the time-consuming separation processes that were previously indispensable for chemically similar elements.
Zur Trennung oder Reindarstellung von chemisch nahe verwandten Elementen sind verschiedene Methoden bekannt. Es können z. B. angewendet werden:Various elements are used to separate or purify chemically closely related elements Methods known. It can e.g. B. can be used:
1. Fraktionierte Fällung unlöslicher Verbindungen aus Salzlösungen oder Komplexverbindungen,1. Fractional precipitation of insoluble compounds from salt solutions or complex compounds,
2. fraktionierte Kristallisation,2. fractional crystallization,
3. fraktionierte Lösung in Wasser, Säuren, Alkalien oder organischen Lösungmitteln,3. fractional solution in water, acids, alkalis or organic solvents,
4. fraktionierte Zersetzung von löslichen Verbindungen, 4. fractional decomposition of soluble compounds,
5. fraktionierte thermische Zersetzung,5. fractional thermal decomposition,
6. fraktionierte Trennung durch Ionenaustausch,6. fractional separation by ion exchange,
7. fraktionierte Adsorption und Desorption,7. fractional adsorption and desorption,
8. fraktionierte Destillation von Metallen oder flüchtigen Verbindungen.8. fractional distillation of metals or volatile compounds.
Alle bekannten Methoden haben den Nachteil, daß sie ein vielstufiges Arbeiten erfordern, weil nur eine fraktionierte Anreicherung erfolgt. In einigen Fällen, z. B. bei der Aufarbeitung von Ceriterden auf reines Neodym, muß die fraktionierte Kristallisation einige hundertmal wiederholt werden. Bei vielen Methoden sind die Ausbeuten so schlecht, daß eine Durchführung der Trennung im technischen Maßstab aus wirtschaftlichen Gründen nicht tragbar ist.All known methods have the disadvantage that they require multi-stage work because only one fractional enrichment takes place. In some cases, e.g. B. in the processing of cerite to pure Neodymium, the fractional crystallization must be repeated a few hundred times. With many methods the yields are so poor that the separation can be carried out on an industrial scale economic reasons is not acceptable.
Es wurde nun gefunden, daß es überraschenderweise möglich ist, schwer trennbare Elemente, die im
Periodischen System benachbart sind oder sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen, schon mit einer einzigen
Operation durch fraktionierte Fällung oder fraktionierte Kristallisation quantitativ oder wenigstens
annähernd quantitativ zu trennen. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Behandlung
im »idealen homogenen Medium«, deren Merkmal darin besteht, daß die zur Abscheidung von
Fraktionen dienenden Änderungen der Milieubedingungen, nämlich Konzentration der beteiligen Komponenten
und/oder Wasserstoffionenkonzentration und/oder Temperatur, in ganz kleinen Beträgen und
in zeitlicher und örtlicher Hinsicht in stetig verlaufender, d. h. nicht abrupter Weise bewirkt werden
und daß diese Änderungen bei Erreichung des optimalen Schwellenwertes der jeweiligen Trennstufe bis
zur beendeten Abtrennung der abgeschiedenen Fraktion unterbrochen werden, wonach das zurück-Verfahren
zur Trennung von schwer trennbaren
VerbindungenIt has now been found that it is surprisingly possible to quantitatively or at least approximately quantitatively separate elements which are difficult to separate and which are adjacent in the periodic system or have very similar properties with a single operation by fractional precipitation or fractional crystallization. The method according to the invention is based on a treatment in the "ideal homogeneous medium", the feature of which is that the changes in the environmental conditions that serve to separate fractions, namely the concentration of the components involved and / or hydrogen ion concentration and / or temperature, in very small amounts and in temporally and spatially in a steady, ie not abrupt manner and that these changes are interrupted when the optimal threshold value of the respective separation stage is reached until the separation of the separated fraction is completed, after which the back-process for separation of difficult to separate
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Anmelder:Applicant:
Dipl.-Ing. Dr. phil. Dr. techn. Kurt Peters, WienDipl.-Ing. Dr. phil. Dr. techn. Kurt Peters, Vienna
Vertreter:Representative:
Dr. F. ZumsteinDr. F. Zumstein
und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann,and Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4Patent Attorneys, Munich 2, Bräuhausstr. 4th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dipl.-Ing. Dr. phil. Dr. techn. Kurt Peters, WienDipl.-Ing. Dr. phil. Dr. techn. Kurt Peters, Vienna
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Österreich vom 27. April 1956 (A 2546/56)Austria from April 27, 1956 (A 2546/56)
bleibende Medium (Lösung bzw. Schmelze) zur alias fälligen Gewinnung weiterer Fraktionen in analoger Weise bis zur Erreichung des optimalen Schwellenwertes der nächsten Trennstufe weiterbehandelt wird. Unter dem optimalen oder charakteristischen Schwellenwert einer Trennstufe ist jener experimenteil feststellbare Punkt zu verstehen, bei welchem sich die ersten noch unsichtbaren Kristallkeime bilden. Dieser Schwellenwert wird also unmittelbar vor Eintritt des sichtbaren Beginns der ersten Kristallkeimbildung erreicht. Würde dieser Wert wesentlich überschritten, so hätte dies trotz Fortsetzung der Trennungsoperation in besonders langsamer und stetiger Weise schon die Abscheidung der nächsten Fraktion zur Folge, oder, anders ausgedrückt, von diesem Punkt an würde die Fortsetzung der Milieuveränderung zu Abscheidung einer Fraktion mit wesentlich schlechterem Trennfaktor als zu Beginn der Abscheidung führen.Remaining medium (solution or melt) for the alias due recovery of further fractions in an analogous manner Way until the optimal threshold value of the next separation stage is reached will. Below the optimal or characteristic threshold value of a separation stage, that stage is experimental understandable point at which the first still invisible crystal nuclei form. This threshold value becomes the first immediately before the visible start of the first Nucleation achieved. If this value were to be exceeded significantly, this would have been the case despite the continuation the separation operation in a particularly slow and steady manner already the deposition of the the next parliamentary group, or, in other words, from this point onwards it would be continued the change in the milieu to the separation of a fraction with a significantly worse separation factor than to Lead the beginning of the deposition.
Ein analoger, noch nicht zum Stand der Technik gehörender Vorschlag ist vom Erfinder schon für die Trennung von Niob und Tantal über ihre Oxalsäurekomplexe gemacht worden, die durch fraktionierte Fällung besonders langsam und unter intensivem Durchmischen durchgeführt wird, wobei der Fällungsvorgang im Zeitpunkt der ersten Kristallkeimbildung unterbrochen wird. Dieses spezielle Trennungsverfahren fällt nicht unter die vorliegende Erfindung.An analogous proposal, which does not yet belong to the state of the art, is already made by the inventor for the Separation of niobium and tantalum has been made via their oxalic acid complexes, which are fractionated by Precipitation is carried out particularly slowly and with intensive mixing, the precipitation process is interrupted at the time of the first nucleation. This special separation process does not fall under the present invention.
409 599/30P409 599 / 30P
Es ist schon bekannt, zur Vermeidung eines Konzentrationsgefälles, das die Quantität der Niederschläge beeinflußt, chemisch verwandte Elemente aus homogener Lösung fraktioniert auszufällen, wobei das Fällungsmittel durch Hydrolyse aus der Lösung selbst entsteht. Eine strenge Konstanthaltung aller für die quantitative Abscheidung einer einzelnen Fraktion maßgebenden Milieubedingungen ist aber, wie die Praxis gelehrt hat, auf diesem Wege nicht möglich.It is already known to avoid a concentration gradient which influences the quantity of precipitates, to precipitate chemically related elements from homogeneous solution in a fractionated manner, whereby the precipitant is formed by hydrolysis from the solution itself. A strict constant all for the quantitative separation of a single fraction is decisive environmental conditions, however, how practice has taught, is not possible in this way.
Es ist hier zu beachten, daß das »ideale homogene Medium« gemäß der Erfindung sich von dem bekannten »homogenen Feld« wesentlich dadurch unterscheidet, daß sich der Begriff »homogen« im vorliegenden Fall sowohl auf eine örtliche wie eine zeitliche Homogenität bezieht, während das homogene Feld im bisher üblichen Sinne nur eine örtliche Homogenität beinhaltet. Wenn man beispielsweise durch Hydrolyse von Oxalsäureestern Oxalsäure abspaltet oder wenn man aus Aminen oder aus Harnstoff durch Hydrolyse Ammoniak oder aus Dimethylphosphat Phosphorsäure oder aus Dimethylsulfat Schwefelsäure erhält, dann wird durch die Hydrolyse zwar erreicht, daß örtlich gleichzeitig an allen Stellen des Mediums die gleichen Konzentrationen an Oxalsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure usw. auftreten. Die Konzentrationen an diesen Säuren bzw. auch die pH-Werte unterliegen aber in dem ganzen Medium gleichzeitig sehr schnell verlaufenden Änderungen. Die dadurch bewirkten Fällungen erfolgen deshalb zwar »homogen« im ganzen Medium, aber schlagartig zur gleichen Zeit.It should be noted here that the "ideal homogeneous medium" according to the invention differs significantly from the known "homogeneous field" in that the term "homogeneous" in the present case refers to both a spatial and a temporal homogeneity homogeneous field in the usual sense only includes a local homogeneity. If, for example, oxalic acid is split off by hydrolysis of oxalic acid esters or if ammonia is obtained from amines or from urea by hydrolysis, or phosphoric acid from dimethyl phosphate or sulfuric acid from dimethyl sulfate, then the hydrolysis achieves the same local concentrations at all points in the medium Oxalic acid, sulfuric acid, phosphoric acid, etc. occur. But the concentrations of these acids or the p H values are in the whole medium at the same time quickly running changes. The precipitations caused by this therefore take place "homogeneously" throughout the medium, but suddenly at the same time.
Da es bei der erfindungsgemäßen Methode demgegenüber entscheidend auf die zeitliche und örtliche Homogenität ankommt, muß vermieden werden, daß schlagartig im ganzen Medium die Fällung eintritt, denn ein solches Medium ist wohl örtlich homogen, aber nicht zeitlich. Es muß vielmehr die Milieuveränderung auch zeitlich in der Weise erfolgen, daß eine schlagartige Fällung, Kristallisation u. dgl. unterbleibt und dadurch irreversible Mischfällungen, Mischkristallbildungen u. dgl. verhindert werden. Diese zeitliche und örtliche Homogenität muß auch in den Grenzschichten gewahrt werden. Geschieht dies nicht, so werden in den Mikrodimensionen, z. B. beim üblichen Eintropfen des Fällungsmittels in das Reaktionsmedium, örtliche und zeitliche Inhomogenitäten (hohe Konzentrationsunterschiede, pH-Differenzen oder Temperaturunterschiede) auftreten, weil dann, trotz Homogenität im ganzen, im kleinen Inhomogenität vorliegt mit allen nachteiligen, irreversiblen Folgen.Since temporal and spatial homogeneity is crucial in the method according to the invention, precipitation must be avoided suddenly in the entire medium, because such a medium is spatially homogeneous, but not temporally. Rather, the change in the milieu must also take place over time in such a way that sudden precipitation, crystallization and the like do not occur and thereby irreversible mixed precipitations, mixed crystal formations and the like are prevented. This temporal and spatial homogeneity must also be preserved in the boundary layers. If this does not happen, then in the microdimensions, e.g. As the usual dropping of the precipitant in the reaction medium, spatial and temporal inhomogeneities (high concentration differences, p H -Differenzen or temperature differences), occur because, despite homogeneity in all, in the small inhomogeneity exists detrimental to all, irreversible consequences.
Die Bedingungen des »idealen homogenen Mediums« lassen sich dann erfüllen, wie erfindungsgemäß erkannt wurde, wenn die Geschwindigkeit der Reaktion (Fällung, Kristallisation) zu keiner Zeit und an keiner Stelle größer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit. Die Verwirklichung dieser Erkenntnis, nämlich die Beibehaltung der Diffusionsgeschwindigkeit als geschwindigkeitsbestimmende Reaktion, ist dann erfüllbar, wenn die Milieubedingungen, die ja zur Ausfällung oder Auskristallisation von Fraktionen verändert werden müssen, nur in einem so geringen Ausmaß verändert werden, daß abrupte Veränderungen zu jeder Zeit und an jedem Ort des Mediums ausgeschlossen werden, das Medium also in bezug auf die bereits genannten Milieuparameter praktisch homogen bleibt. Entsprechend der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen sodann die Milieuveränderungen unmittelbar vor Eintritt der ersten Kristallkeimbildung der abzuscheidenden Fraktion, also beim optimalen Schwellenwert der jeweiligen Trennstufe, sofort unterbrochen werden. Wie gefunden wurde, sind die bis zur Unterbrechung kontinuierlich, aber in kleinsten Beträgen vorgenommenen Änderungen der Milieuparameter durchaus hinreichend, um die bis zum Eintritt der erstenThe conditions of the "ideal homogeneous medium" can then be met, as in accordance with the invention was recognized when the speed of the reaction (precipitation, crystallization) at any time and is nowhere greater than the diffusion rate. The realization of this realization, namely the retention of the diffusion rate as the rate-determining reaction is then can be met if the environmental conditions, yes, for the precipitation or crystallization of fractions need to be changed, changed only to such a small extent that changes are abrupt be excluded at any time and in any place of the medium, i.e. the medium in relation to it remains practically homogeneous to the milieu parameters already mentioned. According to the second stage of the The method according to the invention must then the changes in the environment immediately before the occurrence of the first nucleation of the fraction to be separated, i.e. at the optimal threshold value of the respective Separation stage, be interrupted immediately. As was found, those are up to the interruption Changes to the milieu parameters carried out continuously, but in the smallest amounts sufficient to cover the entry of the first
ίο Kristallkeimbildung eingeleitete Reaktion (Ausfällung, Auskristallisation) trotz der nunmehrigen Konstanthaltung der Milieuparameter weiterlaufen -zu lassen und mit der Abscheidung einer Fraktion von genügender Größe und höchster Reinheit zu beschließen. ίο Nucleation initiated reaction (precipitation, Crystallization) despite the fact that the environmental parameters are now kept constant and to resolve with the separation of a fraction of sufficient size and highest purity.
Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die für die fraktionierte Fällung oder Kristallisation kritischen Milieubedingungen (Temperatur, Wasserstoffionenkonzentration, Konzentration der beteiligten Komponenten), insbesondere der optimale Schwellenwert für die jeweilige Trennstufe, also der noch unsichtbare Beginn der ersten Kristallkeimbildung, die Bildungsgeschwindigkeit der zur Abscheidung gelangenden Feststoffe, die Mengen von allfälligen zusätzlichen Komponenten (Komplexbildner, Lösungsmittel usw.) durch Vorversuche vor der eigentlichen Trennungsoperation mit den üblichen Hilfsmitteln des Fachmannes genau festgestellt werden.It has proven to be particularly favorable for the practical implementation of the method according to the invention proven when the critical environmental conditions for fractional precipitation or crystallization (temperature, Hydrogen ion concentration, concentration of the components involved), especially the optimal one Threshold value for the respective separation stage, i.e. the still invisible beginning of the first crystal nucleation, the rate of formation of the solids to be separated, the amounts of any additional components (complexing agents, solvents, etc.) by means of preliminary tests the actual separation operation precisely determined with the usual aids of the person skilled in the art will.
Werden Lösungen oder Schmelzen durch fraktionierte Kristallisation aufgearbeitet, so kann dies erfindungsgemäß durch außerordentlich langsame Temperaturveränderung oder entsprechend langsamen Entzug des Lösungsmittels bis Erreichung des optimalen Schwellenwertes bewirkt werden. Im Falle der fraktionierten Fällung aus Salzlösungen kann die Trennungsoperation durch an sich bekannte Ionenreaktionen erzielt werden, wobei das Fällungsmittel in entsprechend verlangsamter Weise entweder zugesetzt oder durch Hydrolyse in der Lösung selbst erzeugt wird. Die fraktionierte Fällung kann auch aus Lösungen von solchen Komplex- oder Anlagerungsverbindungen bewirkt werden, die bei stetiger Ver- änderung der Milieubedingungen imstande sind, entweder Verbindungen der abzutrennenden Elemente direkt abzuspalten oder aber als Fällungsmittel für die abzutrennenden Elemente wirkende Verbindungen abzuspalten und dadurch die Elemente auszufallen. If solutions or melts are worked up by fractional crystallization, this can be done according to the invention by extremely slow temperature change or correspondingly slow Withdrawal of the solvent until the optimal threshold value is reached. In the event of the fractional precipitation from salt solutions, the separation operation can be carried out by ion reactions known per se can be achieved, the precipitating agent either being added in a correspondingly slowed manner or by hydrolysis in the solution itself. Fractional precipitation can also take place Solutions are caused by such complex or addition compounds, which with constant Changing the environmental conditions are able to either connect the elements to be separated to be split off directly or compounds acting as precipitants for the elements to be separated off split off and thereby fail the elements.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die zu trennenden Elemente zunächst in Komplexverbindungen mit möglichst unterschiedlichen Komplexbildungskonstanten übergeführt werden, so daß die Unterschiede dieser Verbindungen in der Stabilität, Komplexität und Löslichkeit bei zwei Elementen mit an sich ähnlichen Eigenschaften möglichst groß sind, worauf man dann diese Komplexe durch fraktionierte Fällung einer allmählichen Zersetzung unterwirft. Diese Zersetzung wird erfindungsgemäß im idealen homogenen Medium in sehr kleinen, den Abscheidungsbedingungen der einzelnen Elemente bzw. deren Verbindungen genau entsprechenden Trennstufen vorgenommen. Dieser Verfahrensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Verwendung von Komplexverbindungen der zu trennenden Elemente in Kombination mit der Behandlung im idealen homogenen Medium die Einzel-According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the elements to be separated can initially in complex compounds with complex formation constants that are as different as possible be converted so that the differences in these compounds in stability, complexity and solubility in the case of two elements with inherently similar properties are as large as possible subjects these complexes to gradual decomposition by fractional precipitation. This decomposition is according to the invention in the ideal homogeneous medium in very small, the deposition conditions of the individual elements or their connections made exactly corresponding separation stages. This The procedure is based on the knowledge that when using complex compounds to separating elements in combination with the treatment in the ideal homogeneous medium the individual
abscheidung der chemisch nahe verwandten Elemente in einer Weise gelingt, die in krassem Widerspruch zu allen bisher gewonnenen Erfahrungen steht. Es ist so beispielsweise möglich, beim Arbeiten nach der Erfindung eine Verbesserung der Trenneffekte zu erzielen, die selbst bei den bekanntermaßen besonders schwer trennbaren seltenen Erden einen Separationsfaktor von 100 °/o oder nahezu 100 °/o ergeben. Deposition of the chemically closely related elements succeeds in a way that is in stark contradiction to it all experiences gained so far. It is thus possible, for example, when working according to the invention to achieve an improvement in the separation effects, even with the known particularly difficult to separate rare earths result in a separation factor of 100% or almost 100%.
Bei dem neuen Trennverfahren besitzen die verwendeten Komplexverbindungen die Eigenschaft, bei den Trennungsoperationen stufenweise und automatisch die optimalen Fällungsbedingungen einzustellen. Voraussetzung für die Wirksamkeit dieses Verfahrens ist jedoch, daß die Maßnahmen zur Einstellung des idealen homogenen Mediums und zu dessen zielbewußter Veränderung im Verlaufe der einzelnen Trennungsphasen mit besonderer Vorsicht vorgenommen werden. Es lassen sich Milieubedingungen für die stufenweise Trennung realisieren, die mit an sich bekannten, im allgemeinen kleinen Unterschieden in den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Elementen große Trennwirkungen erzielen lassen. In vielen Fällen ist es möglich, Milieubedingungen zu schaffen, bei denen z. B. ein Komplexsalz des einen Elementes bereits unter Abscheidung eines unlöslichen Niederschlages quantitativ zerfällt, während das andere Element noch quantitativ als Komplexsalz in Lösung bleibt. Das Gelingen solcher Trennoperationen ist allerdings von der Einhaltung der genannten ganz besonderen Vorsichtsmaßnahmen abhängig, die ein Verwischen der oft außerordentlich kleinen Trennstufen vermeidet.In the new separation process, the complex compounds used have the property of the separation operations gradually and automatically to set the optimal precipitation conditions. The prerequisite for the effectiveness of this procedure is, however, that the measures are taken to cease of the ideal homogeneous medium and its purposeful change in the course of the individual separation phases must be undertaken with particular caution. Environment conditions can be set for the step-by-step separation, realize the generally small differences that are known per se Great separation effects in the physical and chemical properties of elements can be achieved. In many cases it is possible to create environmental conditions in which z. B. a Complex salt of one element already quantitatively with the deposition of an insoluble precipitate decays while the other element still remains in solution quantitatively as a complex salt. That Successful separation operations, however, depends on compliance with the very special precautionary measures mentioned which avoids blurring the often extremely small separation steps.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens und der damit verbundenen Vorteile wird nachstehend die bisherige Methodik mit der neuen Arbeitsweise verglichen und eine Deutung für die auftretenden Probleme gegeben:For a better understanding of the method according to the invention and the advantages associated therewith, below the previous methodology compared with the new way of working and an interpretation for the occurring problems given:
Die fraktionierte Kristallisation wird im allgemeinen so vorgenommen, daß, wie beispielsweise bei den seltenen Erden nach Auer v. Welsbach, komplexe Ammoniumdoppelnitrate in der Hitze gelöst werden und daß man diese Lösung durch Stehenlassen im Laufe weniger Stunden abkühlt, wobei Kristallisation erfolgt. Die fraktionierte Fällung wird aus Salzen durch Hinzufügen von Fällungsmitteln bewirkt, die Ionen enthalten, welche mit den löslichen Metallionen unlösliche Niederschläge bilden oder dadurch, daß man Komplexsalze durch verhältnismäßig rasche Veränderung der Temperatur, des pH-Wertes, der Konzentration oder durch Fremdionenzusatz zersetzt. Die Fällung erfolgt dabei im allgemeinen in der Weise, daß man eine vorausberechnete und genügende Menge des Fällungsmittels hinzufügt, so daß nur ein Teil der gelösten Stoffe ausfällt, wodurch man in den ersten Fraktionen eine Anreicherung der schwerer löslichen und in fortschreitendem Maße immer leichter löslichen Bestandteile im Niederschlag erhält.The fractional crystallization is generally carried out so that, as for example in the rare earths according to Auer v. Welsbach, complex ammonium double nitrates dissolved in the heat and that this solution is cooled by allowing it to stand in the course of a few hours, wherein Crystallization occurs. Fractional precipitation is brought about from salts by adding precipitants, which contain ions which form insoluble precipitates with the soluble metal ions or by the fact that complex salts by relatively rapid change in temperature, des pH value, the concentration or decomposed by the addition of foreign ions. The precipitation takes place in the generally in such a way that you have a calculated and sufficient amount of the precipitant adds, so that only a part of the dissolved substances precipitates, whereby one in the first fractions one Enrichment of the more difficultly soluble and increasingly more easily soluble components in the precipitation.
Die überraschende Erkenntnis gemäß der Erfindung besagt nun, daß die Art der Ausfällung von Niederschlagen durch Fällungsmittel oder durch Zusatz von Komplexsalzen bzw. die Art, in der die fraktionierte Kristallisation durchgeführt wird, von entscheidendem Einfluß auf den Effekt der Trennungen ist. Man kann die Separationsfaktoren ganz wesentlich verbessern, wenn man die Ausfällungen bei der fraktionierten Kristallisation oder fraktionierten Fällung von Niederschlagen möglichst langsam vornimmt, und zwar wird in vielen Fällen die Trennung nicht nur besser, wenn man statt einer momentanen Fällung die Fällung nach und nach, beispielsweise in 10 Minuten vornimmt, sondern wenn man für die Operation 1 Stunde aufwendet, die Trenneffekte werden aber auch noch verbessert, wenn man für die Änderung der Milieuverhältnisse, welche das Auskristallisieren bzw. Ausfällen bewirken, nicht 1 Stunde, sondern mehrere Stunden, eventuell auchThe surprising finding according to the invention now says that the type of precipitation of Precipitation by precipitants or by the addition of complex salts or the way in which the fractional crystallization is carried out, has a decisive influence on the effect of the separations is. You can improve the separation factors quite significantly if you have the precipitates as slowly as possible in the case of fractional crystallization or fractional precipitation of precipitates undertakes, and in many cases the separation is not only better if you instead of a momentary one Precipitation the precipitation is carried out gradually, for example in 10 minutes, but when you Spends 1 hour for the operation, but the separation effects are also improved if one for the change in the environmental conditions that cause crystallization or precipitation, not 1 hour, but several hours, possibly also
ίο Tage oder Wochen aufwendet.ίο Spends days or weeks.
Ein genaues Studium der Ursachen dieser überraschenden und technisch sehr wichtigen Erscheinung hat gezeigt, daß es Grenzschichtenprobleme sind, die bei rascher Fällung gute Separationsfaktoren verhindern. Es sind im wesentlichen zwei kinetische Vorgänge, welche dabei besonders zu beachten sind:A close study of the causes of this surprising and technically very important phenomenon has shown that it is boundary layer problems that give good separation factors in the case of rapid precipitation impede. There are essentially two kinetic processes that have to be taken into account are:
Einmal sind es Diffusionsvorgänge in der Grenzschicht fest—flüssig, für die genügend Zeit zur Verfügung gestellt werden muß, um gute Trenneffekte zu erzielen. Wird nämlich bei einer fraktionierten Kristallisation oder bei einer fraktionierten Fällung ein Kristallkeim gebildet, so umgibt er sich, wie aus der Strömungslehre und aus der Adsorptionstechnik bekannt ist, mit einem ruhenden Flüssigkeitsfilm. In dieser sogenannten Prandelschen Grenzschicht kann ein Stoffaustausch nur durch Diffusion erfolgen, die bekanntlich außerordentlich langsam verläuft. Ein vollständiger Konzentrationsausgleich zwischen der umgebenden Flüssigkeit und der Flüssigkeit, aus der die Grenzschicht gebildet wird, erfordert etwa eine Zeit von mindestens mehreren Minuten. Die zunächst entstehenden Kristallkeime sind sehr stark an dem schwerer löslichen Bestandteil angereichert, woraus sich zwangläufig ergibt, daß die Grenzschicht im Maße des Kristallwachstums an diesem Bestandteil verarmen muß. Läßt man nun diesen Kristall schnell weiterwachsen, so bezieht er seine Substanz aus der Grenzschicht, die an dem Material verarmt, das man zur Förderung des Kristallwachstums anreichern soll. Der Kristall wächst also, besonders wenn die entsprechend schwerer lösliche Verbindung des abzutrennenden Elementes mit ihr isomorph ist, unter Abscheidung leichter löslicher Substanzen weiter.On the one hand, there are diffusion processes in the solid-liquid boundary layer for which there is enough time must be made in order to achieve good separation effects. Namely, with a fractional Crystallization or, in the case of a fractional precipitation, a crystal nucleus is formed, it surrounds itself as if from from fluid mechanics and from adsorption technology, with a static liquid film. In This so-called Prandelian boundary layer can only be exchanged by diffusion is known to be extraordinarily slow. A complete balance of concentration between the surrounding liquid and the liquid from which the boundary layer is formed, requires about one Time of at least several minutes. The initially emerging crystal nuclei are very strong on the poorly soluble component enriched, which inevitably results that the boundary layer in the Measures of crystal growth in this component must be impoverished. If you let this crystal go quickly continue to grow, it draws its substance from the boundary layer, which is depleted of the material that one to enrich crystal growth. So the crystal grows, especially if that is the case less soluble compound of the element to be separated is isomorphic with it, below Separation of more easily soluble substances.
Kann jedoch das Kristallwachstum in viel längerer Zeit erfolgen und demgemäß die Grenzschicht in vollständigem Stoffaustausch mit der umgebenden Lösung treten, so wird der Kristall einheitlich weiterwachsen und die Anreicherung wesentlich verbessern. However, the crystal growth can take place in a much longer time and accordingly the boundary layer in complete mass transfer occur with the surrounding solution, the crystal becomes uniform continue to grow and significantly improve enrichment.
Als zweiter Faktor ist zu beachten, daß an der Grenzfläche Fällungsmittel und Lösung infolge des vorhandenen Konzentrationsgefälles alle Elemente als Niederschlag ausfallen, die in der Diffusionsschicht vorhanden sind, d. h., der sogenannte »Traube-Effekt« wirkt der Erzielung guter Separationsfaktoren entgegen. Zur Vermeidung dieses ungünstigen Effektes ist es notwendig, dafür zu sorgen, daß in jeder Trennstufe zwischen Lösung und Fällungsmittel möglichst kleine Konzentrations-, pH- und Temperaturunterschiede vorhanden sind, daß das Fällungsmittel in möglichst feiner Verteilung, z. B. versprüht oder als Aerosol, und nicht in größeren Mengen oder großen Tropfen hinzugefügt wird, daß das Fällungs- bzw. Lösungsmittel außerordentlich langsam zugesetzt wird und daß für eine möglichst intensive und schnelle Durchmischung zwischen Lösung und Fällungsmittel Sorge getragen wird.As a second factor, it should be noted that at the interface between the precipitant and the solution, due to the existing concentration gradient, all elements that are present in the diffusion layer precipitate, ie the so-called »grape effect« counteracts the achievement of good separation factors. To avoid this adverse effect, it is necessary to ensure that in each separation stage between the solution and the precipitating agent concentration as small as possible, p H - are present and temperature differentials, that the precipitating agent in a very fine distribution, z. B. sprayed or as an aerosol, and not added in large quantities or large drops, that the precipitation or solvent is added extremely slowly and that care is taken for the most intensive and rapid mixing between solution and precipitant.
Noch eine dritte, sehr wesentliche Erscheinung ist bei Fällungen zu bedenken: Wenn man eine Fällung durch langsame Veränderung der Milieubedingungen, z. B. durch Ansäuern, Alkalischmachen, Hinzufügen eines Fällungsmittels oder Hydrolyse von Komplexen durchführt und man will das oben Gesagte beachten, dann ist es nötig, vom Zeitpunkt des Beginns der Kristallkeimbildung angefangen, ganz außerordentlich schonend und langsam vorzugehen. Es genügt nicht, so wie in der analytischen und präparativen Chemie, als Beginn der Fällung das Auftreten einer sichtbaren Trübung anzusehen. In diesem Augenblick haben die Teilchen schon etwa 10~5 cm Durchmesser und bestehen bereits aus einigen tausend Molekülschichten. Beim Anwachsen der Teilchen zu dieser Größe können schon sämtliche entscheidenden Fehler vorgekommen sein, die man nach dem oben Gesagten vermeiden muß, wenn man gute Trenneffekte erzielen will.A third, very important phenomenon should be considered in the case of precipitations: If a precipitation is carried out by slowly changing the environmental conditions, e.g. B. by acidifying, making alkaline, adding a precipitant or hydrolysis of complexes and if you want to pay attention to the above, then it is necessary to proceed extremely gently and slowly from the time at which the crystal nucleation begins. It is not sufficient, as in analytical and preparative chemistry, to regard the appearance of a visible cloudiness as the beginning of the precipitation. At this moment the particles are already about 10 ~ 5 cm in diameter and already consist of several thousand layers of molecules. When the particles grow to this size, all decisive errors may have occurred which, according to what has been said above, must be avoided if one wants to achieve good separation effects.
Für die Trenntechnik folgt daraus, daß der Zeitpunkt für die Beendigung des Fällungsmittelzusatzes möglichst genau eingehalten werden muß. Dies kann gemäß der Erfindung dadurch geschehen, daß man z. B. durch Vorversuche ermittelt, unter welchen Bedingungen die sichtbare Trübung eintritt. Der kritische Schwellenwert des Beginns der noch unsichtbaren Fällung muß aber schon beim Zufügen des Fällungsmittels zeitlich früher liegen, und dort muß bereits mit dem Hinzufügen des Fällungsmittels aufgehört werden. Bei Verwendung von Komplexen der beschriebenen Art tritt von diesem kritischen Moment an, ohne Hinzufügen von weiterem Fällungsmittel, eine längere Zeit andauernde Ausbildung eines Niederschlages auf, der in der Regel eine sehr scharfe Trennung benachbarter Elemente mit sich bringt. Anderseits kann auch so vorgegangen werden, daß der Zusatz des Fällungsmittels erst beendet wird, wenn die Abscheidung des zu trennenden Elementes durch eine beginnende Trübung oder den Tyndall-Effekt zu erkennen ist. Hierbei müssen aber, falls ohne Hinzufügen von weiterem Fällungsmittel die Fällung verstärkende Änderungen, z. B. des pH-Wertes oder der Konzentration der Ionen bzw. Komplexe, auftreten, diese über den optimalen Schwellenwert hinausgehenden Veränderungen der Milieubedingungen durch Zusatz eines Gegenmittels, z. B. einer Säure, einer Base oder eines Komplexbildners, kompensiert werden. Ein besonders wirksamer Effekt zeigt sich auch, wenn man die gebildeten Kristallkeime durch geringe Temperaturerhöhung oder Hinzufügen geringer Mengen eines entsprechenden Lösungsmittels wieder auflöst und frisch bereitete Kristallkeime aus einheitlicher Substanz hinzufügt und diese als Keime für die Ausfällung bzw. Auskristallisation der erwünschten Fraktion verwendet.For the separation technique it follows that the point in time for the termination of the addition of the precipitant must be adhered to as precisely as possible. This can be done according to the invention by z. B. determined by preliminary tests under which conditions the visible cloudiness occurs. The critical threshold value for the start of the still invisible precipitation must, however, be earlier when the precipitant is added, and the addition of the precipitant must stop there. When using complexes of the type described, from this critical moment onwards, without the addition of further precipitating agents, a long-lasting formation of a precipitate occurs, which usually results in a very sharp separation of neighboring elements. On the other hand, it is also possible to proceed in such a way that the addition of the precipitant is not ended until the separation of the element to be separated can be recognized by the onset of turbidity or the Tyndall effect. In this case, however, if without the addition of further precipitating agents, the precipitation intensifying changes, e.g. B. p H -value or the concentration of ions or complexes occur, they go beyond the optimal threshold value changes in environmental conditions by the addition of an agent, eg. B. an acid, a base or a complexing agent, are compensated. A particularly effective effect is also shown if the crystal nuclei formed are dissolved again by increasing the temperature slightly or adding small amounts of an appropriate solvent and freshly prepared crystal nuclei of uniform substance are added and these are used as nuclei for the precipitation or crystallization of the desired fraction.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich verschiedene Maßnahmen als besonders geeignet erwiesen, von denen nachstehend besonders angegeben seien:Various measures have proven to be particular for carrying out the method according to the invention proved suitable, of which the following are particularly indicated:
Als besonders vorteilhaft zeigen sich beispielsweise Komplexverbindungen, die zu ihrer Bildung erhebliche Zeit, z. B. einige Stunden oder mehrere Tage, unter Umständen bis 4 Wochen erforderlich machen. Da auch die Zersetzung dieser Komplexe relativ langsam erfolgt, ist es möglich, durch langsame Veränderung der Milieubedingungen die Zersetzung der Komplexe so langsam zu gestalten, daß dieser Vorgang viel langsamer ist als der Stoffaustausch in der Prandelschen Grenzschicht, so daß sich die idealen Trennbedingungen sehr gut realisieren lassen.Complex compounds, for example, which are particularly advantageous in their formation, are found to be particularly advantageous Time, e.g. B. a few hours or several days, possibly up to 4 weeks. Since the decomposition of these complexes also takes place relatively slowly, it is possible to reduce the decomposition of the To make complexes so slow that this process is much slower than the exchange of substances in the Prandel's boundary layer, so that the ideal separation conditions can be implemented very well.
Vorzugsweise wird das Reaktionsmedium, bevor es der allmählichen Zersetzung gemäß der Erfindung unterworfen wird, durch eine rasche Veränderung der Milieubedingungen auf solche Werte für die Temperatur, den pH-Wert, die Konzentration der Ionen bzw. der Komplexverbindungen usw. eingestellt, daß bereits eine anschließend vorgenommenePreferably, the reaction medium is, before it is subjected to gradual decomposition according to the invention, adjusted by a rapid change in the environmental conditions to such values for temperature, pH value, the concentration of ions or complex compounds, etc., that even a subsequently made
ίο stetige Weiterveränderung in ganz kleinen Beträgen und die Unterbrechung dieser Änderung bei Erreichung des optimalen Schwellenwertes zur Abscheidung der ersten Fraktion führt. Bei der vorherigen Einstellung und Aufrechterhaltung homogener Milieubedingungen muß man besondere Vorsicht anwenden, da die Schwellenwerte für die Fraktionen der einzelnen Elemente mitunter nur sehr geringfügige Unterschiede, z. B. von nur wenigen hundertstel pH-Einheiten, aufweisen.ίο constant further changes in very small amounts and the interruption of this change when the optimal threshold value is reached leads to the separation of the first fraction. Particular care must be taken when setting and maintaining homogeneous environmental conditions beforehand, as the threshold values for the fractions of the individual elements sometimes only differ very slightly, e.g. B. of only a few hundredths of p H units.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei der Trennung durch fraktionierte Fällung bzw. fraktionierte Kristallisation die Änderung der Milieubedingungen unter ständiger intensiver Durchmischung des Reaktionsmediums so langsam vorgenommen, daß die Temperatur um nicht mehr als höchstens 0,1° C pro Minute, der pH-Wert (z. B. durch Hinzufügen eines Fällungsmittels) um nicht mehr als höchstens 0,1 pH-Einheiten pro Stunde verändert und die Konzentration der in der Lösung vorhandenen Ionen und/oder Komplexverbindungen um höchstens 1 % pro Stunde variiert wird. Zweckmäßig kann man hierbei stark verdünnte Lösungen verwenden, die z. B. weniger als 50 g/l, zweckmäßig zwischen 1 und 10 g/l der zu trennenden Elemente, als Oxyde gerechnet, enthalten.According to an advantageous embodiment, is made so slowly in the separation by fractional precipitation and fractional crystallization of the change in the environmental conditions under continuous intensive mixing of the reaction medium, the temperature not more than a maximum of 0.1 ° C per minute, the pH value (eg. as by adding a precipitating agent) by no more than at most 0.1 p H units per hour changed and the concentration of the solution present in the ions and / or complex compounds is varied by more than 1% per hour. Appropriately, you can use this very dilute solutions that z. B. less than 50 g / l, expediently between 1 and 10 g / l of the elements to be separated, calculated as oxides, contain.
Was die allmähliche Zersetzung der Komplexverbindungen anlangt, so wird auch diese vorzugsweise
so langsam durchgeführt, daß der Stoffaustausch an den Grenzschichten der Kristallkeime schneller erfolgt
als das Kristallwachstum selbst, wobei die Zersetzungsdauer — ebenso wie die Bildungsdauer der
Komplexe — einen Zeitraum von z. B. einigen Stunden bis etwa 4 Wochen oder noch mehr umfassen
kann. In analoger Weise kann man besonders langsam zersetzliche Komplexe verwenden, so daß bei
der Zersetzung das Vermischen der Reaktionsteilnehmer auf jeden Fall schneller erfolgt als die Zersetzung
der Komplexverbindungen.
Das Trennverfahren läßt sich besonders günstig gestalten, wenn man als Fällungsmittel Wasser verwenden
kann. Dies ist bei solchen Verbindungen der Fall, die beim Verdünnen mit Wasser hydrolysieren
und dabei einen unlöslichen Niederschlag der zu trennenden Elemente bilden.As far as the gradual decomposition of the complex compounds is concerned, this is also preferably carried out so slowly that the mass transfer at the boundary layers of the crystal nuclei takes place faster than the crystal growth itself. B. may comprise a few hours to about 4 weeks or even more. In an analogous manner, complexes which decompose particularly slowly can be used, so that during the decomposition the mixing of the reactants is in any case faster than the decomposition of the complex compounds.
The separation process can be designed particularly favorably if water can be used as the precipitant. This is the case with compounds that hydrolyze when diluted with water and thereby form an insoluble precipitate of the elements to be separated.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, die allmähliche Zersetzung der Komplexe durch besonders langsamen Zusatz von solchen Fällungsmitteln zu bewirken, die sich in ihrer Zusammensetzung, Konzentration, pH-Wert und Temperatur nur geringfügig von der Lösung der zu trennenden Verbindungen unterscheiden. In diesem Falle ist natürlich besonders zu beachten, daß die quantitative Abtrennung der jeweiligen Fraktion eine ausgesprochene Zeitreaktion ist.It has further been found advantageous to effect the gradual decomposition of the complexes by a particularly slow addition of such a precipitating agents, which only differ in their composition, concentration, pH value and temperature slightly from the solution of the compounds to be separated. In this case, of course, particular attention should be paid to the fact that the quantitative separation of the respective fraction is a decided time reaction.
Die Erfindung läßt sich ferner auch dadurch verwirklichen, daß die Lösung der zu trennenden Verbindungen und das Fällungsmittel in einem bestimmten Verhältnis gleichzeitig, aber an verschiedenenThe invention can also be implemented in that the solution of the compounds to be separated and the precipitant in a certain ratio at the same time, but in different
Stellen einer Fällungsapparatur unter intensiver Rührung in ein vorgelegtes Medium zugeführt werden. Hierbei dürfen sich Temperatur, pH-Wert und Konzentration ebenfalls nur bis zum optimalen Schwellenwert verändern, was man vorzugsweise dadurch sicherstellt, daß die vorher genannten Zahlenwerte für die Variation der Temperatur, des pH-Wertes und der Konzentration in der Zeiteinheit eingehalten werden.Place a precipitation apparatus with intensive stirring in a medium provided. Here, temperature pH value and concentration may vary only up to the optimum threshold value, also, what is characterized ensures preferably that the aforementioned numerical values for the variation of temperature, p H -value and the concentration can be maintained in the time unit.
Gewünschtenfalls kann die Abscheidung des Feststoffes dadurch verlangsamt werden, daß man gleichzeitig mit dem Fällungsmittel einen Komplexbildner als Lösungsmittel für den entsprechenden Niederschlag hinzufügt. Diese Maßnahme ist auch für den Fall von Bedeutung, daß der Schwellenwert unbeabsichtigt überschritten worden sein sollte oder daß nach erfolgter Fällung eines Niederschlages zur Entfernung etwa okkludierter oder mitgerissener Fremdsubstanzen Lösungsmittel zugeführt werden, wobei man allenfalls die vorher genannten Zahlenwerte für die Veränderung der Milieubedingungen berücksichtigen wird.If desired, the deposition of the solid can be slowed down by simultaneously with the precipitant a complexing agent as a solvent for the corresponding precipitate adds. This measure is also important in the event that the threshold value is unintentional should have been exceeded or that after the precipitation of a precipitate for removal about occluded or entrained foreign substances solvents are supplied, wherein at most, the aforementioned numerical values for the change in environmental conditions can be taken into account will.
Große Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren besitzt eine besondere Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, daß im kritischen Zeitpunkt, das ist kurz vor dem z. B. durch Vorversuche ermittelten Zeitpunkt, in welchem bei Veränderung der Milieubedingungen eine (durch beginnende Trübung oder durch den Tyndall-Effekt feststellbare) erste Kristallkeimbildung zu erwarten wäre, Kristallkeime von der Art der abzuscheidenden Verbindungen, vorzugsweise aus nur die abzuscheidende Substanz enthaltenden Lösungen hergestellte Kristallkeime in möglichst feiner Verteilung, gegebenenfalls auch auf inerte Stoffe von großer Oberfläche aufgebracht, hinzugefügt werden.A particular embodiment, the is characterized in that at the critical point in time, which is shortly before the z. B. by preliminary tests determined point in time at which, in the event of a change in the environmental conditions, a (through beginning Cloudiness or first crystal nucleation (which can be determined by the Tyndall effect) would be expected, crystal nuclei on the nature of the compounds to be deposited, preferably only the substance to be deposited containing solutions produced crystal nuclei in the finest possible distribution, optionally can also be applied to inert materials with a large surface area.
Zum besseren Verständnis der bei der fraktionierten Fällung oder fraktionierten Kristallisation durch Animpfen hervorgerufenen Vorgänge muß bemerkt werden, daß eine Keimbildung aus einer Lösung, sei es durch Fällung oder durch Kristallisation, überhaupt nur dann eintreten kann, wenn ein übersättigter Zustand vorhanden ist. Es ist ein bestimmter Übersättigungszustand notwendig, der erheblich über dem Gleichgewichtszustand liegt, damit die Fällung beginnt. Dann setzt sie allerdings schlagartig ein und führt sofort zur Ausfällung so großer Substanzmengen, daß das Prinzip der erfindungsgemäß angestrebten, besonders langsamen Ausfällung nicht mehr verwirklicht werden kann. Deshalb muß man durch Vorversuche ermitteln, wann dieser Zustand der Sättigung erreicht ist, und muß durch Hinzufügung der Keime im richtigen Augenblick verhindern, daß ein Zustand der Übersättigung überhaupt eintreten kann.For a better understanding of the fractional precipitation or fractional crystallization through Inoculation-induced processes must be noted that nucleation from a solution is it can only occur through precipitation or through crystallization, if a supersaturated one Condition exists. A certain state of supersaturation is necessary, which is considerably higher than that Equilibrium is so that the precipitation begins. Then, however, it sets in suddenly and immediately leads to the precipitation of such large amounts of substance that the principle of the particularly slow precipitation can no longer be achieved. Therefore you have to determine by preliminary tests when this state of saturation is reached, and must be added the germs at the right moment prevent a state of oversaturation at all can occur.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Trennmethode sind kurz zusammengefaßt, unter anderem die folgenden: Durch das Arbeiten im idealen homogenen Medium läßt sich eine zeitlich und örtlich gleichmäßige Abscheidung im ganzen Reaktionsmedium erzielen. Insbesondere bei Einhaltung höherer Temperaturen erhält man gut ausgebildete Kristalle und vermeidet dadurch die bei gallertigen Niederschlagen auftretenden Adsorptionseffekte. Das Auftreten von Mischkristallen oder echten Verbindungen ist auf ein Minimum reduziert. Das vorliegende Verfahren hat für die großtechnische Anwendung zur Trennung und Reinabscheidung verschiedener, in jüngster Zeit zu größerer Bedeutung gelangter Elemente großen Wert. Dies ergibt sich insbesondere daraus, daß statt einer häufig wiederholten Trennoperation nur eine einzige durchgeführt zu werden braucht, um schon zu einem ausgezeichneten Separationsfaktor zu gelangen. Die Methode ist ganz generell für alle Arten von Trennungen durch fraktionierte Fällung oder fraktionierte Kristallisation anwendbar und keineswegs an das VorhandenseinThe advantages of the separation method according to the invention are briefly summarized, including the following: By working in the ideal homogeneous medium, a temporally and spatially uniform medium can be achieved Achieve separation in the entire reaction medium. Especially when adhering to higher Temperatures you get well-formed crystals and thereby avoid gelatinous precipitates occurring adsorption effects. The appearance of mixed crystals or real compounds is reduced to a minimum. The present method has for large-scale application Separation and separation of various elements that have recently become more important great value. This results in particular from the fact that instead of a frequently repeated separating operation only a single one needs to be carried out in order to achieve an excellent separation factor to get. The method is quite general for all types of fractional separations Precipitation or fractional crystallization can be used and in no way depends on their presence
ίο besonders stabiler Komplexverbindungen gebunden. Aus der Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten, die das Arbeiten im idealen homogenen Medium eröffnet, sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken, einige typische Verfahrensvarianten für die fraktionierte Fällung ohne und mit Benutzung von Komplexverbindungen sowie für die fraktionierte Kristallisation, auch durch Impfen mit Kristallkeimen, näher erläutert.ίο particularly stable complex compounds bound. From the variety of possible applications that working in the ideal homogeneous medium opens up, are in the following exemplary embodiments, without restricting the invention thereto, some typical process variants for fractional precipitation with and without the use of complex compounds as well as for fractional crystallization, also by seeding with crystal nuclei explained.
Abtrennung des Lanthans
aus einem Ceriterdengemisch durch basische FällungSeparation of the lanthanum
from a cerite mixture by basic precipitation
Im vorliegenden Beispiel , wird als Ausgangsmaterial ein nach der bekannten Methode der basischen Fällung erhaltenes Ceriterdengemisch verwendet, das durch fünfmalige Fällung der mineralsauren Salze von seltenen Erden mit wässerigem oder gasförmigem Ammoniak erhalten worden ist und 95% Lanthan, etwa 3% Neodym und 2% Praseodym enthält. Die Arbeitsbedingungen für die Trennung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren waren im einzelnen folgende:In the present example, is used as the starting material a cerite mixture obtained by the known method of basic precipitation is used, that by five-fold precipitation of the mineral acid salts of rare earths with aqueous or gaseous ammonia and 95% lanthanum, about 3% neodymium and 2% praseodymium contains. The working conditions for the separation according to the method of the invention were in detail the following:
Es wurden 101 einer Chloridlösung der seltenen Erden verwendet, die 20 g Oxyd pro Liter Lösung enthielt und einen pH-Wert von 3,8 aufwies. Als vorgelegtes Medium wurden 10 1 einer 5%igen Ammoniumchloridlösung verwendet, die durch verdünnte Ammoniumhydroxydlösung auf pH 7,3 eingestellt worden ist. Als Fällungsmittel wurde 5%ige Ammoniumhydroxydlösung verwendet. Das vorgelegte Medium wurde konstant auf eine gewählte Temperatur zwischen 70 und 80° C erwärmt und nun gleichzeitig in äquivalenten Mengen und unter Einhaltung der genannten Temperatur zwischen 70 und 80° C die Ceriterdenchloridlösung und das verdünnte Ammoniumhydroxyd, in feinen Tropfen versprüht, an zwei weit entfernten Stellen des Fällungsgefäßes in das vorgelegte Medium eingetropft, das gleichzeitig durch einen Intensivrührer in lebhafter turbulenter Bewegung gehalten wurde. Die zugetropfte Menge Ceriterdenchloridlösung betrug pro Stunde 2000 ml. Die zugetropfte Menge Ammoniumhydroxyd wurde so bemessen, daß der pH-Wert von 7,3 im vorgelegten Medium auf keinen Fall überschritten wurde. Die verbrauchte Menge 5%iges Ammoniumhydroxyd betrug etwa 21. Die gesamte Fällung nahm etwas mehr als 5 Stunden in Anspruch. Es entstand ein leicht absetzbarer, leicht filtrierbarer Niederschlag, der durch Dekantieren und Filtration vom Filtrat abgetrennt wurde. Der Niederschlag wurde anschließend mit 2°/oiger Ammoniumhydroxydlösung, die auf pH 7,3 eingestellt war, ausgewaschen. Dieser Niederschlag enthielt 5,4 Gewichtsprozent der im Ausgangsmaterial enthaltenen seltenen Erden, die beim Verglühen ein schwarzbraunes Oxyd ergaben mit 34,9% Praseodym und 65,1% Neodym, in dem LanthanThere were 101 uses a chloride solution of the rare earth oxide containing 20 g per liter of solution and a pH value of 3.8 was obtained. As initially introduced medium, 10 1 used a 5% ammonium chloride solution which has been adjusted with dilute ammonium hydroxide solution to p H 7.3. 5% ammonium hydroxide solution was used as the precipitant. The medium presented was constantly heated to a selected temperature between 70 and 80 ° C and now at the same time in equivalent amounts and while maintaining the stated temperature between 70 and 80 ° C, the cerite chloride solution and the dilute ammonium hydroxide, sprayed in fine drops, at two distant Place the precipitation vessel dripped into the presented medium, which was at the same time kept in lively turbulent motion by an intensive stirrer. The dropped amount was Ceriterdenchloridlösung ml per hour 2000th the dropped amount of ammonium hydroxide has been so dimensioned that the pH value exceeded 7.3 in the medium presented in any case. The amount of 5% ammonium hydroxide used was about 21. The entire precipitation took a little more than 5 hours. An easily settable, easily filterable precipitate was formed, which was separated from the filtrate by decanting and filtration. The precipitate was then washed with 2 ° / cent ammonium hydroxide solution, which was adjusted to p H 7.3. This precipitate contained 5.4 percent by weight of the rare earths contained in the starting material, which when burned gave a black-brown oxide with 34.9% praseodymium and 65.1% neodymium in the lanthanum
409 599/3Ot409 599/30
nicht nachweisbar war. Das Filtrat enthielt 94,6 fl/o der seltenen Erdenoxyde mit 99,5 %> La, 0,5 % Pr und kein Neodym.was undetectable. The filtrate contained 94.6 fl / o of the rare earth oxides with 99.5%> La, 0.5% Pr and no neodymium.
Dieses Lanthan wurde aus dem Filtrat durch Hinzufügen von weiterem Ammoniak bei derselben Temperatur zwischen 70 und 80° C und unter leb-This lanthanum was made from the filtrate by adding more ammonia to it Temperature between 70 and 80 ° C and under lively
haftem Rühren ausgefällt, bis die Lösung einen pH-Wert von 9,0 aufwies. Das Filtrat enthält dann keine seltenen Erden mehr. Der Niederschlag kann in üblicher Weise abgetrennt werden.haftem stirring precipitated, had to the solution a pH value of 9.0. The filtrate then no longer contains any rare earths. The precipitate can be separated off in the usual way.
In der folgenden Tabelle sind diese Versuchsergebnisse zusammengestellt: These test results are compiled in the following table:
gOxides
G
Neue Methode:
Niederschlag After five precipitations of the usual type
New method:
Precipitation
4,5
95,5100
4.5
95.5
Schwarzbraun
WeißWhite-gray
Black brown
White
139,06142.36
139.06
0,0
99,594.6
0.0
99.5
34,9
0,51.8
34.9
0.5
65,1
0,03.6
65.1
0.0
Trennung der seltenen Erden durch fraktionierte
Fällung mit Hilfe von KomplexverbindungenSeparation of the rare earths by fractional
Precipitation with the help of complex compounds
a) Trennunga) Separation
mit Hilfe von Aluminiumoxalsäurekomplexen,
Erbium-Lanthan-Trennungwith the help of aluminum oxalic acid complexes,
Erbium-lanthanum separation
Die Analyse von Gemischen seltener Erden ist außerordentlich schwierig. Es wurde deshalb zum Beweis der guten Trenneffekte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielen sind, ein relativ einfach analysierbares Gemisch von zwei seltenen Erden herangezogen, bestehend aus Erbium, das ein sehr charakteristisches Spektrum hat, und aus Lanthan, das im sichtbaren Licht keine Absorptionen zeigt.The analysis of mixtures of rare earths is extremely difficult. It therefore became the Proof of the good separation effects that can be achieved with the method according to the invention is relative easily analyzable mixture of two rare earths used, consisting of erbium, the one has a very characteristic spectrum, and is made of lanthanum, which has no absorption in visible light shows.
Es wurde eine Lösung hergestellt, die La2O3 und Er2O3 im Verhältnis von 82:18 enthielt. Aus dieser Lösung wurden mit Hilfe von Oxalsäure in der Wärme Oxalate gefällt. Diese enthielten 63,51 g Oxyde von seltenen Erden. Sie wurden in einem halben Liter einer 1 molaren wässerigen Lösung von Aluminiumoxalsäure in der Wärme gelöst. Diese Säure, die auch als Aloxalsäure bezeichnet wird, ist eine definierte Komplexverbindung der Formel H6 [Al2 (C2OJ6] · 3 H2O, die als »gereifter«, das ist ein durch vollständige, aber besonders langsame Komplexbildung entstehender Komplex, erhalten werden kann. Die Lösung erfolgt glatt und schnell, und es verbleibt kein Rückstand.A solution was prepared containing La 2 O 3 and Er 2 O 3 in a ratio of 82:18. Oxalates were precipitated from this solution with the help of oxalic acid in the heat. These contained 63.51 g of rare earth oxides. They were dissolved in half a liter of a 1 molar aqueous solution of aluminum oxalic acid under heat. This acid, which is also known as aloxalic acid, is a defined complex compound of the formula H 6 [Al 2 (C 2 OJ 6 ] · 3 H 2 O), which is called "matured", that is, a complex that is formed by complete, but particularly slow complex formation Complex, can be obtained, and the solution proceeds smoothly and quickly, leaving no residue.
Nach dem Erwärmen der Lösung auf 70° C wurden unter lebhaftem Rühren mit einer Geschwindigkeit von 5 ml je Minute insgesamt 685 ml destilliertes Wasser, das ebenfalls auf 70° C vorgewärmt war, hinzugefügt. Am Ende des Zusatzes entstand eine schwache Trübung, worauf der weitere Zusatz von destilliertem Wasser sofort unterbrochen wurde. Nach 1It Stunde Rühren bei derselben Temperatur wurde ein Niederschlag abgetrennt, der im wesentlichen aus Erbiumoxalat bestand und 15,52% der ursprünglich vorhandenen Oxyde enthielt. Eine zweite Fraktion wurde ebenfalls bei 70° C durch weiteres Hinzufügen mit derselben Geschwindigkeit von 47 ml 10 °/oiger Oxalsäure erhalten, die 2,53 % der ursprünglichen Menge darstellte. Die beiden Fraktionen zusammengenommen machten also 18,05% der ursprünglichen Menge aus. Die spektralanalytische Untersuchung ergab, daß es reines Erbiumoxyd war. Das Atomgewicht betrug 167,0, was genau dem Atomgewicht des Erbium entspricht. Aus dem Filtrat wurde durch überschüssiges Ammoniumoxalat das Lanthan ausgefällt, in dem spektralanalytisch kein Erbium nachweisbar war. Diese Trennung ist somit quantitativ.After the solution had been heated to 70 ° C., a total of 685 ml of distilled water, which had also been preheated to 70 ° C., was added at a rate of 5 ml per minute with vigorous stirring. At the end of the addition there was a slight cloudiness, whereupon the further addition of distilled water was immediately interrupted. After stirring for 1 hour at the same temperature, a precipitate was separated off which consisted essentially of erbium oxalate and contained 15.52% of the oxides originally present. A second fraction was also obtained at 70 ° C. by further adding at the same rate 47 ml of 10% oxalic acid, which represented 2.53% of the original amount. The two fractions taken together made up 18.05% of the original amount. The spectral analysis showed that it was pure erbium oxide. The atomic weight was 167.0, which corresponds exactly to the atomic weight of erbium. The lanthanum, in which no erbium was detectable by spectral analysis, was precipitated from the filtrate due to excess ammonium oxalate. This separation is thus quantitative.
b) Trennung eines Gemisches, das sämtliche
seltenen Erden enthieltb) Separation of a mixture that contains all
contained rare earths
Ein Präparat, wie es bei der technischen Darstellung von Thorium und Cer aus Monazitsand erhalten wird, nachdem diese beiden Elemente abgetrennt worden sind, wurde in Lösung gebracht. Es ist eine sehr komplizierte Mischung, deren quantitative Zusammensetzung mit den bis heute bekannten analytischen Methoden nicht genau festzustellen ist. Es sind Spektrallinien und Absorptionsbanden sämtlicher bekannten seltenen Erden, sowohl Cerit- als auch Yttererden, festzustellen.A preparation like the one obtained from the technical preparation of thorium and cerium from monazite sand after these two elements have been separated, was brought into solution. It is one very complicated mixture, the quantitative composition of which corresponds to the analytical methods known to date Methods cannot be precisely determined. There are spectral lines and absorption bands of all known rare earths, both cerite and ytter earths.
Aus einer Chloridlösung, die 100 g seltene Erden, als Oxyde berechnet, enthielt, wurden durch Fällung mit Ammoniumoxalatlösung bei einem pH-Wert von 3 bis 4 die gesamten seltenen Erden als Oxalate gefällt. Die mit destilliertem Wasser gründlich ausgewaschenen, frisch gefällten Oxalate wurden dann in einer l,6molaren Aluminiumoxalsäurelösung bei Zimmertemperatur aufgelöst. Bis zur vollständigen Lösung waren 1500 ml Aloxalsäurelösung erforderlich, bis zur vollständigen Klärung waren 24 Stunden nötig.From a chloride solution containing 100 g of rare earths, calculated as oxides, containing, were precipitated by precipitation with ammonium oxalate solution at a pH value 3-4 the total rare earths as oxalates. The freshly precipitated oxalates, thoroughly washed out with distilled water, were then dissolved in a 1.6 molar aluminum oxalic acid solution at room temperature. 1500 ml of aloxalic acid solution were required for complete dissolution, and 24 hours were required for complete clarification.
Die entstandene Lösung, die, bezogen auf Oxyde,The resulting solution, which, based on oxides,
etwa 6 bis 8 Gewichtsprozent seltene Erden enthielt, ist unbegrenzt haltbar, die Stabilität der in der Lösung enthaltenen Aloxate der seltenen Erden ist aber nicht sehr groß, so daß allein Verdünnen mit Wasser bei einer Temperatur von 70 bis 80° C genügt, um eine Zersetzung der Komplexe zu bewirken. Dabei ist es besonders bemerkenswert, daß die Stabiso lität der Aloxate der einzelnen seltenen Erden sehr fein differenziert ist. Der Verdünnungsgrad, bei dem die Fällung der Oxalate der einzelnen seltenen Erden erfolgt, ist für jedes Element charakteristisch. Es ist auf diese Weise möglich, die seltenen Erden in der Reihenfolge ihrer Atomnummern, von den höheren beginnend, nach den niedrigeren zu auszufällen. Da die seltenen Erden untereinander ein chemisch außerordentliches Verhalten zeigen, ist es aber nicht möglich, schon mit einem einmaligen Trennungsgang Fraktionen zu erhalten, die wie bei der oben beschriebenen Erbium-Lanthan-Trennung jeweils nur ein einziges Element hochangereichert enthalten. Man erhält aber Fraktionen, in denen jeweils eine oder zwei seltene Erden stark angereichert sind, daneben aber immer noch andere Erden enthalten. Da solche Gemische nicht einfach zu analysieren sind, wurde von jeder Fraktion nur das Atomgewicht bestimmt, aus dem geschlossen werden kann, welcheContains about 6 to 8 percent by weight of rare earths, has an unlimited shelf life, the stability of the in the Solution contained aloxates of the rare earths is however not very large, so that only diluting with Water at a temperature of 70 to 80 ° C is sufficient to cause the complexes to decompose. It is particularly noteworthy that the stability of the aloxates of the individual rare earths is very high is finely differentiated. The degree of dilution at which the precipitation of the oxalates of the individual rare earths occurs is characteristic of each element. It is possible in this way to find the rare earths in the Order of their atomic numbers, starting from the higher ones, to be precipitated according to the lower ones. There the rare earths show an extraordinary chemical behavior among each other, but it is not possible to obtain fractions with a single separation run that are similar to the one described above Erbium-lanthanum separation each contain only a single highly enriched element. But you get fractions in each of which one or two rare earths are strongly enriched, next to it but still contain other earths. Since such mixtures are not easy to analyze, only the atomic weight of each fraction was determined, from which it can be concluded which one
der vierzehn seltenen Erden jeweils besonders hoch angereichert ist.of the fourteen rare earths is each particularly highly enriched.
Die folgende Tabelle gibt die ermittelten Atomgewichte von fünf Fraktionen wieder. Daneben ist die jeweilige Hauptkomponente der Fraktion angegeben, die jeweils auch spektralanalytisch nachgewiesen werden konnte.The following table shows the determined atomic weights of five fractions. Next to it is the respective main component of the fraction is indicated, each of which is also detected by spectral analysis could be.
der seltenen Erden mit folgender Zusammensetzung verwendet wurden:of rare earths with the following composition were used:
Lanthan 50%Lanthanum 50%
Neodym 30 %Neodymium 30%
Praseodym 10 %Praseodymium 10%
Yttererden 10%Ytter earth 10%
Eine Chloridmenge, die 100 g Oxyd dieser seltenen Erden entsprach, wurde in 1700 ml Wasser ίο gelöst und unter lebhaftem Rühren in 1500 ml einer lmolaren Aluminiumoxalsäurelösung eingegossen. Die Lösung bleibt klar, wenn das Hinzufügen nicht abrupt, sondern nach und nach erfolgt. Die Bildung des Oxalatchloridkomplexes des Aluminiums und der seltenen Erden erfolgt nun nicht augenblicklich, sondern allmählich. Man muß die Lösung mindestens 24 Stunden stehenlassen, damit die KomplexbildungA quantity of chloride corresponding to 100 g of oxide of this rare earth was dissolved in 1700 ml of water ίο dissolved and poured into 1500 ml of an imolar aluminum oxalic acid solution while stirring vigorously. The solution remains clear if the addition is made gradually rather than abruptly. The education of the oxalate chloride complex of aluminum and rare earths does not take place immediately, but gradually. The solution must be left to stand for at least 24 hours for the complex to form
Die Fällung wurde in der Weise vorgenommen, vollständig ist. Diese Lösung kann anschließend ohne daß das Hinzufügen des Wassers mit einer Geschwin- Zersetzung auf 70 bis 80° C erwärmt werden. Sie digkeit wie im Falle a) bei 70° C erfolgte, aber sofort 20 wird bei 70° C für die folgende Trennungsoperation unterbrochen wurde, wenn eine beginnende Trübung benutzt. Unter lebhaftem Rühren wird sehr langsam erkennbar wurde. Die Fällung verstärkt sich dann und tropfenweise eine auf 70° C erwärmte Amjeweils, und die Niederschläge konnten leicht durch moniumoxalatlösung, die etwa 48 g (NHJ2C2O4 im Dekantieren abgetrennt werden. Die Größe der fünf Liter enthält und einen pH-Wert von etwa 5 aufweist, Fraktionen schwankte zwischen 0,2 und 20 g. Ins- 25 hinzugefügt.The precipitation was carried out in such a way that it is complete. This solution can then be heated to 70 to 80 ° C. at a rate of decomposition without adding the water. You digkeit as in case a) at 70 ° C, but immediately 20 is interrupted at 70 ° C for the following separation operation, if an incipient cloudiness is used. With vigorous stirring it will very slowly become noticeable. The precipitate is then amplified and added dropwise a warmed to 70 ° C Amjeweils and the precipitates could easily moniumoxalatlösung which are separated approximately 48 g (NHY 2 C 2 O 4 in the decantation contains the size of the five liters, and a p H. - Value of about 5, fractions varied between 0.2 and 20 g. Ins-25 added.
gesamt waren in den fünf Fraktionen 30 g ausgefällt, Das tropfenweise Hinzufügen des Fällungsmittelsa total of 30 g had precipitated in the five fractions. The dropwise addition of the precipitant
im Filtrat waren Yttererden nicht mehr nachzu- zu der Komplexlösung wird jeweils sofort unterweisen. Die darin enthaltenen seltenen Erdenoxyde brachen, wenn sich eine beginnende Trübung oder bestanden überwiegend aus Lanthan, Praseodym und ein Tyndall-Effekt zeigt. Das tropfenweise Zusetzen Neodym, die durch weiteres stufenweises Verdünnen 30 erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 ml pro mit destilliertem Wasser bei 70° C voneinander ge- Minute. Der Niederschlag verstärkt sich dann all-There were no more ytter earths in the filtrate - the complex solution will be instructed immediately. The rare earth oxides contained therein broke when a beginning cloudiness or consisted predominantly of lanthanum, praseodymium and showing a Tyndall effect. Adding it drop by drop Neodymium, which is made by further gradual dilution 30 at a rate of about 2 ml per with distilled water at 70 ° C from each other minute. The precipitation then intensifies
glot
G
komponenteHead
component
2
3
4
51
2
3
4th
5
3,1
6,5
0,2
19,80.4
3.1
6.5
0.2
19.8
158,27
155,70
146,92
145,86161.42
158.27
155.70
146.92
145.86
Erbium
Gadolinium
Europium
SamariumTerbium
Erbium
Gadolinium
Europium
Samarium
trennt werden können.can be separated.
mählich, und nach etwa 30 Minuten intensiver Durchmischung bei konstanter Temperatur ist die Fällung der ersten Fraktion beendet. Der Niederschlag ist sehr leicht absetzbar und kann durch Dekantieren abgetrennt und durch Filtrieren und Waschen mit verdünnter Ammoniumoxalatlösung gereinigt werden. Mit dem klaren Filtrat wird die soeben beschriebene Operation wiederholt. Es wird gradually, and after about 30 minutes of intensive mixing at constant temperature, the Precipitation of the first fraction ended. The precipitate is very easy to settle and can be removed by decanting separated and purified by filtering and washing with dilute ammonium oxalate solution will. The operation just described is repeated with the clear filtrate. It will
Trennung seltener Erden über Komplexe
mit mehreren KomponentenSeparation of rare earths via complexes
with multiple components
Man löst die Oxalate seltener Erden in konzentrierten Lösungen von Aluminiumverbindungen, wobei sich neuartige Aluminiumoxalsäurekomplexe mit 40 wieder bei 70° C unter lebhaftem Rühren verdünnte eingebauten Mineralsäureionen bilden. Noch ein- Ammoniumoxalatlösung hinzugefügt und bei beginfacher ist es, wenn man z. B. zur Aluminiumoxal- nender Trübung das Hinzufügen des Fällungsmittels säure Nitrate oder Chloride seltener Erden hinzufügt unterbrochen. Der Niederschlag verstärkt sich wieder und beide Lösungen in nicht zu verdünnter, z. B. 1- ™ Laufe von etwa 30Minuten, und man erhält so die bis 2molarer Lösung, verwendet. Das Aluminiumsalz 45 zweite Fraktion. Auf diese Weise wurden insgesamt bzw. die Aloxalsäure muß immer im Überschuß vor- funf Fraktionen ausgefällt. Das Ergebnis dieses Ver-The oxalates of rare earths are dissolved in concentrated solutions of aluminum compounds, with novel aluminum oxalic acid complexes with 40 built-in mineral acid ions which are again diluted at 70 ° C. with vigorous stirring. Another ammonium oxalate solution added and with beginfacher it is if one z. B. the addition of the precipitant acid nitrates or chlorides of rare earths to aluminum oxaline nender turbidity is interrupted. The precipitate increases again and both solutions in not too dilute, z. B. 1- ™ in the course of about 30 minutes, and the up to 2 molar solution is obtained in this way. The aluminum salt 45 second fraction. In this way, a total of or the aloxalic acid must always be precipitated in excess of five fractions. The result of this
handen sein. Wenn die Aluminiumoxalsäure richtig hergestellt, d. h. ausreichend lange gereift war, entstehen bei dieser Vermischung keine Niederschläge von unlöslichen Oxalaten.be at hand. If the aluminum oxalic acid is made properly, i. H. had matured long enough no deposits of insoluble oxalates during this mixing.
Aus solchen Lösungen kann man die seltenen Erden durch Hinzufügen von Oxalsäure und Mineralsäure stufenweise zersetzen, und man erhält Niederschläge, die in den einzelnen Fraktionen starke Anreicherungen von einzelnen seltenen Erden, von Scandium und Yttrium angefangen über die Elemente mit den Ordnungszahlen 71 bis 57, enthalten. Bei Anwendung möglichst idealer homogener Bedingungen gemäß der Erfindung sind sehr gute Trenneffekte zu erzielen. Je nach der Größe der einzelnen Fraktionen unter Einhaltung homogener Bedingungen, sehr langsamer Arbeitsweise und intensiver Durchmischung können Fraktionen erhalten werden, die nach nur einer einzigen weiteren Umfällung einzelne seltene Erden in hoher Reinheit enthalten.From such solutions one can get the rare earths by adding oxalic acid and mineral acid gradually decompose, and precipitates are obtained which are strong in the individual fractions Enrichments of individual rare earths, from scandium and yttrium, starting with the elements with ordinal numbers 71 to 57. When using the most ideal homogeneous conditions possible according to the invention, very good separation effects can be achieved. Depending on the size of each Fractions while maintaining homogeneous conditions, very slow working method and more intensive By mixing, fractions can be obtained after only a single further reprecipitation contain individual rare earths in high purity.
Nachfolgend wird ein besonderes Bespiel angegeben, bei welchem als Ausgangsmaterial ChlorideA special example is given below in which chlorides are used as the starting material
suches ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt.suches are summarized in the following table.
tionFrac
tion
des
Fällungs
mittels
mllot
of
Precipitation
by means of
ml
der
Fraktion
Gewichts
prozentlot
the
fraction
Weight
percent
2
3
4
51
2
3
4th
5
1171
312
457
860623
1171
312
457
860
13,2
19,2
42,0
9,216.4
13.2
19.2
42.0
9.2
mit etwas Neodym und
Spuren Praseodym
Neodym mit etwa IVs °/o
Praseodym, frei von
Yttererden
Praseodym mit Spuren Nd
Lanthan mit etwa 0,5%
Praseodym und Spuren
Nd
Lanthan reinst, minde
stens 99,99%, Atom
gewicht 139,00Samarium + ytter earth
with some neodymium and
Traces of praseodymium
Neodymium with about IVs%
Praseodymium, free from
Ytter earths
Praseodymium with traces of Nd
Lanthanum with about 0.5%
Praseodymium and traces
Nd
Pure lanthanum, at least
at least 99.99%, atom
weight 139.00
15 1615 16
Diese Trennung ist noch effektvoller als die im Haut zeigt, und im Kristallisationsgefäß wieder mit Beispiel 1 beschriebene basische Fällung. einer Geschwindigkeit von etwa 1° C pro Stunde bisThis separation is even more effective than that shown in the skin, and again in the crystallization vessel Basic precipitation described in Example 1. a rate of about 1 ° C per hour to
Das Verfahren ist außerordentlich variationsfähig, bis zum Einsetzen der ersten Kristallkeimbildung,
weil außer der Oxalsäure auch Weinsäure und das ist bis auf 18° C gekühlt, wodurch man Praseo-Zitronensäure
und eine ganze Reihe anderer zwei- 5 dymammonnitrat von etwa 92°/o Reinheit erhält,
und dreibasischer organischer Säuren und außer Alu- Führt man die fraktionierte Kristallisation in derThe process is extremely versatile, up to the onset of the first crystal nucleation, because besides oxalic acid also tartaric acid and this is cooled to 18 ° C, which produces praseo-citric acid and a whole range of other dymammon nitrates of about 92% purity receives,
and tribasic organic acids and, in addition to aluminum, fractional crystallization is carried out in the
minium auch Chrom, Molybdän, Vanadin, Uran oben beschriebenen Weise durch, wobei man aber usw. ähnliche Komplexe bilden und weil außer den die langsame Abkühlung bei Erreichen einer Temseltenen Erden praktisch alle Elemente, die wasser- peratur von 32° C unterbricht und mit 0,5 g feinunlösliche Oxalate bilden, ähnlich wie die seltenen io gemahlenen Lanthanammonnitratkeimen, die mit Erden getrennt werden können. Auf diese Weise ist etwas konzentrierter Salpetersäure angeteigt wurden, z. B. die Trennung von Kalzium, Strontium, Barium, animpft und sodann 12 bis 18 Stunden lang unter Radium oder von Eisen, Kobalt, Nickel, der Platin- intensivem Rühren auf der Temperatur von 32° C metalle, der Elemente der Mangangruppe möglich hält, so ist die erste Fraktion ein 95 bis 99% reines und anderseits auch die Trennung von Zirkon, Haf- 15 Lanthanammonnitrat. Die weitere Aufarbeitung auf nium. Niob, Tantal, Gallium, Indium, Thallium usw. reines Praseodymammonnitrat als zweite Fraktionminium also chromium, molybdenum, vanadium, uranium described above, but one etc. form similar complexes and because, in addition, the slow cooling when reaching a Temseltenen Ground practically all elements that interrupt the water temperature of 32 ° C and form fine-insoluble oxalates with 0.5 g, similar to the rare lanthanum ammonium nitrate germs that are ground with Earths can be separated. In this way some concentrated nitric acid has been made into a paste, z. B. the separation of calcium, strontium, barium, inoculated and then under for 12 to 18 hours Radium or of iron, cobalt, nickel, the platinum- intensive stirring at the temperature of 32 ° C metals that keep elements of the manganese group possible, the first fraction is 95 to 99% pure and on the other hand also the separation of zirconium, Haf-15 lanthanum ammonium nitrate. Further work-up on nium. Niobium, tantalum, gallium, indium, thallium etc. pure praseodymammon nitrate as the second fraction
erfolgt in der vorher beschriebenen Weise.takes place in the manner previously described.
Beispiel 4 In ähnlicher Weise ist auch die Trennung vonExample 4 The separation of
Zirkon und Hafnium durch fraktionierte Kristalli-Zirconium and hafnium through fractionated crystalline
Trennung der Erden durch fraktionierte 20 sation der Amrnom-um. oder KaliumdoppelfluorideSeparation of the earths by fractional 20 sation of the amrnom- um . or potassium double fluorides
Kristallisation von Losungen möglich. Während nach dieser in der Literatur be-Crystallization of solutions possible. While according to this in the literature
Nach den Prinzipien des idealen homogenen schriebenen Methode erst nach 70- bis lOOmaligem Mediums sind auch praktisch alle Trennungen Umkristallisieren eine hafniumfreie Kopffraktion chemisch ähnlicher Elemente durch fraktionierte erhalten wird, gelingt es bereits in der ersten Frak-Kristallisation wesentlich zu verbessern, besonders 25 tion, Kristalle der Zirkonverbindung zu erhalten, die wenn man die Selektivität der Kristallausfällungen fast frei von Hafnium sind. Voraussetzung ist allerdurch Impfen mit den »richtigen« Keimen unter- dings dabei, daß man in der oben beschriebenen stützt. Auf diese Weise läßt sich z. B. aus Lanthan- Weise mit hafniumfreien Zirkonammoniumfluorid-Praseodym-Ammoniumnitrat sogar in einer einzigen kristallen geimpft hat.According to the principles of the ideal homogeneous written method, only after 70 to 100 times In the medium, practically all separations are recrystallized with a hafnium-free top fraction Chemically similar elements is obtained by fractionated, it succeeds already in the first Frak crystallization to improve significantly, especially 25 tion, to obtain crystals of the zirconium compound, the if you consider the selectivity of the crystal precipitates are almost free of hafnium. The prerequisite is all through Inoculating with the "right" germs, while doing the same thing as described above supports. In this way, z. B. from lanthanum way with hafnium-free zirconium ammonium fluoride-praseodymium-ammonium nitrate inoculated even in a single crystal.
Kristallisation aus wäßriger Lösung Lanthan von bis 3° In ganz analoger Weise kann man die fraktionierte zu 99% Reinheit gewinnen. Kristallisation als »ideale« selektive KristallisationCrystallization from aqueous solution of lanthanum up to 3 ° In a completely analogous manner, one can use the fractionated Gain 99% purity. Crystallization as "ideal" selective crystallization
Ein Gemisch von 100 g Lanthanammonnitrat und durchführen, bei der Barium-Radium-Trennung der
100 g Praseodymammonnitrat wird in 11 Wasser Bromide, bei der Niob-Tantal-Trennung mit den
gelöst und diese Lösung auf dem Wasserbad bis zur Kaliumdoppelfluoriden usw.
Erreichung einer honigartigen Konsistenz eingeengt, 35
sodann mit 100 cm3 konzentrierter Salpetersäure Beispiel 5A mixture of 100 g lanthanum ammonium nitrate and carry out, in the barium-radium separation the 100 g praseodymammon nitrate in 11 water bromides, in the niobium-tantalum separation with the and this solution on the water bath until the potassium double fluorides etc.
A honey-like consistency is obtained, 35
then with 100 cm 3 of concentrated nitric acid Example 5
(d: = 1.41) gelöst und mit Wasser auf 500 cm» ver- Trennung von Elementen der Platingruppen
dünnt. Diese Losung wird auf dem Wasserbad so 6 , , u . , r..,, 6 1^ (d : = 1.41) dissolved and separated from elements of the platinum groups with water to 500 cm
thins. This solution is on the water bath so 6 ,, u . , r .. ,, 6 1 ^
1 i_ j ,, λ .... „. , . durch basische Fällung1 i_ j ,, λ .... ". ,. by basic precipitation
lange abgedampft, bis sich beim Blasen eben eine ö evaporated for a long time until an o
feine Kristallhaut zeigt. Man bringt nun in ein gegen *° Eine besondere Schwierigkeit bereitete bisher Wärmeabgabe gut geschütztes Kristallisationsgefäß technisch die Trennung der Platin- und Palladium- und stellt unter intensivem Rühren auf eine Tempe- gruppe. Sie können nun aus den Chloriden durch ratur von 50° C ein. Von diesem Zeitpunkt an wird basische Fällung ähnlich wie die seltenen Erden in sehr langsam, z. B. mit nicht mehr als 1° C pro einer einzigen, höchstens zwei Stufen, in höchster Stunde abgekühlt und dieser Vorgang bis zur Er- 45 Reinheit erhalten werden. Bei Hinzufügen von reichung einer Temperatur von 27° C fortgeführt, wo Natronlauge oder Ammoniumhydroxyd fällt zuerst die erste sichtbare Kristallkeimbildung einsetzt. Dann Palladium, dann der Reihe nach die anderen Platinwird 3 bis 4 Stunden lang unter fortgesetztem Ruh- metalle, während das Platin bis zum Schluß in ren auf dieser Temperatur gehalten, wobei sich die Lösung bleibt.shows fine crystal skin. One now brings up against * ° A particular difficulty has caused up to now Heat emission well protected crystallization vessel technically the separation of the platinum and palladium and sets on a temperature group while stirring vigorously. You can now get through the chlorides temperature of 50 ° C. From this point on, basic precipitation becomes similar to the rare earths in very slowly, e.g. B. with no more than 1 ° C per a single, at most two levels, in the highest Cooled hour and this process can be maintained up to 45 purity. When adding reaching a temperature of 27 ° C, where caustic soda or ammonium hydroxide falls first the first visible nucleation occurs. Then palladium, then in turn the other becomes platinum For 3 to 4 hours with continued rest metal while the platinum is in ren held at this temperature, whereby the solution remains.
erste Fraktion von Lanthanammonnitrat La(NO3)3 5o Es wurde 11 einer Chloridlösung, die bei derfirst fraction of lanthanum ammonium nitrate La (NO 3 ) 3 5o It was 11 of a chloride solution, which in the
• 2 NH4NO.; · 4H2O mit einer Reinheit von 90 bis chlorierenden Röstung von Platinabfällen erhalten• 2 NH 4 NO .; · 4H 2 O with a purity of 90 to chlorinating roast obtained from platinum waste
95% ausscheidet. Der Kristallbrei wird bei 27° C wurde und 40 g Platinmetalle pro Liter enthielt, zur95% is eliminated. The crystal slurry is made at 27 ° C and contained 40 g of platinum metals per liter
abfiltriert und durch Waschen mit 30 cm3 konzen- Trennung verwendet,filtered off and used by washing with 30 cm 3 concen- tration,
trierter Salpetersäure von okkludiertem Praseodym- £^e Lösung enthielt·
ammoniumnitrat befreit. Filtrat und Waschflüssigkeit 55trated nitric acid of occluded praseodymium £ ^ e Lö sun g contained ·
ammonium nitrate exempt. Filtrate and Wash Liquid 55
werden vereinigt und im Kristallisationsgefäß wieder Platin 83% = 33,20 gare combined and in the crystallization vessel again 83% platinum = 33.20 g
unter Abkühlung mit nicht mehr als 1° C pro Palladium 11,6%= 4,64 gwhile cooling with no more than 1 ° C per palladium 11.6% = 4.64 g
Stunde allmählich von 25 bis auf 20° C gekühlt, bei Rhodium 5 4%= 2 16 g
welcher Temperatur sich eben die erste Kristallkeimbildung feststellen läßt. Man erhält so eine Mittel- 6o Der pH-Wert dieser Chloridlösung war 5. Als vorfraktion,
die aus 30% Lanthan und 70% Praseodym gelegtes Medium wurde 11 einer 2,5%igen Natriumbesteht.
Der Kristallbrei wird wieder auf 25° C ge- chloridlösung benutzt, die auf 90° C erwärmt und
bracht, bei dieser Temperatur abgetrennt und mit auf einen pH-Wert von 7,0 eingestellt war.
etwas konzentrierter Salpetersäure gewaschen. Die Als Fällungsmittel wurde eine 0,1 n-Natriumaus
dem vereinigten Filtrat und der Waschflüssigkeit 65 hydroxydlösung verwendet. Die schwach saure
erhaltene Lösung wird zur Ausfällung von Praseo- Chloridlösung einerseits und die basische Natriumdymammoniumnitrat
auf dem Wasserbad auf 30° C hydroxydlösung anderseits, beide auf 90° C geeingeengt,
bis sich beim Blasen wieder eine feine halten, wurden gleichzeitig an zwei verschiedenenGradually cooled from 25 to 20 ° C. for an hour, with rhodium 5 4% = 2 16 g
at what temperature the first nucleation can be determined. This gives a medium 6o The pH value was this chloride solution 5. As a preliminary fraction, the Laid of 30% and 70% lanthanum praseodymium medium 11 was a 2.5% strength sodium Consists. The crystal is used again boiled down to 25 ° C chloride solution, which was heated to 90 ° C and introduced, separated at this temperature and was adjusted with a pH value of 7.0.
washed a little concentrated nitric acid. A 0.1N sodium from the combined filtrate and the washing liquid 6 5 hydroxide solution was used as the precipitating agent. The weakly acidic solution obtained is concentrated on the one hand to precipitate praseo chloride solution and the basic sodium dymammonium nitrate on the water bath to 30 ° C hydroxide solution on the other hand, both to 90 ° C, until a fine one holds again when blowing, were simultaneously on two different ones
Stellen des Fällungsgefäßes unter lebhaftestem Rühren eingetropft, wobei streng darauf geachtet wurde, daß der pH-Wert7 nicht überschritten wurde und keine abrupten Änderungen der Parameter eintraten. Es wurden pro Stunde rund 150 ml der Chloridlösung der Platinmetalle eingetropft, so daß die ganze Fällungsoperation ungefähr 6V2 Stunden in Anspruch nahm. Die Menge der zugetropften Natronlauge wurde dabei nicht durch Mengenmessung, sondern nur durch Messung des pH-Wertes im Fällungsgefäß reguliert. Der gebildete Niederschlag war leicht absetzbar und konnte durch Dekantieren und anschließendes Filtrieren und Waschen mit 1 °/oiger Natriumchloridlösung bei pH 7 ausgewaschen werden. Dieser Niederschlag enthält das Rhodium. Das Filtrat, das mit dem Waschwasser zusammen eine Menge von mehr als 21 ausmachte, wurde wieder in ein vorgelegte Medium eingetropft, das wieder aus 2,5°/oiger Natriumchloridlösung bestand und mit etwas Natronlauge auf pH 8,5 eingestellt war. Als Fällungsmittel wurde die gleiche Natronlaugelösung verwendet wie bei der ersten Fällung. Die Fällungstemperatur war wieder 90° C. Es wurden ungefähr 300 cm3 Platin-Palladiumchlorid-Lösung pro Stunde eingetropft und gleichzeitig so viel 0,1 η-Natronlauge, daß der pH-Wert8,5 konstant blieb. Die ganze Fällungsoperation nahm wieder 6V2 Stunden in Anspruch. Es wurde wieder ein leicht filtrierbarer, leicht absetzbarer Niederschlag erhalten, der durch Dekantieren und Filtrieren und anschließendes Waschen mit 1 %iger Natriumchloridlösung von pH 8,5 gereinigt wurde. Das Filtrat enthielt praktisch das gesamte Platin, das in an sich bekannter Weise durch Reduktionsmittel, z. B. metallisches Zinn, in elementarer Form ausgefällt werden kann. Das Ergebnis dieses Versuches ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt.Was locations of the precipitation vessel is added dropwise under stirring busiest, wherein strictly ensured that the p H -Wert7 has not been exceeded and entered no abrupt changes in the parameters. Around 150 ml of the chloride solution of the platinum metals were added dropwise per hour, so that the entire precipitation operation took about 6V2 hours. The amount of dropped aqueous sodium hydroxide solution was controlled not by rate measurement, but only by measurement of the p H -value in the precipitation vessel. The precipitate formed was easy strip and could be washed out 7 by decantation followed by filtration and washing with 1 ° / cent sodium chloride solution at p H. This precipitate contains the rhodium. The filtrate, which together accounted for with the washing water an amount of more than 21, was dropped again in a medium placed, which again consisted of 2.5 ° / cent sodium chloride solution and was adjusted with a little sodium hydroxide solution to p H 8.5. The same sodium hydroxide solution was used as the precipitant as in the first precipitation. The precipitation temperature was again 90 ° C. There were about 300 cm 3 platinum-palladium chloride solution was dropped per hour and at the same time so much η 0.1 sodium hydroxide solution in that the p H -Wert8,5 remained constant. The whole felling operation again took six and a half hours. It was re-obtain an easily filterable, easily deductible precipitate sodium by decanting and filtration and subsequent washing with 1% sodium chloride solution of p H was purified 8.5. The filtrate contained practically all of the platinum, which in a known manner by reducing agents such. B. metallic tin, can be precipitated in elemental form. The result of this experiment is summarized in the following table.
tionFrac
tion
glot
G
2
31
2
3
8,57.0
8.5
4,7
33,12.2
4.7
33.1
0,1% Palladium
99,96% Palladium,
0,04% Platin und Spuren
Rhodium
99,97% Platin und Spuren
Rhodium99.9% rhodium and about
0.1% palladium
99.96% palladium,
0.04% platinum and traces
Rhodium
99.97% platinum and traces
Rhodium
Ebenso effektvoll und einfach verläuft auch die Abtrennung des Iridiums.The separation of the iridium is just as effective and simple.
Auch die außerordentlichen technischen Schwierigkeiten bei der Trennung der Transurane können ebenso wie bei den seltenen Erden mittels der beschriebenen Trennmethode des »idealen homogenen Mediums« unter Erzielung hoher Trennfaktoren und hoher Reinheitsgrade überwunden werden. Schließ-Hch ergeben sich auch in der organischen Chemie in allen Fällen, bei denen eine fraktionierte Kristallisation zur Reindarstellung bestimmter Substanzen benutzt wird, durch das erfindungsgemäße Verfahren wesentliche Verbesserungen, z. B. bei der Trennung von Gemischen von Karbonsäuren, von kristallisierbaren Zuckern, Aminen, hochkondensierten Aromaten und ihren Derivaten usw.Also the extraordinary technical difficulties in the separation of the transuranic elements can just as with the rare earths by means of the described separation method of the »ideal homogeneous Medium «while achieving high separation factors and a high degree of purity. Closing Hch also arise in organic chemistry in all cases in which a fractional crystallization is used for the purification of certain substances by the method according to the invention significant improvements, e.g. B. in the separation of mixtures of carboxylic acids from crystallizable Sugars, amines, highly condensed aromatics and their derivatives, etc.
Kobalt-Nickel-Trennung durch Verdünnung von KomplexlösungenCobalt-nickel separation by diluting complex solutions
Aus einer Mischung von frisch gefälltem, nicht gealtertem Kobalt- und Nickeloxalat einer Zusammensetzung entsprechend 42,3 g Nickeloxyd und 47,7 g Kobaltoxyd wird durch Auflösen in etwa 31 lmolarer Aluminiumoxalsäurelösung eine stabile Lösung von komplexem Kobalt-Nickelaloxat erhalten. Durch langsames Hinzufügen von Wasser bei Zimmertemperatur unter intensivem Rühren wird die Zersetzung des Komplexes bewirkt. Dabei wird zuerst das weniger stabile Nickelaloxat unter Bildung von Nickeloxalat ausgefällt, während das stabilere Kobaltaloxat in Lösung bleibt. Bei sehr langsamem Arbeiten, ständigem Rühren und sorgfältiger Dosierung der zur Erreichung des optimalen Schwellenwertes notwendigen Wassermenge, die vorher durch Vorversuche festgestellt wird, ist die erste Fraktion aus praktisch kobaltfreiem Nickeloxalat zusammengesetzt. Man erhält so nach Zuführung von etwa 80 ml Wasser in 1 Stunde mehr als 90% des Nickels in der ersten Fraktion in kobaltfreiem Zustande.From a mixture of freshly precipitated, unaged cobalt and nickel oxalate in one composition corresponding to 42.3 g of nickel oxide and 47.7 g of cobalt oxide is obtained by dissolving in about 31 In a molar aluminum oxalic acid solution, a stable solution of complex cobalt-nickel aloxate can be obtained. By slowly adding water at room temperature while stirring vigorously, the Causes decomposition of the complex. The less stable nickel aloxate is formed first precipitated by nickel oxalate while the more stable cobalt aloxate remains in solution. At very slow speeds Working, constant stirring and careful dosing to achieve the optimal threshold value necessary amount of water, which is determined beforehand by preliminary tests, is the first fraction Composed of practically cobalt-free nickel oxalate. One obtains in this way after adding about 80 ml of water in 1 hour more than 90% of the nickel in the first fraction in a cobalt-free state.
Aus dem Filtrat wird durch langsame Zugabe von Wasser bis unmittelbar vor dem Einsetzen einer bemerkbaren Trübung eine zweite Fraktion ausgefällt, die das gesamte restliche Nickel mit einem Hauptanteil an Kobalt enthält. Im Filtrat befindet sich vollkommen nickelfreies Kobalt, das durch Oxalsäure als Kobaltoxalat ausgefällt wird. Die erzielten Ergebnisse sind in der nachfolgenden Übersicht zusammengefaßt. The filtrate becomes noticeable by the slow addition of water until just before the onset of a noticeable Turbidity precipitated a second fraction, which accounts for all of the remaining nickel with a major proportion contains cobalt. The filtrate contains completely nickel-free cobalt, which is produced by oxalic acid is precipitated as cobalt oxalate. The results obtained are summarized in the following overview.
3535
4040
45 Ausgangslösung45 starting solution
50 VoNi+ 50 VoCo50 VoNi + 50 VoCo
als Sulfateas sulfates
Fraktionfraction
2 32 3
Fällung im idealen homogenenPrecipitation in the ideal homogeneous
Medium MengeMedium amount
(Gramm Vo Ni Vo Co(Gram Vo Ni Vo Co
Oxyd)Oxide)
41,641.6
7,57.5
40,840.8
99,1299.12
9,449.44
0,874 90,60 99,440.874 90.60 99.44
Demgegenüber läßt sich nach der besten derzeit bekannten anorganischen Trennungsmethode, und zwar durch Fällung von Kobalt als basisches Kobältsulfat aus einer Kobalt-Nickelsulfat-Lösung 50 : 50 mit Ammoniak im günstigsten Falle erst nach der dritten Fraktion ein Reinheitsgrad des ausgefällten Kobalts von 98% erreichen, während das aus dem Filtrat gewonnene Nickel immer noch 2 bis 3% Kobalt enthält.In contrast, according to the best currently known inorganic separation method,, and by precipitating cobalt as basic cobalt sulphate from a cobalt-nickel sulphate solution 50:50 with ammonia in the best case only after the third fraction a degree of purity of the precipitated Cobalts of 98%, while the nickel recovered from the filtrate is still 2 to 3% Contains cobalt.
Claims (3)
Riesenfeld, Anorganisches chemisches Praktikum, 6. Auflage, 1925, S. 75;Considered publications:
Riesenfeld, Inorganisches Chemisches Praktikum, 6th edition, 1925, p. 75;
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