EA040373B1 - SEPARATION OF RARE EARTH METALS - Google Patents
SEPARATION OF RARE EARTH METALS Download PDFInfo
- Publication number
- EA040373B1 EA040373B1 EA201991422 EA040373B1 EA 040373 B1 EA040373 B1 EA 040373B1 EA 201991422 EA201991422 EA 201991422 EA 040373 B1 EA040373 B1 EA 040373B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- rare earth
- alkyl
- ionic liquid
- earth metal
- groups
- Prior art date
Links
Description
Изобретение относится к экстракции и разделению редкоземельных металлов. В частности, настоящее изобретение относится к экстракции и разделению редкоземельных металлов с применением специально разработанных ионных жидкостей.The invention relates to the extraction and separation of rare earth metals. In particular, the present invention relates to the extraction and separation of rare earth metals using specially designed ionic liquids.
Уровень техники настоящего изобретенияState of the art of the present invention
Редкоземельные металлы, которые включают лантаниды (от La до Lu), Y и Sc, имеют уникальные физико-химические свойства, которые делают их незаменимыми компонентами многочисленных высокотехнологичных изделий и благоприятных для окружающей среды технологий, включая ветроэнергетические установки, жидкокристаллические/светодиодные дисплеи, люминофоры, магнитные приводы (жесткие диски) и другие устройства. Для указанных приложений требуется непрерывная промышленная поставка высокочистых редкоземельных металлов, которую в настоящее время обеспечивает добыча и переработка природных руд указанных металлов. Однако существуют проблемы, заключающиеся в том, что экспоненциальное увеличение спроса на указанные металлы будет опережать их поставку в ближайшие годы, и, таким образом, становится привлекательной разработка других вторичных источников указанных ценных металлов. Один такой источник представляет собой регенерацию редкоземельных металлов из отслуживших свой срок изделий и производственных отходов (часто называемую термином добыча в городских условиях), которая, хотя и является весьма проблематичной, может потенциально обеспечивать непрерывную поставку редкоземельных металлов. Одно из наиболее важный требований добычи в городских условиях представляет собой развитие экономичных и надежных разделительных процессов/технологий, которые обеспечивают селективное и эффективное отделение редкоземельных металлов друг от друга (внутригрупповое разделение) для получения высокочистых редкоземельных металлов.Rare earth metals, which include the lanthanides (La to Lu), Y, and Sc, have unique physical and chemical properties that make them indispensable components of numerous high-tech products and environmentally friendly technologies, including wind turbines, liquid crystal/LED displays, phosphors, magnetic drives (hard drives) and other devices. These applications require a continuous industrial supply of high purity rare earth metals, which is currently provided by the extraction and processing of natural ores of these metals. However, there are problems that the exponential increase in demand for these metals will outpace their supply in the coming years, and thus the development of other secondary sources of these valuable metals becomes attractive. One such source is the recovery of rare earths from end-of-life products and industrial waste (often referred to as urban mining), which, although highly problematic, has the potential to provide a continuous supply of rare earths. One of the most important demands of urban mining is the development of economical and reliable separation processes/technologies that provide selective and efficient separation of rare earth metals from each other (intra-group separation) to produce high purity rare earth metals.
В течение последних пяти десятилетий были разработаны разнообразные процессы, такие как жидкость-жидкостная экстракция (например, процесс Rhone-Poulenc), ионный обмен, и осаждение. Оказалось, что среди разнообразных доступных технологий жидкость-жидкостная экстракция представляет собой наиболее подходящий промышленный процесс вследствие своей масштабируемости, приспособляемости и регенерируемости. Кроме того, в применяемых до настоящего времени процессах жидкостьжидкостной экстракции использовали промышленные фосфорорганические экстрагенты, которые не обладают специфической селективностью в отношении индивидуальных редкоземельных металлов, что приводит к ряду стадий отделения редкоземельных металлов друг от друга (см. табл. 1). Кроме того, обычно требуются дополнительные технологические стадии для получения редкоземельного металла высокой чистоты. Указанные факторы приводят к многократному увеличению расходов на переработку, что ложится бременем на общую себестоимость потребительских изделий. Кроме того, в большинстве применяемых способов разделения редкоземельных металлов обязательно используют органические растворители, которые вследствие своей токсичности, летучести и воспламеняемости не считаются благоприятными для окружающей среды.During the last five decades, a variety of processes have been developed such as liquid-liquid extraction (eg the Rhone-Poulenc process), ion exchange, and precipitation. Among the variety of available technologies, liquid-liquid extraction has proven to be the most suitable industrial process due to its scalability, adaptability and regenerability. In addition, industrial liquid-liquid extraction processes used to date have used industrial organophosphorus extractants, which do not have specific selectivity for individual rare earth metals, which leads to a number of stages of separation of rare earth metals from each other (see Table 1). In addition, additional processing steps are usually required to produce a high purity rare earth metal. These factors lead to a multiple increase in processing costs, which puts a burden on the overall cost of consumer products. In addition, in most of the methods used for the separation of rare earth metals, organic solvents are necessarily used, which, due to their toxicity, volatility and flammability, are not considered environmentally friendly.
В табл. 1 сопоставлены некоторые из используемых в настоящее время промышленных процессов жидкость-жидкостной экстракции, которые доступны для внутригруппового разделения редкоземельных металлов (например, для отделения диспрозия от неодима).In table. 1 compares some of the currently used industrial liquid-liquid extraction processes that are available for in-group separation of rare earth metals (for example, to separate dysprosium from neodymium).
Коэффициент разделения для пары индивидуальных редкоземельных металлов выражают как соотношение коэффициентов распределения (DM) редкоземельных металлов, где коэффициент распределения индивидуального редкоземельного металла определяют как соотношение его концентраций в неводной фазе и в водной фазе, т.е. DM=[M]N-Aq/[M]Aq. Например, коэффициент разделения диспрозия по отношению к неодиму составляет DDy/DNd.The partition coefficient for a pair of individual rare earth metals is expressed as the ratio of distribution coefficients (DM) of rare earth metals, where the partition coefficient of an individual rare earth metal is defined as the ratio of its concentrations in the non-aqueous phase and in the aqueous phase, i.e. DM=[M] N-Aq /[M] Aq . For example, the separation factor of dysprosium with respect to neodymium is D Dy /D Nd .
Таблица 1. Сравнение коэффициентов разделения обычно используемых экстрагентов редкоземельных металловTable 1. Comparison of separation factors of commonly used extractants of rare earth metals
Жидкость- Основной компонент Коэффициент Литература жидкостная экстракцияLiquid-Main Component Coefficient Literature liquid extraction
Процесс Бис(2-этилгексил)фосфорнаяBis(2-ethylhexyl)phosphoric process
HDEHP кислотаHDEHP acid
Процесс Бис(2,4,4Суапех 272 триметилпентил)фосфиновая кислотаProcess Bis(2,4,4Cyapex 272 trimethylpentyl)phosphinic acid
Процесс Бис(2,4,4-триметилпентил)Суапех 302 монотиофосфиновая кислотаProcess Bis(2,4,4-trimethylpentyl)Suapeh 302 monothiophosphinic acid
Процесс Моно-2-этилгексиловый эф] разделенияMono-2-ethylhexyl eff] separation process
41,5 (Dy/Nd) С. К. Gupta, N. Krishnamurthy, Extractive Metallurgy of Rare Earths, CRC, New York, 2005, pp. 1-484.41.5 (Dy/Nd) S. K. Gupta, N. Krishnamurthy, Extractive Metallurgy of Rare Earths, CRC, New York, 2005, pp. 1-484.
1,36 (Dy/Nd) B. Swain, E.O. Otu, Separation and Purification Technology, 83, (2011), 82-90.1.36 (Dy/Nd) B. Swain, E.O. Otu, Separation and Purification Technology, 83, (2011), 82-90.
239,3 (Dy/Nd) M. Yuan, A. Luo, D. Li, Acta Metall. Sin. 1995, 8, 10-14.239.3 (Dy/Nd) M. Yuan, A. Luo, D. Li, Acta Metall. sin. 1995, 8, 10-14.
. 1,17 (Dy/Nd) N. Song, S. Tong, W. Liu, Q. Jia,. 1.17 (Dy/Nd) N. Song, S. Tong, W. Liu, Q. Jia,
Synergist 2-этилгексилфосфоновой кислоты;Synergist 2-ethylhexylphosphonic acid;
W. Zhoua, W. Liaob, J. Chem. Technol. Biotechnol., 2009, 84, втор-нонилфеноксиуксусная 1798-1802.W. Zhoua, W. Liaob, J. Chem. Technol. Biotechnol., 2009, 84, sec-nonylphenoxyacetic 1798-1802.
кислотаacid
- 1 040373- 1 040373
Еще один из наиболее часто используемых фосфорорганических экстрагентов представляет собой моно-2-этилгексиловый эфир 2-этилгексилфосфорной кислоты (Р507), который также обеспечивает низкие коэффициенты разделения, причем селективность в отношении тяжелых редкоземельных металлов обычно оказывается ниже, чем для легких редкоземельных металлов (например, Tm/Er (3,34), Yb/Tm (3,56) и Lu/Yb (1,78)). Другой значительный недостаток многих распространенных экстрагентов редкоземельных металлов, таких как Р507, заключается в том, что оказывается затруднительной полная очистка тяжелых редкоземельных металлов, в частности Tm(III), Yb(III) и Lu(III), даже при повышенной кислотности. Низкая селективность в отношении редкоземельных металлов приводит к чрезмерно большому числу стадий, требуемых для эффективного разделения, причем вследствие низкой экстрагируемости редкоземельных металлов требуется применение экстрагента в повышенных концентрациях. Для получения фосфорорганических экстрагентов также требуются сложные процедуры синтеза, использующие опасные исходные материалы, причем указанные экстрагенты имеют ограниченную устойчивость и регенерируемость. Еще одну общую проблему представляют собой эмульгирование и выщелачивание экстрагентов.Another of the most commonly used organophosphorus extractants is 2-ethylhexylphosphoric acid mono-2-ethylhexyl ester (P507), which also provides low separation factors, with selectivity for heavy rare earth metals generally being lower than for light rare earth metals (e.g. Tm/Er (3.34), Yb/Tm (3.56) and Lu/Yb (1.78)). Another significant disadvantage of many common rare earth extractants, such as P507, is that it is difficult to completely purify the heavy rare earth metals, in particular Tm(III), Yb(III) and Lu(III), even at elevated acidity. The low selectivity for rare earths leads to an excessively large number of steps required for efficient separation, and due to the low extractability of rare earths, the use of an extractant at higher concentrations is required. The production of organophosphorus extractants also requires complex synthetic procedures using hazardous starting materials, and said extractants have limited stability and regenerability. Another common problem is the emulsification and leaching of extractants.
В работе Fryxell et al. (Inorganic Chemistry Communications, 2011, 14, 971-974) для разделения лантанидов предложен хелатообразующий диамидный экстрагент, прикрепленный к подложке из диоксида кремния. Однако эта система оказалась непригодной для экстракции редкоземельных металлов в кислой среде (pH<5) и, что особенно важно, проявляла очень низкие коэффициенты поглощения разделения редкоземельных металлов.Fryxell et al. (Inorganic Chemistry Communications, 2011, 14, 971-974) a chelating diamide extractant attached to a silica support has been proposed for separating lanthanides. However, this system proved unsuitable for the extraction of rare earth metals in an acidic environment (pH<5) and, most importantly, exhibited very low absorption coefficients for the separation of rare earth metals.
Ионные жидкости также были использованы в качестве потенциальных экстрагентов для редкоземельных металлов. В работах Binnemans et al. (Green Chemistry, 2015, 17, 2150-2163; Green Chemistry, 2015, 17, 856-868) описана экстракция Nd и Dy или Y и Eu из смесей соединений переходных металлов ионной жидкостью на основе бетаина бис(трифторметилсульфонил)имида. Однако эта система оказалась непригодной для осуществления селективного внутригруппового разделения редкоземельных металлов.Ionic liquids have also been used as potential extractants for rare earth metals. In the works of Binnemans et al. (Green Chemistry, 2015, 17, 2150-2163; Green Chemistry, 2015, 17, 856-868) describes the extraction of Nd and Dy or Y and Eu from mixtures of transition metal compounds with an ionic liquid based on betaine bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. However, this system turned out to be unsuitable for the selective intragroup separation of rare earth metals.
В работе Chai et al. (Hydrometallurgy, 2015, 157(C), 256-260) описано применение ионной жидкости на основе моно-2-этилгексилового эфира 2-этилгексилфосфоновой кислоты (Р507) с катионом триоктилметиламмония для разделения редкоземельных металлов. В этом случае наблюдали только низкие коэффициенты распределения и коэффициенты разделения, показывающие недостаточную экстрагируемость и селективность. Кроме того, в процессе извлечения редкоземельного металла из ионной жидкости добавляемая кислота будет разлагать ионную жидкость на основе пары кислоты и основания, которая затем должна быть регенерирована посредством реакции обмена.Chai et al. (Hydrometallurgy, 2015, 157(C), 256-260) describes the use of an ionic liquid based on 2-ethylhexylphosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester (P507) with a trioctylmethylammonium cation for the separation of rare earth metals. In this case, only low partition coefficients and partition coefficients were observed, indicating insufficient extractability and selectivity. In addition, in the process of extracting the rare earth metal from the ionic liquid, the added acid will decompose the ionic liquid based on the acid and base pair, which must then be regenerated through an exchange reaction.
В работе Schelter et al. описано разделение Nd и Dy, причем это разделение было достигнуто посредством осаждения с применением трехпозиционного нитроксидного лиганда, образующего комплексы Nd и Dy, имеющие различные растворимости в бензоле. Однако осаждение не считают промышленно применимым процессом, и, кроме того, для этого процесса требуется применение конкретных предшественников редкоземельных металлов и инертной безводной среды, что является в значительной степени непрактичным в промышленном масштабе. Для достижения высокой степени разделения этим способом также требуется применение бензола, который представляет собой весьма токсичный растворитель.Schelter et al. describes the separation of Nd and Dy, and this separation was achieved by precipitation using a three-position nitroxide ligand, forming complexes of Nd and Dy having different solubilities in benzene. However, precipitation is not considered an industrially applicable process, and furthermore, this process requires the use of specific rare earth metal precursors and an inert anhydrous environment, which is largely impractical on an industrial scale. This method also requires the use of benzene, which is a highly toxic solvent, to achieve a high degree of separation.
Таким образом, необходима разработка эффективных способов, которые повышают селективность разделения и экстрагируемость, при этом сокращая до минимума загрязнение окружающей среды.Thus, there is a need to develop efficient methods that increase separation selectivity and extractability while minimizing environmental pollution.
Посредством применения ионной жидкости, содержащей катион, имеющий конкретные свойства, было обнаружено, что редкоземельные металлы могут быть экстрагированы и отделены друг от друга с повышенной селективностью и экстрагируемостью по сравнению с известными способами с применением различных экстрагентов. Поскольку в способе применяют ионную жидкость, экстрагент может также обеспечивать пониженную летучесть и воспламеняемость, потенциально приводя к более безопасной и более благоприятной для окружающей среды экстракции редкоземельных металловBy using an ionic liquid containing a cation having specific properties, it has been found that rare earth metals can be extracted and separated from each other with increased selectivity and extractability compared to known methods using various extractants. Because the process uses an ionic liquid, the extractant may also provide reduced volatility and flammability, potentially leading to safer and more environmentally friendly extraction of rare earth metals.
Таким образом, согласно первому аспекту настоящее изобретение предлагает способ экстракции редкоземельного металла из смеси одного или нескольких редкоземельных металлов, причем указанный способ включает введение в контакт кислого раствора редкоземельного металла с композицией, которая содержит ионную жидкость, с образованием водной фазы и неводной фазы, в которую селективно экстрагируют редкоземельный металл, причем ионная жидкость имеет формулу [Cat+][X-], в которой:Thus, according to a first aspect, the present invention provides a method for extracting a rare earth metal from a mixture of one or more rare earth metals, said method comprising contacting an acidic solution of the rare earth metal with a composition that contains an ionic liquid to form an aqueous phase and a non-aqueous phase into which the rare earth metal is selectively extracted, and the ionic liquid has the formula [Cat + ][X - ], in which:
[Cat+] представляет собой катионную частицу, имеющую структуру:[Cat + ] is a cationic particle having the structure:
где [Y+] содержит группу, выбранную из групп аммония, бензимидазолия, бензофурания, бензотиофения, бензотриазолия, боролия, циннолиния, диазабициклодецения, диазабициклононения, 1,4диазабицикло[2.2.2]октания, диазабициклоундецецения, дитиазолия, фурания, гуанидиния, имидазолия, индазолия, индолиния, индолия, морфолиния, оксаборолия, оксафосфолия, оксазиния, оксазолия, изоокwhere [Y + ] contains a group selected from ammonium, benzimidazolium, benzofuranium, benzothiophenium, benzotriazolium, borolium, cinnolinium, diazabicyclodecenium, diazabicyclononenium, 1,4diazabicyclo[2.2.2]octanium, diazabicycloundecenium, dithiazolium, furanium, guanidinium, imidazolium, indazolium groups , indolinium, indolium, morpholine, oxaborolium, oxaphospholium, oxazinium, oxazolium, isooc
- 2 040373 сазолия, оксотиазолия, фосфолия, фосфония, фталазиния, пиперазиния, пиперидиния, пирания, пиразиния, пиразолия, пиридазиния, пиридиния, пиримидиния, пирролидиния, пирролия, хиназолиния, хинолиния, изохинолиния, хиноксалиния, хинуклидиния, селеназолия, сульфония, тетразолия, тиадиазолия, изотиадиазолия, тиазиния, тиазолия, изотиазолия, тиофения, тиурония, триазиния, триазолия, изотриазолия и урония;- 2 040373 sazolium, oxothiazolium, phospholium, phosphonium, phthalazinium, piperazinium, piperidinium, piranium, pyrazinium, pyrazolium, pyridazinium, pyridinium, pyrimidinium, pyrrolidinium, pyrrolium, quinazolinium, quinoline, isoquinoline, quinoxalinium, quinazolinium, quinuclidinium , isothiadiazolium, thiazinium, thiazolium, isothiazolium, thiophenium, thiuronium, triazinium, triazolium, isotriazolium and uronium;
каждая EDG представляет собой электронодонорную группу; иeach EDG is an electron donating group; And
L1 представляет собой соединительную группу, выбранную из C1.10алкандиильных, С2_10алкендиильных, C1.10guαлkαнuлэфuрных и C1.10диалканилкетонных групп;L1 is a connecting group selected from C 1 . 10 alkanediyl, C 2 _ 10 alkenediyl, C 1 . 10 guαlkαnilefer and C 1 . 10 dialkanylketone groups;
каждая L2 представляет собой соединительную группу, независимо выбранную из C1.2aлкандиильных, C2-алкендиильных, C1.2диалканилэфирных и C1.2диалканилкетонных групп; иeach L2 is a connecting group independently selected from C 1 . 2 alkandiyl, C 2 -alkenediyl, C 1 . 2 dialkanylether and C 1 . 2 dialkanylketone groups; And
[X-] представляет собой анионную частицу.[X - ] is an anionic species.
Термин ионная жидкость при использовании в настоящем документе означает жидкость, которая может быть получена посредством плавления соли, и при получении таким способом она состоит исключительно из ионов. Ионная жидкость может быть получена из гомогенного вещества, содержащего катионы одного типа и анионы одного типа, или в ней могут присутствовать катионы более чем одного типа и/или анионы более чем одного типа. Таким образом, ионную жидкость могут составлять катионы более чем одного типа и анионы одного типа. Кроме того, ионную жидкость могут составлять катионы одного типа и анионы одного или нескольких типов. Кроме того, ионную жидкость могут составлять катионы более чем одного типа катион и анионы более чем одного типа.The term ionic liquid as used herein means a liquid that can be obtained by melting a salt, and when obtained in this way, it consists solely of ions. The ionic liquid may be formed from a homogeneous substance containing one type of cations and one type of anions, or it may contain more than one type of cations and/or more than one type of anions. Thus, an ionic liquid can be composed of more than one type of cation and one type of anion. In addition, the ionic liquid can be one type of cations and one or more types of anions. In addition, more than one type of cation and more than one type of anion may constitute an ionic liquid.
Термин ионная жидкость охватывает соединения, имеющие высокие температуры плавления, и соединения, имеющие низкие температуры плавления, например, на уровне или ниже комнатной температуры. Таким образом, многие ионные жидкости имеют температуры плавления ниже 200°C, в частности, ниже 100°C, около комнатной температуры (от 15 до 30°C) или даже ниже 0°C. Ионные жидкости, имеющие температуры плавления ниже приблизительно 30°C, обычно называют термином ионные жидкости комнатной температуры и часто получают из органических солей, имеющих азотсодержащие гетероциклические катионы. В ионных жидкостях комнатной температуры структуры катиона и аниона предотвращают образование упорядоченной кристаллической структуры, и, таким образом, соль является жидкой при комнатной температуре.The term ionic liquid encompasses compounds having high melting points and compounds having low melting points, such as at or below room temperature. Thus, many ionic liquids have melting points below 200°C, in particular below 100°C, around room temperature (15 to 30°C) or even below 0°C. Ionic liquids having melting points below about 30° C. are commonly referred to by the term room temperature ionic liquids and are often prepared from organic salts having nitrogen-containing heterocyclic cations. In room temperature ionic liquids, the structures of the cation and anion prevent the formation of an ordered crystal structure, and thus the salt is liquid at room temperature.
Ионные жидкости наиболее широко известны в качестве растворителей. Показано, что многие ионные жидкости имеют низкое давление пара, низкую термическую устойчивость, воспламеняемость и регенерируемость. Вследствие огромного числа доступных сочетаний анионов и катионов оказывается возможным тонкое регулирование физических свойств ионной жидкости (например, температуры плавления, плотности, вязкости и смешиваемости с водой или органическими растворителями) для выполнения требований конкретного применения.Ionic liquids are most commonly known as solvents. It has been shown that many ionic liquids have low vapor pressure, low thermal stability, flammability, and regenerability. Due to the vast number of combinations of anions and cations available, it is possible to fine-tune the physical properties of the ionic liquid (eg, melting point, density, viscosity, and miscibility with water or organic solvents) to meet the requirements of a particular application.
Как правило, когда редкоземельные металлы экстрагируют из источников, таких как руды или отходы, получаемый в результате продукт представляет собой смесь редкоземельных металлов, растворенных в водном кислом растворе. В способе согласно настоящему изобретению редкоземельные металлы могут быть селективно экстрагированы непосредственно из водного кислого исходного материала, исключая необходимость осуществления значительной обработки исходного материала перед экстракцией.Typically, when rare earth metals are extracted from sources such as ores or waste, the resulting product is a mixture of rare earth metals dissolved in an aqueous acidic solution. In the method according to the present invention, rare earth metals can be selectively extracted directly from an aqueous acidic source material, eliminating the need for significant processing of the source material before extraction.
Следует понимать, что в целях образования водной фазы и неводной фазы при введении в контакт с кислым раствором композиция, содержащая ионную жидкость, должна быть достаточно гидрофобной, таким образом, чтобы происходило разделение фаз водного раствора и композиции.It should be understood that in order to form an aqueous phase and a non-aqueous phase when contacted with an acidic solution, the composition containing the ionic liquid must be sufficiently hydrophobic such that phase separation of the aqueous solution and the composition occurs.
Посредством применения композиции, содержащей ионную жидкость, определенную согласно первому аспекту, неожиданно было обнаружено, что повышенная селективность и экстрагируемость могут быть получены при экстракции редкоземельных металлов из кислого раствора. Сочетание высокой экстрагируемости (определяемой коэффициентом распределения) и селективности (определяемой коэффициентами разделения) представляет собой ключ к эффективному в промышленном масштабе процессу разделения, потому что число стадий разделения, необходимых для получения продукта, может быть сокращено без ущерба для чистоты. Например, в способе согласно настоящему изобретению смеси диспрозия и неодима могут быть разделены при селективности (коэффициенте разделения) выше 1000:1 при однократном контакте. Это представляет собой существенное улучшение по сравнению с известными системами, которые описаны в табл. 1.By using a composition containing an ionic liquid defined according to the first aspect, it has surprisingly been found that increased selectivity and extractability can be obtained by extracting rare earth metals from an acidic solution. The combination of high extractability (determined by Partition Ratio) and selectivity (determined by Partition Factors) is the key to a commercially efficient separation process because the number of separation steps required to obtain a product can be reduced without sacrificing purity. For example, in the process of the present invention, mixtures of dysprosium and neodymium can be separated at a selectivity (partition ratio) of greater than 1000:1 with a single contact. This represents a significant improvement over known systems, which are described in table. 1.
Без намерения ограничения какой-либо определенной теорией авторы считают, что присутствие центрального донорного атома азота в ионной жидкости обуславливает различные прочности связывания различных редкоземельных металлов в результате различных ионных радиусов вследствие лантанидного сжатия. Таким образом, некоторые редкоземельные металлы предпочтительно связываются экстрагентом, представляющим собой гидрофобную ионную жидкость, что приводит к эффективному внутригрупповому разделению редкоземельных металлов. Считают, что конфигурация этого переменного связывания азотом, составляющим часть ионной жидкости, обеспечивает особенно эффективную экстракцию редкоземельных металлов, описанную в настоящем документе. Тем не менее, следует понимать, что ионная жидкость, содержащая донорный атом азота, чтобы осуществлять разделение различных редкоземельных металлов, должна содержать дополнительные электронодонорные группы, вводимые в целяхWithout intending to be bound by any particular theory, the authors believe that the presence of a central donor nitrogen atom in the ionic liquid causes different binding strengths of different rare earth metals as a result of different ionic radii due to lanthanide contraction. Thus, some rare earth metals are preferentially bound by the hydrophobic ionic liquid extractant, resulting in efficient in-group separation of the rare earth metals. The configuration of this variable nitrogen binding as part of the ionic liquid is believed to provide the particularly efficient rare earth extraction described herein. However, it should be understood that an ionic liquid containing a nitrogen atom donor, in order to carry out the separation of various rare earth metals, must contain additional electron donor groups introduced in order to
- 3 040373 обеспечения достаточной экстрагируемости.- 3 040373 ensuring sufficient extractability.
Предпочтительно способ дополнительно включает извлечение редкоземельного металла из неводной фазы. Это извлечение может быть осуществлено с применением любых подходящих средств, однако оказывается предпочтительным, что редкоземельный металл извлекают из неводной фазы посредством промывания кислым промывочным раствором.Preferably, the method further comprises recovering the rare earth metal from the non-aqueous phase. This recovery may be carried out using any suitable means, however, it is preferred that the rare earth metal is recovered from the non-aqueous phase by washing with an acid wash solution.
Следует понимать, что кислый промывочный раствор может представлять собой любой кислый раствор, который высвобождает редкоземельный металл из ионной жидкости. Согласно большинству вариантов осуществления кислый промывочный раствор представляет собой водный кислый промывочный раствор, и кислота будет практически оставаться в водной фазе в контакте с ионной жидкостью. Предпочтительно кислый промывочный раствор содержит водный раствор хлористоводородной кислоты или азотной кислоты.It should be understood that the acidic wash solution can be any acidic solution that releases the rare earth metal from the ionic liquid. In most embodiments, the acid wash is an aqueous acid wash and the acid will substantially remain in the aqueous phase in contact with the ionic liquid. Preferably, the acid wash solution contains an aqueous solution of hydrochloric acid or nitric acid.
Промывание редкоземельного металла может быть осуществлено любым подходящим способом. Предпочтительно ионную жидкость вводят в контакт с кислым промывочным раствором в течение двух или более циклов промывания, чтобы полностью очистить редкоземельный металл, предпочтительнее осуществляют 2 или 3 цикла промывания. Согласно некоторым вариантам осуществления может быть использован единственный цикл промывания. Термин цикл промывания, который использован в настоящем документе, как правило, включает введение в контакт кислого промывочного раствора с композицией, достижение равновесия в течение некоторого промежутка времени, составляющего, например, от 15 до 30 минут, и разделение водной и органической фаз. Второй цикл может быть осуществлен посредством введения в контакт композиции с другим кислым промывочным раствором, в котором практически отсутствуют редкоземельные металлы.Washing of the rare earth metal can be carried out by any suitable method. Preferably, the ionic liquid is contacted with an acidic wash solution for two or more wash cycles to completely purify the rare earth metal, preferably 2 or 3 wash cycles. In some embodiments, a single wash cycle may be used. The term wash cycle as used herein typically includes contacting an acidic wash solution with the composition, reaching equilibrium over a period of time, such as 15 to 30 minutes, and separating the aqueous and organic phases. The second cycle can be carried out by contacting the composition with another acidic wash solution that is substantially free of rare earths.
Одно преимущество ионной жидкости в качестве экстрагента, который описан в отношении первого аспекта, заключается в том, что редкоземельный металл может быть очищен от ионной жидкости при относительно высоком значении pH. Это сокращает расходы, связанные с количеством и силой кислоты, необходимой для очистки редкоземельных металлов от ионной жидкости, и оборудованием, необходимым для содержания таких сильных кислот. Кроме того, оказывается возможной полная очистка редкоземельных металлов от ионной жидкости при относительно высоком значении pH, в то время как в случае многих известных экстрагентов, таких как Р507, полная очистка тяжелых редкоземельных металлов (например, Tm(III), Yb(III), Lu(III)) является затруднительной даже при низком значении pH.One advantage of the ionic liquid as an extractant, as described in relation to the first aspect, is that the rare earth metal can be purified from the ionic liquid at a relatively high pH. This reduces the cost associated with the amount and strength of acid required to purify the rare earth metals from the ionic liquid and the equipment required to contain such strong acids. In addition, complete purification of rare earth metals from the ionic liquid at a relatively high pH is possible, while in the case of many known extractants, such as P507, complete purification of heavy rare earth metals (for example, Tm(III), Yb(III), Lu(III)) is difficult even at low pH.
Таким образом, кислый промывочный раствор предпочтительно имеет значение pH, составляющее 0 или более. Согласно предпочтительным вариантам осуществления кислый промывочный раствор имеет значение pH, составляющее 1 или менее.Thus, the acid wash solution preferably has a pH value of 0 or more. In preferred embodiments, the acidic wash solution has a pH value of 1 or less.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления способ включает экстракцию редкоземельного металла из смеси двух или более редкоземельных металлов. Предпочтительно кислый раствор содержит первый и второй редкоземельный металл, и способ включает:According to preferred embodiments, the method includes extracting a rare earth metal from a mixture of two or more rare earth metals. Preferably, the acidic solution contains the first and second rare earth metal, and the method includes:
(a) предпочтительное выделение первого редкоземельного металла в неводную фазу.(a) preferably separating the first rare earth metal into a non-aqueous phase.
Предпочтительно, способ дополнительно включает на стадии (а) отделение неводной фазы от кислого раствора; и (b) введение в контакт кислого раствора, обедненного первым редкоземельным металлом, с композицией, которая содержит ионную жидкость, и необязательное извлечение из нее второго редкоземельного металла.Preferably, the method further comprises in step (a) separating the non-aqueous phase from the acidic solution; and (b) contacting an acidic solution depleted of the first rare earth metal with the composition containing the ionic liquid and optionally recovering the second rare earth metal therefrom.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления первый редкоземельный металл извлекают из неводной фазы на стадии (а), и вышеупомянутую неводную фазу возвращают и используют в качестве композиции на стадии (b).In some preferred embodiments, the first rare earth metal is recovered from the non-aqueous phase in step (a), and the aforementioned non-aqueous phase is recycled and used as the composition in step (b).
Следует понимать, что поскольку экстрагируемость (коэффициент распределения) для конкретного редкоземельного металла изменяется в зависимости от pH, может оказаться предпочтительной экстракция различных редкоземельных металлов при различных значениях pH. Например, кислый раствор может иметь меньшее значение pH на стадии (а) по сравнению со значением pH на стадии (b). Предпочтительно кислый раствор имеет значение pH, составляющее менее чем 3,5 на стадии (а), и кислый раствор имеет значение pH, составляющее более чем 3,5 на стадии (b). Как правило, при определенном значении pH осуществляют 2 или 3 цикла экстракции. Хотя представленный выше вариант осуществления описывает экстракцию только при двух различных значениях pH, следует понимать, что разделение редкоземельных металлов обычно осуществляют в диапазоне значений pH с постепенным увеличением pH на множестве стадий экстракции. Например, когда разделяют три или более редкоземельных металлов, несколько стадий разделения могут быть осуществлены в определенном диапазоне pH, например, от 1 до 4.It should be understood that since the extractability (partition coefficient) for a particular rare earth metal varies with pH, it may be preferable to extract different rare earth metals at different pH values. For example, an acidic solution may have a lower pH in step (a) than in step (b). Preferably the acidic solution has a pH value of less than 3.5 in step (a) and the acidic solution has a pH value of more than 3.5 in step (b). As a rule, 2 or 3 extraction cycles are carried out at a certain pH value. Although the above embodiment only describes extraction at two different pH values, it should be understood that the separation of rare earth metals is generally carried out over a range of pH values with a gradual increase in pH over a plurality of extraction steps. For example, when separating three or more rare earth metals, multiple separation steps can be performed in a specific pH range, such as 1 to 4.
Кислый раствор, из которого экстрагируют редкоземельный металл, может иметь любое подходящее значение pH. Предпочтительно редкоземельный металл экстрагируют при значении pH, составляющем более чем 1, предпочтительнее при значении pH, составляющем от 2 до 4.The acidic solution from which the rare earth metal is extracted may have any suitable pH value. Preferably, the rare earth metal is extracted at a pH greater than 1, more preferably at a pH of 2 to 4.
Уровень pH кислого раствора редкоземельного металла можно регулировать любым подходящим способом, который хорошо известен специалистам в данной области техники. Например, уровень pH кислого раствора может быть изменен посредством добавления нейтрализаторов кислоты, таких как умеренно щелочные растворы, содержащие карбонат натрия, бикарбонат натрия, аммиак, CO2, аминыThe pH of the acidic solution of the rare earth metal can be adjusted in any suitable manner, which is well known to those skilled in the art. For example, the pH of an acidic solution can be changed by adding acid neutralizers such as mildly alkaline solutions containing sodium carbonate, sodium bicarbonate, ammonia, CO 2 , amines.
- 4 040373 или спирты.- 4 040373 or alcohols.
Представленные выше варианты осуществления предусматривают отделение конкретного редкоземельного металла от другого редкоземельного металла непосредственно из кислого раствора редкоземельного металла при переменных уровнях pH. Однако следует понимать, что для разделения редкоземельных металлов может быть использована любая подходящая последовательность экстракции. Например, два или более редкоземельных металлов можно одновременно экстрагировать из кислого раствора в неводную фазу при повышенном значении pH с последующей обратной экстракцией из неводной фазы кислыми растворами, имеющими меньшее значение pH, чтобы разделить индивидуальные редкоземельные металлы. Таким образом, все или только некоторые редкоземельных металлов, которые присутствуют в кислом растворе, могут быть первоначально экстрагированы из кислого раствора с применением композиции, содержащей ионную жидкость.The above embodiments involve separating a particular rare earth metal from another rare earth metal directly from an acidic solution of the rare earth metal at varying pH levels. However, it should be understood that any suitable extraction sequence may be used to separate the rare earth metals. For example, two or more rare earth metals can be simultaneously extracted from an acidic solution into a non-aqueous phase at elevated pH, followed by back extraction from the nonaqueous phase with acidic solutions having a lower pH to separate the individual rare earth metals. Thus, all or only some of the rare earth metals that are present in the acidic solution may be initially extracted from the acidic solution using an ionic liquid containing composition.
Следует понимать, что разделение определенных пар редкоземельных металлов имеет особое значение вследствие их одновременного извлечения из ценных отходов. Например, Nd и Dy широко применяют в постоянных магнитах для многочисленных приложений, таких как жесткие диски, сканеры МРТ, электрические моторы и генераторы. Важную пару также составляют La и Eu вследствие своего общего применения в люминесцентных лампах, другие люминофоры содержат Y и Eu (люминофоры YOX); La, Ce и Tb (люминофоры LAP); Gd, Ce и Tb (люминофоры СВТ); Ce и Tb (люминофоры CAT).It should be understood that the separation of certain pairs of rare earth metals is of particular importance due to their simultaneous recovery from valuable waste. For example, Nd and Dy are widely used in permanent magnets for numerous applications such as hard drives, MRI scanners, electric motors and generators. La and Eu are also an important pair due to their common use in fluorescent lamps, other phosphors contain Y and Eu (YOX phosphors); La, Ce and Tb (LAP phosphors); Gd, Ce and Tb (CBT phosphors); Ce and Tb (CAT phosphors).
Таким образом, согласно предпочтительным вариантам осуществления первый редкоземельный металл представляет собой диспрозий, и второй редкоземельный металл представляет собой неодим. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления первый редкоземельный металл представляет собой лантан, и второй редкоземельный металл представляет собой европий. Согласно следующим предпочтительным вариантам осуществления первый редкоземельный металл представляет собой тербий, и второй редкоземельный металл представляет собой церий.Thus, in preferred embodiments, the first rare earth metal is dysprosium and the second rare earth metal is neodymium. According to other preferred embodiments, the first rare earth metal is lanthanum and the second rare earth metal is europium. According to further preferred embodiments, the first rare earth metal is terbium and the second rare earth metal is cerium.
Композиция может быть введена в контакт с кислым раствором любым подходящим способом и в любом подходящем соотношении, таким образом, что между водной и неводной фазами осуществляется обмен редкоземельных металлов.The composition may be contacted with the acidic solution in any suitable manner and in any suitable ratio such that rare earths are exchanged between the aqueous and non-aqueous phases.
Композицию предпочтительно добавляют в кислый раствор в объемном соотношении, составляющем от 0,5:1 до 2:1, предпочтительно 0,7:1 до 1,5:1, предпочтительнее 0,8:1 до 1,2:1, например, 1:1. Тем не менее, следует понимать, что объемное соотношение будет изменяться в зависимости от способа введения кислого раствора в контакт с композицией, содержащей ионную жидкость.The composition is preferably added to the acidic solution in a volume ratio of 0.5:1 to 2:1, preferably 0.7:1 to 1.5:1, more preferably 0.8:1 to 1.2:1, for example, 1:1. However, it should be understood that the volume ratio will vary depending on the method of bringing the acidic solution into contact with the composition containing the ionic liquid.
Предпочтительно перед введением в контакт композиции с кислым раствором редкоземельного металла композицию выдерживают до достижения равновесия с кислым раствором, имеющим такое же значение pH, как кислый раствор редкоземельного металла. Таким образом, смесь композиции и кислого раствора будет, как правило, оставаться на желательном уровне pH в течение экстракции.Preferably, before contacting the composition with an acidic solution of the rare earth metal, the composition is conditioned to reach equilibrium with an acidic solution having the same pH as the acidic solution of the rare earth metal. Thus, the mixture of composition and acidic solution will generally remain at the desired pH during extraction.
Композиция может быть введена в контакт с кислым раствором редкоземельного металла в любых условиях, подходящих для экстракции редкоземельного металла.The composition may be contacted with an acidic solution of the rare earth metal under any conditions suitable for the extraction of the rare earth metal.
Следует понимать, что температура, используемая в течение введения в контакт кислого раствора с композицией, содержащей ионную жидкость, может представлять собой любую подходящую температуру, которая может изменяться в зависимости от вязкости композиции, содержащей ионную жидкость. Например, когда используют композицию повышенной вязкости, для получения оптимальных результатов может потребоваться более высокая температура.It should be understood that the temperature used during contacting the acidic solution with the composition containing the ionic liquid may be any suitable temperature, which may vary depending on the viscosity of the composition containing the ionic liquid. For example, when a higher viscosity composition is used, a higher temperature may be required to obtain optimal results.
Предпочтительно кислый раствор вводят в контакт с композицией при температуре окружающей среды, т.е. без внешнего нагревания или охлаждения. Тем не менее, следует понимать, что в течение экстракции может происходить естественное изменение температуры в результате введения в контакт композиции с кислым раствором.Preferably, the acidic solution is brought into contact with the composition at ambient temperature, i. without external heating or cooling. However, it should be understood that a natural change in temperature may occur during extraction as a result of contacting the composition with an acidic solution.
Композиция может быть введена в контакт с кислым раствором редкоземельного металла в течение любого подходящего периода времени для упрощения экстракции редкоземельного металла в неводную фазу. Предпочтительно данный период времени определяют таким образом, чтобы было достигнуто равновесие, и оставались постоянными пропорции редкоземельного металла в водной и неводной фазах. Согласно предпочтительным вариантам осуществления способ включает введение в контакт кислого раствора редкоземельного металла и композиции в течение от 10 до 40 мин, предпочтительно от 15 до 30 мин.The composition may be contacted with an acidic solution of the rare earth metal for any suitable period of time to facilitate extraction of the rare earth metal into the non-aqueous phase. Preferably, this time period is determined such that equilibrium is reached and the proportions of the rare earth metal in the aqueous and non-aqueous phases remain constant. In preferred embodiments, the method comprises contacting an acidic rare earth metal solution and the composition for 10 to 40 minutes, preferably 15 to 30 minutes.
Предпочтительно способ включает введение в контакт и физическое перемешивание кислого раствора редкоземельного металла и композиции. Такое перемешивание обычно ускоряет экстракцию редкоземельного металла. Любое подходящее устройство может быть использовано для достижения этой цели, и смесительное устройство хорошо известно в технике. Например, смесь можно перемешивать с применением смесителя или миксера. Смесительное устройство может содержать оборудование, специально предназначенное для многофазного перемешивания, такое как высокосдвиговые приспособления. В качестве альтернативы, перемешивание может включать встряхивание смеси, например, с применением встряхивателя, имитирующего движение запястья.Preferably, the method includes contacting and physically mixing an acidic solution of the rare earth metal and the composition. Such agitation generally accelerates the extraction of the rare earth metal. Any suitable device can be used to achieve this goal, and a mixing device is well known in the art. For example, the mixture can be mixed using a blender or mixer. The mixing device may include equipment specifically designed for multi-phase mixing, such as high shear tools. Alternatively, agitation may include shaking the mixture, for example using a shaker that simulates a wrist movement.
Разделение водной и неводной фаз может быть осуществлено любым подходящим способом, например, с применением маломасштабного устройства, такого как делительная воронка или устройствоSeparation of the aqueous and non-aqueous phases may be accomplished by any suitable means, for example using a small scale device such as a separating funnel or
- 5 040373- 5 040373
Крэйга. Следует понимать, что фазы обычно выдерживают для отстаивания перед разделением. Отстаивание может быть осуществлено под действием силы тяжести или предпочтительно ускорено с применением дополнительного оборудования, такого как центрифуга. В качестве альтернативы, водная и неводная фазы могут быть разделены с применением оборудования, которое обеспечивает введение в контакт и разделение фаз, например, такого как центробежный экстрактор, пульсационная колонна или комбинированный смеситель-осадитель.Craig. It should be understood that the phases are usually kept to settle before separation. Settling can be carried out by gravity or preferably accelerated using additional equipment such as a centrifuge. Alternatively, the aqueous and non-aqueous phases may be separated using equipment that provides contact and phase separation, such as, for example, a centrifugal extractor, a pulse column, or a combined mixer-precipitator.
Следует понимать, что в целях экстракции или разделения некоторых редкоземельных металлов, могут быть осуществлены многостадийные процессы экстракции и разделения. Они могут включать несколько стадий экстракции кислого раствора редкоземельного металла композицией или несколько стадий обратной экстракции неводной фазы водным кислым раствором. Согласно настоящему изобретению требуется меньшее число стадий для разделения редкоземельных металлов, поскольку ионная жидкость в качестве экстрагента обеспечивает коэффициенты разделения и коэффициенты распределения, которые обычно превышают соответствующие значения, существующие в предшествующих системах.It should be understood that in order to extract or separate certain rare earth metals, multi-stage extraction and separation processes may be carried out. These may include several steps of extracting an acidic solution of the rare earth metal with the composition, or several steps of back-extraction of the non-aqueous phase with an aqueous acidic solution. The present invention requires fewer steps to separate the rare earth metals because the ionic liquid extractant provides separation factors and distribution factors that typically exceed those found in prior systems.
Термин электронодонорная группа (EDG) при использовании в настоящем документе следует понимать как означающий любую группу, имеющую пару электронов, доступную для образования координационной связи с акцептором. В частности, следует понимать, что электронодонорная группа, которая определена в настоящем документе, означает группы, имеющие доступную пару электронов, способную координировать редкоземельный металл с образованием комплекса металла и лиганда. Кроме того, следует понимать, что EDG, как правило, имеют единственный атом, который является донором электронов для образования связи. Однако, в качестве альтернативы, донорная группа может предоставлять электроны для образования одной или нескольких связей между атомами, т.е. EDG может представлять собой лиганд с гаптичностью, составляющей 2 или более.The term electron donor group (EDG) as used herein should be understood to mean any group having a pair of electrons available to form a coordination bond with an acceptor. In particular, an electron donating group as defined herein is to be understood to mean groups having an available electron pair capable of coordinating a rare earth metal to form a metal-ligand complex. In addition, it should be understood that EDGs typically have a single atom that is an electron donor for bond formation. However, in the alternative, the donor group may provide electrons for the formation of one or more bonds between atoms, i.e. EDG may be a ligand with a hapticity of 2 or more.
Следует понимать, что расположение EDG и соединительных групп L2 осуществлено таким образом, что EDG и центральный атом азота способны одновременно координировать редкоземельный металл.It should be understood that the arrangement of the EDG and the L 2 connecting groups is such that the EDG and the central nitrogen atom are able to simultaneously coordinate the rare earth metal.
Предпочтительно, когда металл одновременно координирует азот, соединяющий L1 с каждой L2, и одну из EDG, кольцо, образованное азотом, L2, EDG и металлом, представляет собой 5- или 6-членное кольцо, предпочтительно 5-членное кольцо.Preferably, when the metal simultaneously coordinates the nitrogen connecting L1 to each L 2 and one of the EDGs, the ring formed by nitrogen, L 2 , EDG and the metal is a 5- or 6-membered ring, preferably a 5-membered ring.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления [Y+] представляет собой ациклический катион, выбранный из [-N(Ra)(Rb)(Rc)]+, [-P(Ra)(Rb)(Rc)]+ и [-S(Ra)(Rb)]+, причем каждый Ra, Rb и Rc независимо выбирают из необязательно замещенных C1-30алкильных, C3-8циклоалкильных и О6-10арильных групп.In preferred embodiments, [Y + ] is an acyclic cation selected from [-N(R a )(R b )(R c )] + , [-P(R a )(R b )(R c )] + and [-S(R a )(R b )] + , with each R a , R b and R c independently selected from optionally substituted C 1-30 alkyl, C 3-8 cycloalkyl and O 6-10 aryl groups.
Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления [Y+] представляет собой циклический катион, выбранный изAccording to other preferred embodiments, [Y + ] is a cyclic cation selected from
причем каждый Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf независимо выбранный из водорода и необязательно замещенных C1-30αлкильных, C3-8циклоалкильных и О6-10арильных групп, или любые два из Ra, Rb, Rc, Rd, Re, связанные с соседними атомами углерода, образуют необязательно замещенную метиленовую цепь -(CH2)q-, где q составляет от 3 до 6.each R a , R b , R c , R d , R e and R f independently selected from hydrogen and optionally substituted C1-30αkyl, C3-8 cycloalkyl and O6-10 aryl groups, or any two of R a , R b , R c , R d , R e linked to adjacent carbon atoms form an optionally substituted methylene chain -(CH2)q- where q is from 3 to 6.
Соответственно, согласно предпочтительным вариантам осуществления по меньшей мере один из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf представляет собой C1-5алкильную группу, замещенную -CO2Rx, -OC(O)Rx, -CS2Rx, -SC(S)Rx, -S(O)ORx, -OS(O)Rx, -NRxC(O)NRyRz, -NRxC(O)ORy, -OC(O)NRyRz, -NRxC(S)ORy, -OC(S)NRyRz, -NRxC(S)SRy, -SC(S)NRyRz, -NRxC(S)NRyRz, -C(O)NRyRz, -C(S)NRyRz, причем Rx, Ry и Rz независимо выбраны из водорода или C1-6алкила.Accordingly, according to preferred embodiments, at least one of R a , R b , R c , R d , R e and R f is a C1-5 alkyl group substituted with -CO2R x , -OC(O)R x , -CS2R x , -SC(S)R x , -S(O)OR x , -OS(O)R x , -NR x C(O)NR y R z , -NR x C(O)OR y , -OC (O)NR y R z , -NR x C(S)OR y , -OC(S)NR y R z , -NR x C(S)SR y , -SC(S)NR y R z , -NR x C(S)NR y R z , -C(O)NR y R z , -C(S)NR y R z , wherein R x , R y and R z are independently selected from hydrogen or C 1-6 alkyl.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, [Y+] представляет собой насыщенный гетероциклический катион, выбранный из циклического аммония, 1,4According to another preferred embodiment of the present invention, [Y + ] is a saturated heterocyclic cation selected from cyclic ammonium, 1,4
- 6 040373 диазабицикло[2.2.2]октания, морфолиния, циклического фосфония, пиперазиния, пиперидиния, хинуклидиния и циклического сульфония.- 6 040373 diazabicyclo[2.2.2]octanium, morpholinium, cyclic phosphonium, piperazinium, piperidinium, quinuclidinium and cyclic sulfonium.
Предпочтительно [Y+] представляет собой насыщенный гетероциклический катион, имеющий фор-Preferably, [Y + ] is a saturated heterocyclic cation having the form
Предпочтительно по меньшей мере один из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf представляет собой С1-3алкильную группу, замещенную -CO2Rx -C(O)NRyRz, причем каждый Rx, Ry и Rz независимо выбран из С3-6алкила.Preferably, at least one of R a , R b , R c , R d , R e and R f is a C1-3 alkyl group substituted with -CO2R x -C(O)NR y R z , each R x , R y and R z are independently selected from C3-6alkyl.
Предпочтительнее по меньшей мере один из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf представляет собой группу, выбранную изMore preferably, at least one of R a , R b , R c , R d , R e and R f is a group selected from
причем Ry=Rz, и при этом каждый Rx, Ry и Rz выбран из C3-6алкила, предпочтительно С4-алкила, например, i-Bu.and R y =R z , and each R x , R y and R z selected from C 3-6 alkyl, preferably C 4 -alkyl, for example, i-Bu.
Еще предпочтительнее по меньшей мере один из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf представляет собой группу, выбранную изEven more preferably, at least one of R a , R b , R c , R d , R e and R f is a group selected from
причем Ry=Rz, и при этом Ry и Rz выбраны из С3-6алкила, предпочтительно С4-алкила, например, iBu.wherein R y =R z , and wherein R y and R z are selected from C 3-6 alkyl, preferably C 4 alkyl, eg iBu.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления один из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf представляет собой замещенную С1-5алкильную группу, а остальные из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf независимо выбраны из Н и незамещенных С1-5алкильных групп. Предпочтительно остальные из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf представляют собой Н.In preferred embodiments, one of R a , R b , R c , R d , R e and R f is a substituted C1-5 alkyl group and the others are R a , R b , R c , R d , R e and R f is independently selected from H and unsubstituted C1-5 alkyl groups. Preferably the rest of R a , R b , R c , R d , R e and R f are H.
Предпочтительно, [Y+] представляет собой циклический катион, выбранный изPreferably, [Y + ] is a cyclic cation selected from
Предпочтительнее [Y+] представляет собой циклический катионMore preferably [Y + ] is a cyclic cation
При этом предпочтительно Rf представляет собой замещенную С1-5алкильную группу, а остальныеWhile preferably R f represents a substituted C 1-5 alkyl group, and the rest
- 7 040373 из Ra, Rb, Rc, Rd, Re и Rf независимо выбраны из Н и незамещенных С1-5алкильных групп.- 7 040373 of R a , R b , R c , R d , R e and R f are independently selected from H and unsubstituted C 1-5 alkyl groups.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления L1 представляет собой соединительную группу, выбранную из C1-10алкандиильных и C1-10алкендиильных групп, предпочтительнее выбранную из C1-5алкандиильных и C2-5алкендиильных групп, и наиболее предпочтительно выбранную из C1-5алкандиильных групп, например, соединительную группу, выбранную из -CH2-, -C2H4- и -C3H6-.In preferred embodiments, L1 is a connecting group selected from C 1-10 alkanediyl and C 1-10 alkenediyl groups, more preferably selected from C 1-5 alkanediyl and C 2-5 alkenediyl groups, and most preferably selected from C 1-5 alkanediyl groups, for example a connecting group selected from -CH2-, -C2H4- and -C3H6-.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления каждая L2 представляет собой соединительную группу, независимо выбранную из C1-2алкандиильных и C2-алкендиильных групп, предпочтительно выбранную из C1-2алкандиильных групп, например, независимо выбранную из -CH2-, -C2H4-.In preferred embodiments, each L2 is a connecting group independently selected from C 1-2 alkanediyl and C 2 -alkenediyl groups, preferably selected from C 1-2 alkanediyl groups, eg independently selected from -CH2-, -C2H4-.
Каждая EDG может представлять собой любую подходящую электронодонорную группу, способную образовывать координационную связь с редкоземельным металлом с образованием комплекса металла и лиганда.Each EDG may be any suitable electron donor group capable of coordinating with a rare earth metal to form a metal-ligand complex.
Предпочтительно каждая EDG представляет собой электронодонорную группу, независимо выбранную из -CO2Rx, -OC(O)Rx, -CS2Rx, -SC(S)Rx, -S(O)ORx, -OS(O)Rx, -NRxC(O)NRyRz, -NRxC(O)ORy, -OC(O)NRyRz, -NRxC(S)ORy, -OC(S)NRyRz, -NRxC(S)SRy, -SC(S)NRyRz, -NRxC(S)NRyRz, -C(O)NRyRz, -C(S)NRyRz, причем Rx, Ry и Rz независимо выбраны из Н или C1-6алкила. Предпочтительнее каждая EDG представляет собой электронодонорную группу, независимо выбранную из -CO2Rx, -C(O)NRyRz, причем каждый Rx, Ry и Rz независимо выбран из C3-6алкилα.Preferably, each EDG is an electron donating group independently selected from -CO2R x , -OC(O)R x , -CS2R x , -SC(S)R x , -S(O)OR x , -OS(O)R x , -NR x C(O)NR y R z , -NR x C(O)OR y , -OC(O)NR y R z , -NR x C(S)OR y , -OC(S)NR y R z , -NR x C(S)SR y , -SC(S)NR y R z , -NR x C(S)NR y R z , -C(O)NR y R z , -C(S) NR y R z , wherein R x , R y and R z are independently selected from H or C1-6 alkyl. More preferably, each EDG is an electron donor group independently selected from -CO2R x , -C(O)NR y R z , with each R x , R y and R z independently selected from C3-6alkylα.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления каждая -L2-EDG представляет собой электронодонорную группу, независимо выбранную изIn preferred embodiments, each -L 2 -EDG is an electron donor group independently selected from
причем Ry=Rz, и при этом каждый Rx, Ry и Rz выбран из C3-6алкила, предпочтительно С4-алкила, например, i-Bu.and R y =R z , and each R x , R y and R z selected from C 3-6 alkyl, preferably C 4 -alkyl, for example, i-Bu.
Предпочтительнее каждая -L2-EDG представляет собой электронодонорную группу, независимо выбранную изMore preferably, each -L2-EDG is an electron donating group independently selected from
причем Ry=Rz, и при этом Ry и Rz выбраны из C3-6алкила, предпочтительно C4-алкила, например, iBu.and R y =R z , and while R y and R z selected from C 3-6 alkyl, preferably C 4 -alkyl, for example, iBu.
Следует понимать, что, как представлено выше, экстракцию редкоземельных металлов обеспечивает определенная функциональность катиона ионной жидкости. Таким образом, любые подходящие анионные частицы [X-] могут быть использованы в качестве части ионной жидкости, применяемой в способе согласно настоящему изобретению.It should be understood that, as presented above, the extraction of rare earth metals provides a certain functionality of the cation of the ionic liquid. Thus, any suitable anionic species [X - ] can be used as part of the ionic liquid used in the method according to the present invention.
Предпочтительно [X-] представляет собой одну или несколько анионных частиц, выбранных из гидроксидов, галогенидов, пергалогенидов, псевдогалогенидов, сульфатов, сульфитов, сульфонатов, сульфонимидов, фосфатов, фосфитов, фосфонатов, метидов, боратов, карбоксилатов, азолатов, карбонатов, карбаматов, тиофосфатов, тиокарбоксилатов, тиокарбаматов, тиокарбонатов, ксантатов, тиосульфонатов, тиосульфатов, нитрата, нитрита, тетрафторбората, гексафторфосфата, перхлората, галометаллатов, аминокислот, боратов, полифторалкоксиалюминатов.Preferably [X - ] is one or more anionic species selected from hydroxides, halides, perhalides, pseudohalides, sulfates, sulfites, sulfonates, sulfonimides, phosphates, phosphites, phosphonates, methides, borates, carboxylates, azolates, carbonates, carbamates, thiophosphates , thiocarboxylates, thiocarbamates, thiocarbonates, xanthates, thiosulfonates, thiosulphates, nitrate, nitrite, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, perchlorate, halometallates, amino acids, borates, polyfluoroalkoxyaluminates.
Например, [X-] предпочтительно представляет собой одну или несколько анионных частиц, выбранных из следующих:For example, [X - ] is preferably one or more anionic species selected from the following:
a) галогенидный анион, выбранный из F-, Cl-, Br-, I-;a) a halide anion selected from F - , Cl - , Br - , I - ;
b) пергалогенидный анион, выбранный из [I3]-, [I2Br]-, [IBr2]-, [Br3]-, [Br2C]-, [BrCl2]-, [ICl2]-, [I2Cl]-, [Cl3]-;b) perhalide anion selected from [I 3 ] - , [I2Br] - , [IBr2] - , [Br3] - , [Br2C] - , [BrCl2] - , [ICl2] - , [I 2 Cl] - , [Cl3] - ;
c) псевдогалогенидный анион, выбранный из [N3]-, [NCS]-, [NCSe]-, [NCO]-, [CN]-;c) a pseudohalide anion selected from [N 3 ] - , [NCS] - , [NCSe] - , [NCO] - , [CN] - ;
d) сульфатный анион, выбранный из [HSO4]-, [SO4]2-, [R2OSO2O]-;d) sulfate anion selected from [HSO 4 ] - , [SO 4 ] 2- , [R2OSO2O] - ;
e) сульфитный анион, выбранный из [HSO3]-, [SO3]2, [R2OSO2]-;e) a sulfite anion selected from [HSO3] - , [SO3] 2 , [R 2 OSO2] - ;
f) сульфонатный анион, выбранный из [R1SCO2O]-;f) a sulfonate anion selected from [R1SCO2O] - ;
g) сульфонимидный анион, выбранный из [(R1SO2)2N]-;g) a sulfonimide anion selected from [(R1SO 2 ) 2 N] - ;
h) фосфатный анион, выбранный из [H2PO4]-, [HPO4]2-, [PO4]3-, [R2OPO3]2-, [(R2O)2POJ-;h) a phosphate anion selected from [H2PO4] - , [HPO4] 2- , [PO4] 3- , [R2OPO3] 2- , [(R 2 O)2POJ - ;
i) фосфитный анион, выбранный из [H2PO3]-, [HPO3]2-, [R2OPO2]2-, [(R2O)2PO]-;i) a phosphite anion selected from [H2PO3] - , [HPO3] 2- , [R 2 OPO2] 2- , [(R2O)2PO] - ;
j) фосфонатный анион, выбранный из [R1PO3]2-, [R1P(O)(OR2)O]-;j) a phosphonate anion selected from [R1PO3] 2- , [R1P(O)(OR2)O] - ;
k) метидный анион, выбранный из [(R1SO2)3C]-;k) a methide anion selected from [(R1SO2) 3 C] - ;
l) боратный анион, выбранный из бисоксалатобората, бисмалонатобората, тетракис[3,5-бис(трифторметил)фенил]бората, тетракис(пентафторфенил)бората;l) a borate anion selected from bisoxalatoborate, bismalonate borate, tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, tetrakis(pentafluorophenyl)borate;
m) карбоксилатный анион, выбранный из [R2CO2]-;m) a carboxylate anion selected from [R2CO2] - ;
n) азолатный анион, выбранный из 3,5-динитро-1,2,4-триазолата, 4-нитро-1,2,3-триазолата, 2,4n) an azolate anion selected from 3,5-dinitro-1,2,4-triazolate, 4-nitro-1,2,3-triazolate, 2,4
- 8 040373 динитроимидазолата, 4,5-динитроимидазолата, 4,5-дицианоимидазолата, 4-нитроимидазолата, тетразолата;- 8 040373 dinitroimidazolate, 4,5-dinitroimidazolate, 4,5-dicyanoimidazolate, 4-nitroimidazolate, tetrazolate;
о) серосодержащий анион, выбранный из тиокарбонатов (например, [R2OCS2]-, тиокарбаматов (например, [R22NCS2]-), тиокарбоксилатов (например, [R1CS2]-), тиофосфатов (например, [(R2O)2PS2]-), тиосульфонатов (например, [RS(O)2S]-), тиосульфатов (например, [ROS(O)2S]-);o) a sulfur-containing anion selected from thiocarbonates (for example, [R 2 OCS2] - , thiocarbamates (for example, [R 2 2NCS 2 ] - ), thiocarboxylates (for example, [R1CS2] - ), thiophosphates (for example, [(R 2 O )2PS2] - ), thiosulfonates (eg [RS(O)2S] - ), thiosulfates (eg [ROS(O) 2 S] - );
p) нитратный ([NO3]-) или нитритный ([NO2]-) анион;p) nitrate ([NO 3 ] - ) or nitrite ([NO 2 ] - ) anion;
q) тетрафторборатный ([BF4]-), гексафторфосфатный ([PF6]-), гексафторантимонатный ([SbF6]-) или перхлоратный ([ClO4]-) анион;q) tetrafluoroborate ([BF4] - ), hexafluorophosphate ([PF6] - ), hexafluoroantimonate ([SbF6] - ) or perchlorate ([ClO4] - ) anion;
r) карбонатный анион, выбранный из [CO3]2-, [HCO3]-, [R2CO3]-; предпочтительно [MeCO3]-;r) a carbonate anion selected from [CO 3 ] 2- , [HCO3] - , [R 2 CO3] - ; preferably [MeCO 3 ] - ;
s) полифторалкоксиалюминатные анионы, выбранные из [Al(ORF)4]-, причем RF выбирают из C1-6 алкила, замещенного одной или несколькими фторидными группами;s) polyfluoroalkoxyaluminate anions selected from [Al(OR F )4] - , RF being selected from C1-6 alkyl substituted with one or more fluoride groups;
где R1 и R2 независимо выбраны из группы, которую составляют C1-C1o-алкил, C6-арил, С1-С10алкил(C6)арил и C6-арил(C1-C10)алкил, каждый из которых может содержать в качестве заместителя одну или несколько групп, в качестве которых выбраны фтор, хлор, бром, йод, С1-С6алкокси, C2-C12алкоксиалкокси, C3-C8-циклоалкил, C6-C10-арил, C7-C10-алкарил, C7-C10-аралкил, -CN, -OH, -SH, -NO2, -CO2Rx, -OC(O)Rx, -C(O)Rx, -C(S)Rx, -CS2Rx, -SC(S)Rx, -S(O)(C1-C6)алкил, -S(O)O(C1-C6)алкил, -OS(O)(Cr C6)алкил, -S(C1-C6)алкил, -S-S(C1-C6)алкил), -NRxC(O)NRyRz, -NRxC(O)ORy, -OC(O)NRyRz, -NRxC(S)ORy, -OC(S)NRyRz, -NRxC(S)SRy, -SC(S)NRyRz, -NRxC(S)NRyRz, -C(O)NRyRz, -C(S)NRyRz, -NRyRz, или гетероциклическая группа, причем Rx, Ry и Rz независимо выбраны из водорода или C1-C6-алкила, и при этом R1 может также представлять собой фтор, хлор, бром или йод.where R 1 and R 2 are independently selected from the group consisting of C1-C1o-alkyl, C6-aryl, C1-C10alkyl(C6)aryl and C6-aryl(C1-C10)alkyl, each of which may be substituted with one or several groups selected as fluorine, chlorine, bromine, iodine, C1-C6alkoxy, C2-C12alkoxyalkoxy, C3-C8-cycloalkyl, C6-C10-aryl, C7-C10-alkaryl, C7-C10-aralkyl, -CN , -OH, -SH, -NO2, -CO2R x , -OC(O)R x , -C(O)R x , -C(S)R x , -CS2R x , -SC(S)R x , -S(O)(C1-C6)alkyl, -S(O)O(C1-C6)alkyl, -OS(O)(Cr C 6 )alkyl, -S(C 1 -C 6 )alkyl, -SS (C 1 -C 6 )alkyl), -NR x C(O)NR y R z , -NR x C(O)OR y , -OC(O)NR y R z , -NR x C(S)OR y , -OC(S)NR y R z , -NR x C(S)SR y , -SC(S)NR y R z , -NR x C(S)NR y R z , -C(O)NR y R z , -C(S)NR y R z , -NR y R z , or a heterocyclic group, wherein R x , R y and R z are independently selected from hydrogen or C 1 -C 6 alkyl and R 1 may also be fluorine, chlorine, bromine or iodine.
Хотя [X-] может представлять собой любой подходящий анион, оказывается предпочтительным, что [X-] представляет собой некоординирующий анион. Термин некоординирующий анион, который использован в настоящем документе и является распространенным в области химии ионных жидкостей и координационных соединений металлов, предназначен для описания аниона, который не координирует или лишь слабо координирует атом или ион металла. Как правило, некоординирующие анионы содержат свой заряд, распределенный по нескольким атомам в молекуле, что значительно ограничивает их координирующую способность. Это ограничивает эффективное взаимодействие аниона с селективной координацией катиона [Cat+] и редкоземельного металла.Although [X - ] may be any suitable anion, it is preferred that [X - ] is a non-coordinating anion. The term non-coordinating anion, which is used herein and is common in the field of ionic liquid chemistry and metal coordination compounds, is intended to describe an anion that does not coordinate or only weakly coordinates a metal atom or ion. As a rule, non-coordinating anions contain their charge distributed over several atoms in the molecule, which significantly limits their coordinating ability. This limits the effective interaction of the anion with the selective coordination of the [Cat + ] cation and the rare earth metal.
Таким образом, предпочтительнее, [X-] представляет собой одну или несколько некоординирующих анионных частиц, выбранных из следующих анионов: бистрифлимид, трифлат, тозилат, перхлорат, [Al(OC(CF3)3)4]-, тетракис[3,5-бис(трифторметил)фенил]борат, тетракис(пентафторфенил)борат, тетрафторборат, гексафторантимонат и гексафторфосфат; и предпочтительно из бистрифлимидного и трифлатного анионов.Thus, more preferably, [X - ] is one or more non-coordinating anionic species selected from the following anions: bistriflomide, triflate, tosylate, perchlorate, [Al(OC(CF 3 ) 3 ) 4 ] - , tetrakis[3,5 -bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, tetrakis(pentafluorophenyl)borate, tetrafluoroborate, hexafluoroantimonate and hexafluorophosphate; and preferably from bistriflomide and triflate anions.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления, [Cat+] представляет собой одну или несколько ионных частиц, имеющих структуру:According to some preferred embodiments, [Cat + ] is one or more ionic species having the structure:
.EDG.EDG
1-21-2
II
4ΖΊ 1<4ZΊ 1<
EDG EDG где [Z+] представляет собой группу, выбранную из групп аммония, бензимидазолия, бензофурания, бензотиофения, бензотриазолия, боролия, циннолиния, диазабициклодецения, диазабициклононения, 1,4диазабицикло[2.2.2]октания, диазабициклоундецецения, дитиазолия, фурания, гуанидиния, имидазолия, индазолия, индолиния, индолия, морфолиния, оксаборолия, оксафосфолия, оксазиния, оксазолия, изооксазолия, оксотиазолия, фосфолия, фосфония, фталазиния, пиперазиния, пиперидиния, пирания, пиразиния, пиразолия, пиридазиния, пиридиния, пиримидиния, пирролидиния, пирролия, хиназолиния, хинолиния, изохинолиния, хиноксалиния, хинуклидиния, селеназолия, сульфония, тетразолия, тиадиазолия, изотиадиазолия, тиазиния, тиазолия, изотиазолия, тиофения, тиурония, триазиния, триазолия, изотриазолия и урония.EDG EDG where [Z + ] is a group selected from ammonium, benzimidazolium, benzofuranium, benzothiophenium, benzotriazolium, boronium, cinnolinium, diazabicyclodecenium, diazabicyclononenium, 1,4diazabicyclo[2.2.2]octanium, diazabicycloundecenium, dithiazolium, furanium, guanidinium, imidazolium, indazolium, indolinium, indolium, morpholinium, oxaborolium, oxaphospholium, oxazinium, oxazolium, isooxazolium, oxothiazolium, phospholium, phosphonium, phthalazolium, piperazinium, piperidinium, piranium, pyrazinium, pyrazolium, pyridazinium, pyridinium, pyrimidinium, pyrrolidinium, quinazolidinium, quinoline, isoquinoline, quinoxalinium, quinuclidinium, selenazolium, sulfonium, tetrazolium, thiadiazolium, isothiadiazolium, thiazinium, thiazolium, isothiazolium, thiophenium, thiuronium, triazinium, triazolium, isotriazolium and uronium.
Следует понимать, что композиция может содержать ионную жидкость, которая определена выше, в сочетании с разбавителем. Как правило, разбавитель может быть использован в целях уменьшения вязкости композиции, когда ионная жидкость имеет высокую вязкость, что ограничивает ее практическое применение в жидкость-жидкостной экстракции. Разбавитель также может быть использован для сокращения расходов, когда разбавитель дешевле в производстве, чем ионная жидкость. Следует понимать, что любой разбавитель, добавляемый в композицию, должен быть достаточно гидрофобным, таким образом, чтобы обеспечивать разделение композиции и кислого раствора редкоземельного металла на водную и неводную фазы. Согласно некоторым вариантам осуществления разбавитель может усиливать гидрофобность композиции.It should be understood that the composition may contain an ionic liquid as defined above in combination with a diluent. Typically, a diluent may be used to reduce the viscosity of the composition when the ionic liquid has a high viscosity, which limits its practical use in liquid-liquid extraction. The diluent can also be used to reduce costs when the diluent is cheaper to produce than the ionic liquid. It should be understood that any diluent added to the composition must be sufficiently hydrophobic such that separation of the composition and the acidic solution of the rare earth metal into aqueous and non-aqueous phases is required. In some embodiments, the diluent may enhance the hydrophobicity of the composition.
Таким образом, согласно предпочтительным вариантам осуществления композиция дополнительноThus, according to preferred embodiments, the composition further
- 9 040373 содержит низковязкую ионную жидкость. Термин низковязкая ионная жидкость следует понимать как означающий, что эта ионная жидкость имеет меньшую вязкость, чем описанная выше ионная жидкость в качестве экстрагента. Как упомянуто выше, следует понимать, что низковязкая ионная жидкость должна быть достаточно гидрофобной, таким образом, чтобы обеспечивать разделение композиции и кислого раствора редкоземельного металла на водную и неводную фазы. Кроме того, следует понимать, что гидрофобность могут обеспечивать катион и/или анион низковязкой ионной жидкости.- 9 040373 contains a low-viscosity ionic liquid. The term low-viscosity ionic liquid should be understood to mean that this ionic liquid has a lower viscosity than the above-described ionic liquid as an extractant. As mentioned above, it should be understood that the low viscosity ionic liquid must be sufficiently hydrophobic such that separation of the composition and the acidic solution of the rare earth metal into aqueous and non-aqueous phases is to be expected. In addition, it should be understood that the cation and/or anion of the low viscosity ionic liquid can provide hydrophobicity.
Посредством применения ионной жидкости в качестве разбавителя может сохраняться уменьшение летучести и воспламеняемости, обеспечиваемое ионной жидкостью в качестве экстрагента, что потенциально делает процесс экстракции редкоземельных металлов более безопасным и благоприятным для окружающей среды.By using an ionic liquid as a diluent, the reduction in volatility and flammability provided by the ionic liquid as an extractant can be maintained, potentially making the rare earth extraction process safer and more environmentally friendly.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления катион низковязкой ионной жидкости выбирают из групп аммония, бензимидазолия, бензофурания, бензотиофения, бензотриазолия, боролия, циннолиния, диазабициклодецения, диазабициклононения, 1,4-диазабицикло[2.2.2]октания, диазабициклоундецецения, дитиазолия, фурания, гуанидиния, имидазолия, индазолия, индолиния, индолия, морфолиния, оксаборолия, оксафосфолия, оксазиния, оксазолия, изооксазолия, оксотиазолия, фосфолия, фосфония, фталазиния, пиперазиния, пиперидиния, пирания, пиразиния, пиразолия, пиридазиния, пиридиния, пиримидиния, пирролидиния, пирролия, хиназолиния, хинолиния, изохинолиния, хиноксалиния, хинуклидиния, селеназолия, сульфония, тетразолия, тиадиазолия, изотиадиазолия, тиазиния, тиазолия, изотиазолия, тиофения, тиурония, триазиния, триазолия, изотриазолия и урония.In preferred embodiments, the low viscosity ionic liquid cation is selected from the ammonium, benzimidazolium, benzofuranium, benzothiophenium, benzotriazolium, borolium, cinnolinium, diazabicyclodecenium, diazabicyclononenium, 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octanium, diazabicycloundecenium, dithiazolium, furanium, guanidinium, imidazolium groups. , indazolium, indolinium, indolium, morpholinium, oxaborolium, oxaphospholium, oxazinium, oxazolium, isooxazolium, oxothiazolium, phospholium, phosphonium, phthalazolium, piperazinium, piperidinium, piranium, pyrazinium, pyrazolium, pyridazinium, pyridinium, pyrimidinium, pyrrolidinium, pyrrolinium, quinazolinium , isoquinolinium, quinoxalinium, quinuclidinium, selenazolium, sulfonium, tetrazolium, thiadiazolium, isothiadiazolium, thiazinium, thiazolium, isothiazolium, thiophenium, thiuronium, triazinium, triazolium, isotriazolium and uronium.
Предпочтительно катион низковязкой ионной жидкости выбирают из групп фосфония, имидазолия и аммония.Preferably, the low viscosity ionic liquid cation is selected from the phosphonium, imidazolium and ammonium groups.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления, катион низковязкой ионной жидкости выбирают из [N(R3)(R4)(R5)(R6)]+ и [P(R3)(R4)(R5)(R6)]+, причем каждый R3, R4, R5 и R6 независимо выбирают из необязательно замещенных C1.20алкильных, О3.8циклоалкильных и C6.1oарильных групп.According to some preferred embodiments, the low viscosity ionic liquid cation is selected from [N(R 3 )(R 4 )(R 5 )(R 6 )] + and [P(R 3 )(R 4 )(R 5 )(R 6 )] + , with each R 3 , R 4 , R 5 and R 6 independently selected from optionally substituted C 1 . 20 alkyl, O 3 . 8 cycloalkyl and C 6 . 1 aryl groups.
Согласно более предпочтительным вариантам осуществления катион низковязкой ионной жидкости [P(R3)(R4)(R5)(R6)]+, причем каждый R3, R4, R5 независимо выбирают из C1.10αлкuлα, предпочтительно C2-6 алкила, и R6 выбирают из C4.20алкила, предпочтительно C8.14алкила. Например, катион низковязкой ионной жидкости может быть выбран из триэтилоктилфосфония ([P222(8)]+), трибутилоктилфосфония ([P444(8)]+), тригексилоктилфосфония ([P666(8)]]+), тригексилдецилфосфония ([P666(10)]]+) и тригексилтетрадецилфосфония ([P666(14]]+).In more preferred embodiments, the low viscosity ionic liquid cation [P(R 3 )(R 4 )(R 5 )(R 6 )] + , wherein each R 3 , R 4 , R 5 is independently selected from C1.10αlkulα, preferably C2- 6 alkyl, and R 6 is selected from C4. 20 alkyl, preferably C 8 . 14 alkyl. For example, the low viscosity ionic liquid cation can be selected from triethyloctylphosphonium ([P 222 ( 8 )] + ), tributyloctylphosphonium ([P444(8)] + ), trihexyloctylphosphonium ([P666( 8 )]] + ), trihexyldecylphosphonium ([P 666 ( 10 )]] + ) and trihexyltetradecylphosphonium ([P666(14]]+).
Согласно другим более предпочтительным вариантам осуществления катион низковязкой ионной жидкости представляет собой [N(R3)(R4)(R5)(R6)]+, причем R3, R4, R5 выбирают из C4.14αлкила, предпочтительно C6.10алкила, и R6 выбирают из C1.4алкила, предпочтительно C1.2алкила. Например, катион низковязкой ионной жидкости может быть выбран из триоктилметиламмония, трис(2-этилгексил)метиламмония и тетрабутиламмония.In other more preferred embodiments, the low viscosity ionic liquid cation is [N(R 3 )(R 4 )(R 5 )(R 6 )] + , wherein R 3 , R 4 , R 5 are selected from C4.14αkyl, preferably C6 .10alkyl, and R 6 is selected from C1. 4 alkyl, preferably C 1 . 2 alkyl. For example, the low viscosity ionic liquid cation may be selected from trioctylmethylammonium, tris(2-ethylhexyl)methylammonium, and tetrabutylammonium.
Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления катион низковязкой ионной жидкости выбирают из катионов имидазолия, содержащих в качестве заместителя одну или несколько C1. 20алкильных, C3.8циклоалкильных и C6.10арильных групп, предпочтительно две C1.10αлкильные группы, предпочтительнее одну метильную группу и одну C1.10алкильную группу. Например, катион низковязкой ионной жидкости может быть выбран из 1-бутил-3-метилимидазолия, 1-гексил-3-метилимидазолия и 1октил-3 -метилимидазолия.In other preferred embodiments, the low viscosity ionic liquid cation is selected from imidazolium cations substituted with one or more C1. 20 alkyl, C 3 . 8 cycloalkyl and C 6 . 10 aryl groups, preferably two C 1 . 10 αalkyl groups, preferably one methyl group and one C 1 . 10 alkyl group. For example, the low viscosity ionic liquid cation may be selected from 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, and 1octyl-3-methylimidazolium.
Следует понимать, что любая подходящая анионная группа может быть использована в качестве аниона низковязкой ионной жидкости. Предпочтительно анион низковязкой ионной жидкости является таким, как описано выше в отношении анионной группы [X-]. Например, оказывается наиболее предпочтительным, что анион низковязкой ионной жидкости представляет собой некоординирующий анион, который описан выше. Следует понимать, что может присутствовать избыток анионов из низковязкой ионной жидкости по сравнению с ионной жидкостью в качестве экстрагента. Таким образом, оказывается особенно предпочтительным, что анион низковязкой ионной жидкости представляет собой некоординирующий анион.It should be understood that any suitable anionic group can be used as the anion of the low viscosity ionic liquid. Preferably, the anion of the low viscosity ionic liquid is as described above with respect to the anionic group [X - ]. For example, it is most preferred that the low viscosity ionic liquid anion is a non-coordinating anion as described above. It should be understood that there may be an excess of anions from the low viscosity ionic liquid compared to the ionic liquid as the extractant. Thus, it is especially preferred that the anion of the low viscosity ionic liquid is a non-coordinating anion.
По этой причине оказывается предпочтительным ограничение полного количества галогенидных или псевдогалогенидных анионов в композиции. Например, согласно предпочтительным вариантам осуществления композиция содержит менее чем 25% галогенидных или псевдогалогенидных анионов, предпочтительно менее чем 20%, предпочтительнее менее чем 15%, наиболее предпочтительно менее чем 10%, например, менее чем 5% по отношению к полному содержанию анионов. Согласно некоторым вариантам осуществления в композиции практически отсутствуют галогенидные или псевдогалогенидные анионы.For this reason, it is preferred to limit the total amount of halide or pseudohalide anions in the composition. For example, in preferred embodiments, the composition contains less than 25% halide or pseudohalide anions, preferably less than 20%, more preferably less than 15%, most preferably less than 10%, such as less than 5%, based on total anion content. In some embodiments, the composition is substantially free of halide or pseudohalide anions.
В качестве альтернативы или в качестве дополнения, композиция может дополнительно содержать один или несколько разбавителей, не представляющих собой -ионные жидкости. Например, согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления, композиция дополнительно содержит один или несколько органических растворителей. Следует понимать, что подходящие органические растворители должны включать гидрофобные и некоординирующие растворители. Термин некоординирующийAlternatively or in addition, the composition may further comprise one or more non-ionic liquid diluents. For example, in some preferred embodiments, the composition further comprises one or more organic solvents. It should be understood that suitable organic solvents should include hydrophobic and non-coordinating solvents. The term non-coordinating
- 10 040373 растворитель, который использован в настоящем документе и является распространенным в области химии координационных соединений металлов, предназначен для описания растворителя, который не координирует или лишь слабо координирует атомы или ионы металла.- 10 040373 solvent, which is used in this document and is common in the field of metal coordination compounds, is intended to describe a solvent that does not coordinate or only weakly coordinate metal atoms or ions.
Подходящие органические растворители включают, не ограничиваясь ими, углеводородные растворители, такие как C1.20алканы, алкены или циклоалканы, ароматические растворители, такие как толуол или бензол, С6+-спирты, такие как н-гексанол, простоэфирные растворители, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и метил-трет-бутиловый эфир, или галогенированные растворители, такие как тетрахлорметан, тетрахлорэтан, хлороформ, дихлорметан, хлорбензол или фторбензол. Предпочтительно органический растворитель представляет собой углеводородный растворитель.Suitable organic solvents include, but are not limited to, hydrocarbon solvents such as C 1 . 20 alkanes, alkenes or cycloalkanes, aromatic solvents such as toluene or benzene, C 6+ alcohols such as n-hexanol, ether solvents such as diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether and methyl tert-butyl ether, or halogenated solvents such as carbon tetrachloride, tetrachloroethane, chloroform, dichloromethane, chlorobenzene or fluorobenzene. Preferably the organic solvent is a hydrocarbon solvent.
Ионная жидкость может присутствовать в композиции в любой концентрации, подходящей для экстракции редкоземельных металлов, и следует понимать, что эта концентрация будет изменяться в зависимости от конкретного приложения и pH. В частности, следует понимать, что для разделения редкоземельных металлов является желательным конкурентное разделение. Например, концентрация ионной жидкости должна быть достаточно низкой, чтобы предотвратить экстракцию всех присутствующих редкоземельных металлов. Таким образом, концентрация ионной жидкости будет, как правило, зависеть от концентрации экстрагируемых редкоземельных металлов и значения pH, при котором проводится разделение. Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления ионная жидкость присутствует в композиции в концентрации, составляющей по меньшей мере 0,001 М, предпочтительно от 0,005 М до 0,01 М.The ionic liquid may be present in the composition at any concentration suitable for the extraction of rare earth metals, and it should be understood that this concentration will vary depending on the particular application and pH. In particular, it should be understood that competitive separation is desirable for the separation of rare earth metals. For example, the concentration of the ionic liquid must be low enough to prevent extraction of all rare earth metals present. Thus, the concentration of the ionic liquid will generally depend on the concentration of rare earth metals to be extracted and the pH value at which the separation is performed. In some preferred embodiments, the ionic liquid is present in the composition at a concentration of at least 0.001M, preferably 0.005M to 0.01M.
Согласно другим вариантам осуществления композиция может состоять, в основном, из ионной жидкости.In other embodiments, the composition may consist primarily of an ionic liquid.
Следует понимать, что концентрация ионной жидкости в композиции может изменяться для достижения определенной целевой вязкости композиции. Кроме того, следует понимать, что характер низковязкой ионной жидкости или другого разбавителя может быть изменен в целях получения определенного уровня вязкости.It should be understood that the concentration of the ionic liquid in the composition may be varied to achieve a certain target viscosity of the composition. In addition, it should be understood that the nature of the low-viscosity ionic liquid or other diluent can be changed in order to obtain a certain level of viscosity.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления вязкость композиции находится в диапазоне от 50 до 500 мПа-с при 298 K, когда композиция содержит раствор ионной жидкости в низковязкой ионной жидкости. Когда ионная жидкость находится в растворе органического растворителя, следует понимать, что композиция будет, вероятно, иметь менее высокую вязкость, составляющую, например, менее чем 50 мПа-с. Вязкость может быть измерена любым подходящим способом; например, вязкость может быть измерена с применением ротационного дискового вискозиметра при переменной температуре.According to preferred embodiments, the viscosity of the composition is in the range of 50 to 500 mPa-s at 298 K when the composition contains a solution of an ionic liquid in a low-viscosity ionic liquid. When the ionic liquid is in an organic solvent solution, it should be understood that the composition will likely have a lower viscosity, for example, less than 50 mPa-s. Viscosity can be measured by any suitable method; for example, viscosity can be measured using a rotational disk viscometer at variable temperature.
Согласно некоторым вариантам осуществления кислый раствор может быть получен посредством выщелачивания редкоземельного металла из его источника с применением кислоты, например, минеральной кислоты, такой как хлористо-водородная, азотная, хлорная или серная кислота, как правило, хлористо-водородная или азотная кислота. Предпочтительно источник редкоземельного металла представляет собой минерал или отходы. Однако следует понимать, что кислый раствор редкоземельного металла или смесь редкоземельных металлов можно получать любым подходящим способом из любого источника редкоземельного металла.In some embodiments, an acidic solution can be obtained by leaching the rare earth metal from its source using an acid, such as a mineral acid such as hydrochloric, nitric, perchloric, or sulfuric acid, typically hydrochloric or nitric acid. Preferably, the source of the rare earth metal is a mineral or waste. However, it should be understood that the rare earth acid solution or mixture of rare earth metals can be obtained by any suitable method from any source of the rare earth metal.
Концентрация редкоземельных металлов в кислом растворе составляет, как правило, от 60 ч./млн. до 2000 ч./млн. Тем не менее, следует понимать, что может быть использована любая подходящая концентрация редкоземельных металлов в кислом растворе.The concentration of rare earth metals in the acidic solution is typically between 60 ppm and up to 2000 ppm However, it should be understood that any suitable concentration of rare earth metals in acidic solution may be used.
Как правило, редкоземельные металлы получают из редкоземельных руд, которые добывают и перерабатывают разнообразными способами в зависимости от конкретной руды. Такие способы хорошо известны в технике. Обычно после добычи эти способы могут включать такие стадии, как измельчение, прокаливание для удаления карбонатов, химическую обработку (например, обработку щелочью/гидроксидом) и, наконец, выщелачивание кислотой с получением водного кислого раствора, содержащего смесь редкоземельных металлов.As a rule, rare earth metals are obtained from rare earth ores, which are mined and processed in a variety of ways, depending on the particular ore. Such methods are well known in the art. Typically, after mining, these methods may include steps such as grinding, calcination to remove carbonates, chemical treatment (eg, alkali/hydroxide treatment), and finally acid leaching to produce an aqueous acidic solution containing a mixture of rare earth metals.
Примеры содержащих редкоземельные металлы минералов, которые присутствуют в редкоземельных рудах, представляют собой эсхинит, алланит, апатит, бастнезит, браннерит, бритолит, эвдиалит, эвксенит, фергусонит, гадолинит, каинит, лопарит, монацит, паризит, перовскит, пирохлор, ксенотим, иттроцерит, хуанхоит, цебаит, флоренсит, синхизит, самарскит и кнопит.Examples of rare earth minerals that are present in rare earth ores are eschinite, allanite, apatite, bastnäsite, brannerite, britholite, eudialyte, euxenite, fergusonite, gadolinite, kainite, loparite, monazite, parisite, perovskite, pyrochlore, xenotime, yttrocerite, huanhoite, zebaite, florensite, synhisite, samarskite and knopit.
Редкоземельные металлы могут быть также получены в возрастающих количествах из переработанных отходов. По мере роста всемирного спроса на редкоземельные металлы становится все более привлекательным получение редкоземельных металлов из переработанных отходов, в частности, в тех странах, где отсутствуют пригодные для добычи месторождения редкоземельных руд. Отходы редкоземельных металлов могут быть получены из разнообразных источников, например, путем прямой переработки лома/остатков редкоземельных металлов из производственных отходов, добычи в городских условиях содержащих редкоземельные металлы отслуживших свой срок изделий или добычи на полигонах городских и промышленных отходов, содержащих редкоземельные металлы. Поскольку редкоземельные металлы все больше используются в потребительских изделиях, также возрастает количество редкоземельRare earth metals can also be obtained in increasing quantities from recycled waste. As the global demand for rare earths grows, it becomes more and more attractive to obtain rare earths from recycled waste, in particular in those countries where there are no minable deposits of rare earth ores. Rare earth waste can be obtained from a variety of sources, such as direct processing of rare earth scrap/remains from industrial waste, urban mining of end-of-life items containing rare earth metals, or mining of municipal and industrial waste containing rare earth metals from landfills. As rare earths are increasingly used in consumer products, the number of rare earths is also on the rise.
- 11 040373 ных металлов, которые могут быть получены из таких отходов.- 11 040373 metals that can be obtained from such waste.
Отходы, которые могут содержать редкоземельные металлы, представляют собой магнитные стружки и забракованные магниты, содержащие редкоземельные элементы остатки от производства/переработки металлов (например, остатки из плавильных печей и электродуговых печей или промышленные остатки, такие как фосфогипс и красный шлам), люминофоры, такие как люминофоры, которые содержат люминесцентные лампы, светодиоды, подсветки жидкокристаллических дисплеев, плазменные экраны и катодно-лучевые трубки, постоянные магниты (например, NdFeB), такие как те, которые используют автомобили, мобильные телефоны, дисководы для жестких дисков, компьютеры и периферические устройства, электронные кухонные устройства, ручные инструменты, электрические бритвы, промышленные электрические моторы, электрические велосипеды, электромобильные и гибридные автомобильные моторы, ветротурбогенераторы, никель-металлогидридные батареи, такие как те, которые используют перезаряжаемые аккумуляторы и электромобильные и гибридные автомобильные аккумуляторы, полировальные порошки для стекла, катализаторы крекинга в псевдоожиженном слое и оптический стекло. Основные источники отходов отслуживших свой срок изделий, содержащих редкоземельные металлы, в отношении ценности представляют собой постоянные магниты, никельметаллогидридные батареи и люминесцентные лампы, а также лом в форме отходов магнитных стружек.Wastes that may contain rare earths are magnetic chips and discarded magnets, rare earth containing residues from metal production/processing (e.g. residues from smelters and electric arc furnaces or industrial residues such as phosphogypsum and red mud), phosphors such as as phosphors which contain fluorescent lamps, LEDs, liquid crystal display backlights, plasma screens and cathode ray tubes, permanent magnets (such as NdFeB) such as those used by automobiles, mobile phones, hard disk drives, computers and peripherals , electronic kitchen appliances, hand tools, electric shavers, industrial electric motors, electric bicycles, electric and hybrid car motors, wind turbines, nickel-metal hydride batteries such as those using rechargeable batteries and electric vehicles and hybrid automotive batteries, glass polishing powders, fluidized bed cracking catalysts and optical glass. The main sources of end-of-life products containing rare earth metals, in terms of value, are permanent magnets, nickel-metal hydride batteries and fluorescent lamps, and scrap in the form of waste magnetic chips.
Редкоземельные металлы обычно экстрагируют из отходов посредством выщелачивания минеральными кислотами с необязательной дополнительной обработкой для удаления примесей, таких как переходные металлы. В результате этого получают кислый раствор редкоземельных металлов, который может быть использован в качестве исходного материала для разделения и очистки индивидуальных редкоземельных металлов.Rare earth metals are usually extracted from waste products by mineral acid leaching, with optional further treatment to remove impurities such as transition metals. As a result, an acidic solution of rare earth metals is obtained, which can be used as a starting material for separation and purification of individual rare earth metals.
Таким образом, преимущество настоящего изобретения заключается в том, что редкоземельные металлы могут быть экстрагированы с высокой селективностью и экстрагируемостью непосредственно из кислого раствора редкоземельного металла, который может быть удобным образом получен в процессе экстракции руд или отходов.Thus, it is an advantage of the present invention that rare earth metals can be extracted with high selectivity and extractability directly from an acidic solution of rare earth metal, which can be conveniently obtained in an ore or waste extraction process.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложена ионная жидкость ([Cat+][X-]), практически такая, как описано выше в настоящем документе.According to a further aspect of the present invention, an ionic liquid ([Cat + ][X - ]) is provided substantially as described above herein.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложена композиция, практически такая, как описано выше в настоящем документе.According to a further aspect of the present invention, there is provided a composition substantially as described herein above.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления композиция дополнительно содержит редкоземельный металл. Следует понимать, что композиция, содержащая редкоземельный металл, сама по себе может представлять собой ценный ресурс, и не всегда оказывается желательным отделение редкоземельного металла, например, посредством промывания кислотой.In some preferred embodiments, the composition further comprises a rare earth metal. It should be understood that a composition containing a rare earth metal can itself be a valuable resource, and it is not always desirable to separate the rare earth metal, for example, by washing with an acid.
Например, композиция, дополнительно содержащая редкоземельный металл, может быть использована для электроосаждения редкоземельного металла или осаждения одного или нескольких редкоземельных металлов (например, щавелевой кислотой).For example, a composition further containing a rare earth metal can be used to electrodeposit a rare earth metal or deposit one or more rare earth metals (eg, with oxalic acid).
Электроосаждение редкоземельных металлов из ионных жидкостей и осаждение редкоземельных металлов из раствора хорошо известны в технике и может быть осуществлено любым подходящим способом, что должен понимать специалист в данной области техники.The electrodeposition of rare earth metals from ionic liquids and the precipitation of rare earth metals from solution are well known in the art and may be carried out in any suitable manner as will be understood by one skilled in the art.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложено применение композиции, дополнительно содержащей редкоземельный металл, для электроосаждения редкоземельного металла.According to a further aspect of the present invention, there is provided the use of a composition further containing a rare earth metal for electrodeposition of a rare earth metal.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложено применение композиции, дополнительно содержащей редкоземельный металл, для осаждения редкоземельного металла.According to a further aspect of the present invention, there is provided the use of a composition further comprising a rare earth metal for depositing a rare earth metal.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложен способ получения ионной жидкости по п.59 формулы изобретения, причем указанный способ включает реакцию /И .EDGAccording to a further aspect of the present invention, there is provided a method for producing an ionic liquid according to claim 59, said method comprising the reaction /and .EDG
NH2 с LG , где LG представляет собой уходящую группу.NH 2 with LG where LG is the leaving group.
Термин уходящая группа при использовании в настоящем документе следует понимать как означающий группу, которая может быть удалена из молекулы посредством реакции с нуклеофильным центром; в частности, уходящая группа уходит с парой электронов при гетеролитическом разрыве связи. Уходящая группа обычно представляет собой группу, которая способна стабилизировать дополнительную электронную плотность, которая возникает в результате гетеролитического разрыва связи. Такие группы хорошо известны в области химии.The term leaving group, as used herein, should be understood to mean a group that can be removed from a molecule by reaction with a nucleophilic center; in particular, the leaving group leaves with a pair of electrons upon heterolytic bond cleavage. The leaving group is typically one that is capable of stabilizing the extra electron density that results from heterolytic bond cleavage. Such groups are well known in the field of chemistry.
Следует понимать, что группа [Z] может представлять собой любую группу, которая способна замещать уходящую группу с образованием катиона [Z+], который определен выше в настоящем документе.It should be understood that the [Z] group may be any group that is capable of replacing a leaving group to form the [Z + ] cation as defined above herein.
Следует понимать, что уходящая группа, которая определена в настоящем документе, является такой, что первичный амин, соединенный посредством L1 с [Z], может замещать уходящую группу с образованием связи между атомом азота и группой L2, и такой, что группа [Z] может замещать уходящую группу с образованием связи между [Z] и группой L2.It should be understood that the leaving group as defined herein is such that the primary amine linked via L1 to [Z] can replace the leaving group to form a bond between the nitrogen atom and the L2 group, and such that the [Z] may replace the leaving group to form a bond between [Z] and the L 2 group.
- 12 040373- 12 040373
Уходящая группа может, например, представлять собой группу, выбранную из диазота, диалкиловых эфиров, перфторалкилсульфонатов, таких как трифлат, тозилат или мезилат, галогенов, таких как Cl, Br и I, воды, спиртов, нитрата, фосфат, простых тиоэфиров и аминов. Предпочтительно уходящую группу LG выбирают из галогенов, предпочтительнее уходящая группа LG представляет собой Cl.The leaving group may, for example, be a group selected from dinitrogen, dialkyl ethers, perfluoroalkylsulfonates such as triflate, tosylate or mesylate, halogens such as Cl, Br and I, water, alcohols, nitrate, phosphate, thioethers and amines. Preferably the LG leaving group is selected from halogens, more preferably the LG leaving group is Cl.
Такие реакции замещения, которые описаны в настоящем документе, хорошо известны в технике и могут быть без затруднений осуществлены специалистом в данной области техники.Such substitution reactions, which are described herein, are well known in the art and can be carried out without difficulty by a person skilled in the art.
При получении ионной жидкости этим способом ионная жидкость, имеющая свойства преимущественной экстракции редкоземельного металла, может быть удобным образом синтезирована в одну стадию, что сокращает повышенные расходы, связанные с многостадийным синтезом.By producing an ionic liquid by this method, an ionic liquid having preferential extraction properties of a rare earth metal can be conveniently synthesized in one step, which reduces the increased cost associated with multi-step synthesis.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложено применение ионной жидкости или композиции, дополнительно содержащей редкоземельный металл, как описано в настоящем документе, для экстракции редкоземельных металлов. Предпочтительно ионную жидкость или композицию используют для предпочтительной экстракции первого редкоземельного металла из раствора, который содержит первый и второй редкоземельные металлы.According to a further aspect of the present invention, the use of an ionic liquid or composition further containing a rare earth metal as described herein is provided for the extraction of rare earth metals. Preferably, the ionic liquid or composition is used to preferentially extract the first rare earth metal from a solution that contains the first and second rare earth metals.
Далее настоящее изобретение будет проиллюстрировано посредством следующих примеров со ссылкой на представленные ниже фигуры, причем:Hereinafter, the present invention will be illustrated by means of the following examples with reference to the figures below, wherein:
на фиг. 1 представлен график, иллюстрирующий коэффициенты распределения для экстракции ряда редкоземельных металлов согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и на фиг. 2 представлена кристаллическая структура катиона [MAIL]+ в координации с Nd после экстракции из кислого (HCl) раствора, содержащего NdCl3-6H2O.in fig. 1 is a graph illustrating partition coefficients for extraction of a number of rare earth metals according to an embodiment of the present invention; and in FIG. 2 shows the crystal structure of the [MAIL] + cation in coordination with Nd after extraction from an acidic (HCl) solution containing NdCl 3 -6H 2 O.
ПримерыExamples
Пример 1. Синтез ионной жидкости.Example 1. Synthesis of an ionic liquid.
Общая процедура синтеза ионной жидкости согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.General procedure for synthesizing an ionic liquid according to embodiments of the present invention.
Реакционную смесь, содержащую 3 моль N,N-диалкил-2-хлорацетамид и субстрат, имеющий структуру H2N-L1-[Z], перемешивали в галогенированном растворителе (например, CHCl3, CH2Cl2 и т.д.) или ароматическом растворителе (например, толуоле, ксилоле и т.д.) при температуре от 60 до 70°C в течение от 7 до 15 суток. После охлаждения отфильтровывали твердое вещество и многократно промывали органическую фазу раствором 0,1-0,2 М HCI до тех пор, пока водная фаза не проявляла умеренную кислотность (рН>2). Органическую фазу затем промывали 2-3 раза раствором 0,1 М Na2CO3 и, наконец, промывали деионизированной водой до тех пор, пока водная фаза не проявляла нейтральное значение pH. Растворитель удаляли в высоком вакууме, получая в качестве продукта ионную жидкость (с хлоридным анионом) в форме высоковязкой жидкости. Эту ионную жидкость можно использовать в полученном виде, или хлоридный анион можно замещать другими анионами (такими как, например, бистрифлимид, трифлат, гексафторфосфат и т.д.) с применением традиционных способов замещения, например, посредством реакции соли щелочного металла, содержащей желательный анион, с ионной жидкостью в органическом растворителе.The reaction mixture containing 3 mol of N,N-dialkyl-2-chloroacetamide and a substrate having the structure H2N-L 1 -[Z] was stirred in a halogenated solvent (eg CHCl 3 , CH 2 Cl 2 etc.) or aromatic solvent (eg, toluene, xylene, etc.) at a temperature of 60 to 70°C for 7 to 15 days. After cooling, the solid was filtered off and the organic phase was repeatedly washed with a solution of 0.1-0.2 M HCl until the aqueous phase showed moderate acidity (pH>2). The organic phase was then washed 2-3 times with a 0.1 M Na 2 CO 3 solution and finally washed with deionized water until the aqueous phase showed a neutral pH. The solvent was removed under high vacuum to give an ionic liquid (with chloride anion) as a highly viscous liquid. This ionic liquid can be used as it is, or the chloride anion can be replaced with other anions (such as, for example, bistriflomide, triflate, hexafluorophosphate, etc.) using conventional substitution methods, for example, by reacting an alkali metal salt containing the desired anion , with an ionic liquid in an organic solvent.
Синтез ионной жидкости с катионом имидазолияSynthesis of an ionic liquid with an imidazolium cation
[МА11/]СГ[MA11/]SG
Добавляли 1-(3-амиенопропил)имидазол (0,05 моль) к N,N-диизобутил-2-хлорацетамиду (0,15 моль) в трехгорлой круглодонной колбе объемом 500 мл. Затем добавляли триэтиламин (0,11 моль) вместе с хлороформом (200 мл). Реакционную смесь перемешивали в течение 6 часов при комнатной температуре и затем перемешивали при температуре от 60 до 70°C в течение 7 суток. Затем реакционную смесь охлаждали и после фильтрования последовательно промывали растворами 0,1 М HCl, 0,1 М Na2CO3 и деионизированной водой (как описано в общей процедуре). Растворитель удаляли из нейтрализованной органической фазы при давлении 8 мбар (6 мм рт.ст.) и, наконец, при температуре 60°C и давлении 0,067 мбар (0,05 мм рт.ст.). Ионную жидкость [MAIL+]CΓполучали в форме высоковязкой желтой жидкости.1-(3-Aminenopropyl)imidazole (0.05 mol) was added to N,N-diisobutyl-2-chloroacetamide (0.15 mol) in a 500 ml three neck round bottom flask. Triethylamine (0.11 mol) was then added along with chloroform (200 ml). The reaction mixture was stirred for 6 hours at room temperature and then stirred at 60 to 70°C for 7 days. The reaction mixture was then cooled and, after filtration, washed successively with solutions of 0.1 M HCl, 0.1 M Na 2 CO 3 and deionized water (as described in the general procedure). The solvent was removed from the neutralized organic phase at a pressure of 8 mbar (6 mm Hg) and finally at a temperature of 60° C. and a pressure of 0.067 mbar (0.05 mm Hg). [MAIL + ]CΓ ionic liquid was obtained in the form of a highly viscous yellow liquid.
Ионную жидкость [MAIL+]Cl- (0,025 моль) растворяли в хлороформе и добавляли бис(трифторметан)сульфонамид лития (LiNTf2) (0,03 моль). Реакционную смесь перемешивали в течение 1 ч и затем органическую фазу многократно промывали деионизированной водой. Наконец, растворитель удаляли из органической фазы в вакууме (0,13 мбар, 0,1 мм рт.ст.) при 65°C, получая содержащую бистрифлимидный анион ионную жидкость [MAIL+][NTf2-].The ionic liquid [MAIL + ]Cl- (0.025 mol) was dissolved in chloroform and lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide (LiNTf2) (0.03 mol) was added. The reaction mixture was stirred for 1 hour and then the organic phase was washed several times with deionized water. Finally, the solvent was removed from the organic phase in vacuo (0.13 mbar, 0.1 mmHg) at 65° C. to give the bistrilimide anion-containing ionic liquid [MAIL + ][NTf2-].
Пример 2. Жидкость-жидкостная экстракция редкоземельных металлов с применением [MAIL+][NTf2-].Example 2 Liquid-liquid extraction of rare earth metals using [MAIL + ][NTf 2 -].
- 13 040373- 13 040373
Общая процедура экстракции редкоземельных металлов.General extraction procedure for rare earth metals.
Равные объемы (от 2 до 5 мл) экстрагента в форме ионной жидкости ([MAIL+][NTf2-] в [P666(14)+] [NTf2 -]) и кислого водного исходного раствора, содержащего редкоземельные металлы в HCl, встряхивали до достижения равновесия в течение 15-30 мин, используя встряхиватель, имитирующий движение запястья. Фазы центрифугировали, и водную фазу анализировали на содержание редкоземельных металлов методом оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ОЭС-ИСП), хотя следует понимать, что может быть использован любой подходящий метод анализа. Содержание редкоземельных металлов, экстрагированных в органическую фазу ионной жидкости, определяли посредством массового баланса с применением измерений методом ОЭС-ИСП.Equal volumes (from 2 to 5 ml) of the extractant in the form of an ionic liquid ([MAIL + ][NTf2 - ] in [P666( 14 ) + ] [NTf 2 - ]) and an acidic aqueous stock solution containing rare earth metals in HCl were shaken until equilibrium is reached for 15-30 minutes, using a shaker that simulates the movement of the wrist. The phases were centrifuged and the aqueous phase was analyzed for rare earths by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), although it should be understood that any suitable analysis method could be used. The content of rare earth metals extracted into the organic phase of the ionic liquid was determined by mass balance using OES-ICP measurements.
Коэффициент распределения индивидуального редкоземельного металла определяли как соотношение его концентрации в фазе ионной жидкости и его концентрации в водной фазе (рафинат). DM=[M]IL/[M]Aq, где IL представляет собой фазу ионная жидкость, и Aq представляет собой водную фазу (рафинат).The distribution coefficient of an individual rare earth metal was determined as the ratio of its concentration in the ionic liquid phase and its concentration in the aqueous phase (raffinate). DM=[M] IL /[M] Aq where IL is the ionic liquid phase and Aq is the aqueous phase (raffinate).
Коэффициент разделения (SF) для индивидуальной пары редкоземельных металлов представляет собой соотношение коэффициента распределения первого редкоземельного металла и коэффициента распределения второго редкоземельного металла. Например, коэффициент разделения диспрозия по отношению к неодиму составляет DDy/DNd. Следует понимать, что коэффициенты разделения, оцениваемые по независимо полученным коэффициентам распределения, оказываются ниже, чем фактические коэффициенты разделения, получаемые в ходе разделения смесей редкоземельных металлов в процессе конкурентного разделения (см. приведенные ниже примеры).The partition factor (SF) for an individual pair of rare earth metals is the ratio of the partition coefficient of the first rare earth metal and the partition coefficient of the second rare earth metal. For example, the separation factor of dysprosium with respect to neodymium is D Dy /D Nd . It should be understood that separation factors estimated from independently derived partition factors are lower than the actual separation factors obtained during the separation of mixtures of rare earth metals in the process of competitive separation (see examples below).
Коэффициенты распределения индивидуальных редкоземельных металлов получали посредством отдельной экстракции согласно приведенной вше общей процедуре с применением 0,0075 М [MAIL+][NTf2-] в [P666(14)+][NTf2 -] и солянокислого раствора 200 мг/л (ч./млн.) хлорида соответствующего редкоземельного металла (где 200 ч./млн. означает концентрацию раствора в расчете на элементарный металл). На фиг. 1 представлен график коэффициентов распределения для каждого редкоземельного металла в зависимости от pH, показывающий, что ионная жидкость согласно настоящему изобретению может быть использована для экстракции редкоземельных металлов в диапазоне значений pH.Partition coefficients of individual rare earth metals were obtained by separate extraction according to the general procedure above using 0.0075 M [MAIL + ][NTf2 - ] in [P666( 14 ) + ][NTf 2 - ] and hydrochloric acid solution 200 mg/l (h ./million) chloride of the corresponding rare earth metal (where 200 hours/million means the concentration of the solution based on the elemental metal). In FIG. 1 is a plot of distribution coefficients for each rare earth metal versus pH, showing that the ionic liquid of the present invention can be used to extract rare earth metals over a pH range.
Разделение Dy и Nd.Separation of Dy and Nd.
Водный раствор HCl, содержащий DyCl3-6H2O (60 мг/л (ч./млн.) Dy) и NdCl3-6H2O (1400 мг/л (ч./млн.) Nd) при pH 3 экстрагировали экстрагентом, представляющим собой ионную жидкость (0,005 М [MAIL+][NTf2-] в [P666(14)+][NTf2-]), согласно общей процедуре, приведенной выше. В результате однократного контакта (экстракции) получили DDy= 13,45, DNd=0,0124, SFDy-Nd=1085.An aqueous HCl solution containing DyCl 3 -6H 2 O (60 mg/l (ppm) Dy) and NdCl 3 -6H 2 O (1400 mg/l (ppm) Nd) at pH 3 was extracted ionic liquid extractant (0.005 M [MAIL + ][NTf2 - ] in [P666( 14 ) + ][NTf2 - ]) according to the general procedure above. As a result of a single contact (extraction), DDy=13.45, D Nd =0.0124, SF Dy - Nd =1085 were obtained.
Этот коэффициент разделения (1085) значительно превышает коэффициенты разделения, полученные при разделении Dy/Nd посредством систем предшествующего уровня техники, представленных в таблице 1 (максимальный коэффициент 239).This split ratio (1085) is significantly higher than the split ratios obtained with Dy/Nd separation by prior art systems shown in Table 1 (maximum ratio 239).
Разделение Eu и La.Separation of Eu and La.
Водный раствор HCl, содержащий EuCl3-6H2O (65 мг/л (ч./млн.) Eu) и LaCl3-7H2O (470 мг/л (ч./млн.) La) при pH 3 экстрагировали экстрагентом, представляющим собой ионную жидкость (0,005 М [MAIL+][NTf2-] в [P666(14)+][NTf2-]), согласно общей процедуре, приведенной выше. В результате однократного контакта (экстракции) получили DEu=9,3,An aqueous HCl solution containing EuCl 3 -6H 2 O (65 mg/l (ppm) Eu) and LaCl 3 -7H 2 O (470 mg/l (ppm) La) at pH 3 was extracted ionic liquid extractant (0.005 M [MAIL + ][NTf2 - ] in [P666( 14 ) + ][NTf2 - ]) according to the general procedure above. As a result of a single contact (extraction) we got DEu=9.3,
DLa=0,044, SFEu-La=211.DLa=0.044, SFEu-La=211.
Разделение Tb и Ce.Separation of Tb and Ce.
Водный раствор HCl содержащий TbCl3-6H2O (530 мг/л (ч./млн.) Tb) и CeCl3-6H2O (950 мг/л (ч./млн.) Ce) при pH 3 экстрагировали экстрагентом, представляющим собой ионную жидкость (0,0075 М [MAIL+][NTf2-] в [P666(14)+][NTf2-]), согласно общей процедуре, приведенной выше. В результате однократного контакта (экстракции) получили DTb=11,2, DCe=0,068, SFTb-Ce=162.An aqueous solution of HCl containing TbCl 3 -6H 2 O (530 mg/l (ppm) Tb) and CeCl 3 -6H 2 O (950 mg/l (ppm) Ce) at pH 3 was extracted with an extractant , which is an ionic liquid (0.0075 M [MAIL + ][NTf2 - ] in [P666( 14 ) + ][NTf2 - ]), according to the general procedure above. As a result of a single contact (extraction), DTb=11.2, DCe=0.068, SF Tb - Ce =162 were obtained.
Пример 3. Очистка редкоземельных металлов от [MAIL+] [NTf2 -].Example 3 Purification of rare earth metals from [MAIL + ] [NTf 2 - ].
При pH 3 очищали Dy(III) (200 ч./млн.) от органической фазы, содержащей [MAIL+][NTf2-] в [P666(14)+][NTf2 -] (0,005 М), осуществляя два последовательных контакта. Органическую фазу вводили в контакт с равным объемом водного раствора HCl (0,2 М) и встряхивали до достижения равновесия в течение 15-30 минут, используя встряхиватель, имитирующий движение запястья. В первом контакте очищали 140 ч./млн. Dy(III), и во втором контакте очищали 55 ч./млн. Dy(III).At pH 3, Dy(III) (200 ppm) was purified from the organic phase containing [MAIL + ][NTf2 - ] in [P666( 14 ) + ][NTf 2 - ] (0.005 M) by performing two successive contact. The organic phase was contacted with an equal volume of aqueous HCl (0.2 M) and shaken to equilibrium for 15-30 minutes using a shaker simulating a wrist movement. In the first contact, 140 ppm was purified. Dy(III), and in the second contact was purified 55 ppm. Dy(III).
Аналогичным образом, из наблюдения коэффициентов распределения на фиг. 1 ясно, что у тяжелых редкоземельных металлов, такие как Tm, Yb и Lu, коэффициенты распределения значительно уменьшаются при увеличении кислотности. Таким образом, авторы также предполагают, что тяжелые редкоземельные металлы могут быть очищены от ионной жидкости согласно настоящему изобретению при относительно высоких значениях pH.Similarly, from observing the distribution coefficients in FIG. 1 it is clear that for heavy rare earth metals such as Tm, Yb and Lu, the distribution coefficients decrease significantly with increasing acidity. Thus, the authors also suggest that heavy rare earth metals can be purified from the ionic liquid according to the present invention at relatively high pH values.
Приведенные выше примеры показывают, что значительное увеличение коэффициентов разделения в основных парах редкоземельных металлов может быть получено посредством применения ионной жидкости согласно настоящему изобретению (например, Nd/Dy: магнит Nd-Dy, Eu/La: люминофор белой лампы, Tb/Се: люминофор зеленой лампы). Кроме того, редкоземельные металлы могут быть преимущеThe above examples show that a significant increase in separation ratios in rare earth base pairs can be obtained by using the ionic liquid of the present invention (e.g., Nd/Dy: Nd-Dy magnet, Eu/La: white lamp phosphor, Tb/Ce: phosphor green lamp). In addition, rare earth metals may be advantageous
--
Claims (22)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB1621523.8 | 2016-12-16 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA040373B1 true EA040373B1 (en) | 2022-05-25 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7141722B2 (en) | Separation of rare earth metals | |
JP7394473B2 (en) | Method for preparing rare earth metal oxides | |
TWI826466B (en) | Ionic liquid preparation | |
JP7357949B2 (en) | Countercurrent rare earth separation method | |
US11958754B2 (en) | Enhanced separation of rare earth metals | |
EA040373B1 (en) | SEPARATION OF RARE EARTH METALS | |
OA19426A (en) | Separation of rare earth metals. |