Извлечение соединений неодима из шлифотходов

В результате производства неодимовых магнитов используется технология прессования, после которой от 15 до 40% магнитного материала теряется с отходами шлифования, содержащими 20−30% редкоземельных элементов. Для промышленности извлечение неодима является очень важным процессом из-за его редкости, дороговизны, трудности производства. Попадание неодима в окружающую среду губительно влияет на экологию, т. к. в воде он связывает необходимые для некоторых видов жизни фосфат-ионы и полностью угнетает рост зелёных водорослей и бактерий.

Цель

Изучение способов извлечения соединений неодима из шлифотходов производства магнитов с проведением методик на практике.

Получение образцов солей извлечённого неодима.

Задачи

1. Исследовать большинство возможных методов извлечения неодима.
2. Сравнить результаты, найти наиболее удобный простой лабораторный метод извлечения.
3. Провести наиболее выгодные синтезы.
4. Получить образцы соединений неодима.
5. Опробовать изменение цвета солей неодима в зависимости от освещения.
6. Разработать дерево методик извлечения соединений неодима на практике.

Описание работы

Неодим – один из представителей семейства лантаноидов. Современные технологии, использующиеся для извлечения лантаноидов из минералов и руд, в основном состоят из нескольких стадий их выделения, дальнейшего многостадийного разделения элементов. Лантаноиды сложно отделить друг от друга из-за схожих химических свойств. На практике экстракция проходит с помощью органических фосфорсодержащих растворителей.

Изучая статьи в научной литературе, автор столкнулся с нехваткой информации о методах извлечения неодима. Существует только несколько патентов для промышленного метода его извлечения.

В ходе проекта на основе научной литературы были разработаны методы извлечения соединений неодима.

1. Метод обратной перекристаллизации

Суть метода заключается в том, что при нагревании крепкого раствора сульфата неодима его растворимость понижается, а растворимость соли железа, наоборот, повышается. Таким образом, раствор очищается два раза. Минус метода − низкий выход продукта.

2. Метод осаждения гидроксидов по pH

Соль железа начинает выпадать из раствора при менее щелочной среде, чем у неодима. В среднем может понадобиться более пяти циклов очистки.

Минус − работа с большими объёмами, длительность процесса.

3. Метод осаждения комплексной соли

При сливании крепкого раствора сульфата неодима и раствора сульфата натрия выпадают кубические кристаллы комплексной соли переменного состава (NdNa(SO₄)₂). Её растворимость не более 5 г на 100 мл при 25° С. Далее при обработке её раствора щелочью выпадает гидроксид неодима. Минус − большие потери продукта химической реакции.

4. Метод гидролизный

Азотнокислый раствор греют до полной отгонки кислоты, далее кипятят несколько часов, прибавляя воду по мере выпаривания. После раствор фильтруется от основных солей железа, концентрируется и выкристаллизовывается осадок соли неодима. Минус − выделение ядовитых паров.

Результаты

Проведён в химической лаборатории оксалатный метод как самый эффективный, т. к. он даёт высокую чистоту продукта, несложен в исполнении.

1. Для начала магнитную крошку необходимо размагнитить, нагревая её в тигле на плитке, т. к. уже при температуре 60°С магниты теряют свои свойства.

2. По основным методикам, далее крошку стоит перетереть и растворить в кислоте. Есть два варианта: растворить в серной или азотной кислоте.

Вариант 1 − с азотной кислотой более дорогой, экологически небезопасный, т. к. в результате процесса выделяется много едких ядовитых паров (оксиды азота).

Но при использовании азотной кислоты есть существенный плюс, т. к. из-за её окислительных свойств железо в соли двухвалентного состояния сразу переходит в трёхвалентное состояние.

Вариант 2 − при растворении в серной кислоте образуются только водород и незначительные количества бороводородов. После растворения в серной кислоте происходит фильтрация раствора от нерастворённого бора. Реакционная масса содержит сульфат железа +2, сульфат неодима и серную кислоту в примеси.

2Nd+3H₂SO₄= Nd₂(SO₄)₃ +3H₂

Выбран 2-й вариант.

3. Дальнейшее разделение можно провести двумя способами.

Первый − раствор выпаривается и греется на водяной бане до выпадения кристаллов сульфата неодима, очищаемых повторной кристаллизацией. Недостаток − конечная чистота продукта становится заметно ниже.

Второй − окисление раствора кислородом или перекисью водорода, что более удобно для лабораторных условий. Происходит окисления железа +2 в +3.

2FeSO₄ + H₂O₂ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O

Использован 2-й способ.

4. Для проведения фильтрации к раствору прибавляется стехиометрический избыток щавелевой кислоты. При этом происходит выпадение в осадок розового цвета оксалата неодима, а ион железа при этом остаётся в растворе в виде оксалата и комплексных оксалатов. Суть процесса заключается в том, что оксалат железа +2 нерастворим в воде, а железа +3 очень хорошо растворяется. Неодим не окисляется и не восстанавливается от перекиси и в дальнейшем осаждается в виде соли щавелевой кислоты.

Nd₂(SO₄)₃+3H₂C₂O₄=Nd₂(C₂O₄)₃+3H₂SO₄

5. Осадок промывается, сушится и далее раскаляется до 300°С. Температура держится в течение 30 минут. Оксалат неодима при этом разлагается на оксид (Nd₂O₃), карбонат (Nd₂(CO₃)₃, гидроксид (Nd(OH)₃), оксокарбонат и другие промежуточные соли.

6. Прокаленный осадок обрабатывается 40%-ным раствором серной кислоты и далее выделяется сульфат неодима методом обратной растворимости. Полученная соль неодима перекристаллизовывается и проверяется на чистоту. Продукт не даёт осадка с диметилглиоксимом и красной кровяной солью, что говорит об отсутствии примесей никеля и железа в образце. При дальнейшей очистке можно добиться категории ч, и хч.

Наиболее эффективными лабораторными методами для выделения сульфата неодима оказались обратная перекристаллизация и оксалатная очистка.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

Сырьё: образцы магнитной крошки. 

Кислоты: серная, азотная, щавелевая, соляная.

Вспомогательные вещества: вода дистиллированная, гидроксид натрия, гидрофторид аммония, сульфат натрия.

Качественные реактивы: гексацианоферрат калия (ККС), диметилглиоксим.

Оборудование: школьная лаборатория, тигли фарфоровые, лабораторное стекло, плитка нагревательная лабораторная, горелка газовая.

Награды/достижения

МГК-2019(межрайон.), победитель;

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни»-2019, призёр;

74-е Дни науки НИТУ «МИСиС», публикация в сборнике конференции.

Перспективы развития результатов работы

Полученная соль неодима соответствует технической чистоте и может быть использована в качестве лабораторного реактива, например, для изменения цвета солей неодима в зависимости от освещения.

Применение разработанной схемы «Дерево методик» в ходе лабораторного извлечения соединений неодима из шлифотходов.

Сотрудничество с вузом при создании работы

РХТУ имени Д.И. Менделеева, кафедра общей и неорганической химии.

Особое мнение

«Хочется отметить отличные организацию и проведение конференции, высокопрофессиональную работу членов жюри. Желаю успешного продолжения конференции в будущем»