Кристаллизация и растворимость KSc(SO4)2 для повышения эффективности извлечения скандия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

При разработке способов эффективного извлечения и концентрирования редкоземельных элементов (РЗЭ), а также при удалении примесей сопутствующих металлов большое значение имеет растворимость солей, в частности, сульфатов, зачастую используемых в гидрометаллургии в качестве промежуточных продуктов. В данной работе для извлечения скандия из сульфатных растворов предложено осаждение комплексного сульфата скандия калия KSc(SO4)2, кристаллы которого представляют собой удлиненные гексагональные призмы шириной 5–10 мкм и длиной 20–50 мкм. Методом ДТА показано отсутствие кристаллизационной воды, а также наличие обратимого фазового перехода около 447°С. Растворимость KSc(SO4)2 в воде при 25°С составила 0.28±0.01 мас. % Sc. Понижение растворимости KSc(SO4)2 достигается повышением концентрации серной кислоты более 3–4 моль/л H2SO4. Дополнительное введение 0.5 моль/л K2SO4 позволяет на порядок снизить растворимость скандия в виде комплексного соединения и повысить эффективность извлечения скандия из сульфатных растворов. Экспериментальные результаты по растворимости KSc(SO4)2 описываются изменением ионной силы раствора в присутствии одноименных ионов (K+ и HSO4–). Степень извлечения скандия из сульфатных растворов с добавкой 0.5 моль/л K2SO4 составляет более 99%. Предложена принципиальная технологическая схема извлечения скандия из красных шламов с кристаллизацией KSc(SO4)2. Результаты будут полезны для разработки методов разделения металлов при сернокислотной переработке сырья и расширения способов получения концентратов и чистых оксидов металлов, а также при изучении поведения близких по свойствам соединений РЗЭ.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. С. Медянкина

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: pasechnik@ihim.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Л. А. Пасечник

Институт химии твердого тела УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: pasechnik@ihim.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Гилярова А.А. Редкоземельные металлы: применение в Hi-Tech и потенциал Кольского полуострова // Экономика и бизнес: теория и практика. 2018. №3. С. 40. ID: 32794608. [Giliarova A.A. Rare earth metals: application of Hi-Tech and potential of Kola peninsula // Economics and business: theory and practice. 2018. №. 3. Р. 40. ID: 32794608]
  2. Кондратьев В.Б. Глобальный рынок редкоземельных металлов / В.Б. Кондратьев // Горная промышленность. 2017. Т. 4 № 134. С. 97. ID: 29987254. [Kondratiev V.B. The global market of rare earth metals // Mining Industry. 2017. V. 4. № 134. Р. 97].
  3. Соловьева В.М., Череповицын А.Е. Организационно-экономические модели развития редкоземельных промышленных комплексов: российский и зарубежный опыт // Вестник ЮРГТУ (НПИ). 2021. № 1. С. 188. doi: 10.17213/2075-2067-2021-1-188-202. [Solovyova V.M., Cherepovitsyn А.E. Organizational and Economic Models of Rare Earth Industrial Complexes’ Development: Russian and Foreign Experience // Bull. SRSTU (NPI) Ser. Socio-Economic Sci. 2021. V. 14. №. 1. Р. 188.
  4. Abhijeet R.K., Dhoble S.J. Thermoluminescence versatility in sulfate-based phosphors. Ch. 15. Series in Electronic and Optical Materials. Phosphor Handbook: Woodhead Publishing, 2023. Р. 331. doi: 10.1016/B978-0-323-90539-8.00008-5.
  5. Junne T., Wulff N., Breyer C., Naegler T. Critical materials in global low-carbon energy scenarios: The case for neodymium, dysprosium, lithium, and cobalt // Energy. 2020. V. 211, art. 118532. doi: 10.1016/j.energy.2020.118532.
  6. Thompson V. S., Gupta M., Jin H. et al. Techno-economic and life cycle analysis for bioleaching rare-earth elements from waste materials // ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2018. V. 6. №. 2. Р. 1602. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b02771
  7. Кожевникова А.В., Уварова Е.С., Милевский Н.А., Заходяева Ю.А., Вошкин А.А. Выделение концентрата Ti(IV) из отработанных литий-ионных аккумуляторов // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. № 5. C. 553. doi: 10.31857/S0040357123050111 [Kozhevnikova A.V., Uvarova E.S., Milyavsky N.A., Zakhodyaeva Yu.A., Voshkin A.A. Isolation of Ti(IV) concentrate from spent lithium-ion batteries // Theor. Found. Chem. Eng. V. 57. №. 5. Р. 553]
  8. Sethurajan M., van Hullebusch E. D., Fontana D. et al. Recent advances on hydrometallurgical recovery of critical and precious elements from end-of-life electronic wastes – A review // Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 2019. V. 49. №. 3. Р. 212. doi: 10.1080/10643389.2018.1540760
  9. Costis S., Mueller K.K., Coudert L. et al. Recovery potential of rare earth elements from mining and industrial residues: a review and cases studies // J. Geochem. Explor. 2021. V. 221. P. 106699. doi: 10.1016/j.gexplo.2020.106699.
  10. Rychkov V.N., Kirillov E.V., Kirillov S.V. Recovery of rare earth elements from phosphogypsum // J. Clean. Prod. 2018. V. 196. P. 674. doi: 10.1016/j.jclepro.2018.06.114
  11. Локшин Э.П., Тареева О.А. Разработка технологий извлечения редкоземельных элементов при сернокислотной переработке Хибинского апатитового концентрата на минеральные удобрения. Апатиты: КНЦ РАН, 2015. [Lokshin E.P., Tareeva O.A. Technologies development for the extraction of rare earth elements while sulfuric acid processing of the Khibiny apatite concentrate for mineral fertilizers production. Apatity: KSC RAS, 2015.].
  12. Zhou B., Li Z., Chen C. Global potential of rare earth resources and rare earth demand from clean technologies // Minerals. 2017. V. 7. Iss. 11. № 203. doi: 10.3390/min7110203
  13. Liu F., Peng C., Porvali A. et al. Synergistic recovery of valuable metals from spent nickel–metal hydride batteries and lithium-ion batteries // ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. V. 7. № 19. Р. 16103. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b02863
  14. Cassayre L., Guzhov B., Zielinski M., Biscans B. Chemical processes for the recovery of valuable metals from spent nickel metal hydride batteries: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. V. 170. Art. 112983. doi: 10.1016/j.rser.2022.112983.
  15. Abrahami S.T, Xiao Y, Yang Y. Rare-earth elements recovery from post-consumer hard-disc drives // Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2015. V. 124. Iss. 2. P. 106. doi: 10.1179/1743285514Y.0000000084
  16. Sahoo P. K., Kim K., Powell M. A., Equeenuddin S. Recovery of metals and other beneficial products from coal fly ash: a sustainable approach for fly ash management // International Journal of Coal Science & Technology. 2016. V. 3. Iss. 3. P. 267. doi: 10.1007/s40789-016-0141-2
  17. Tan Q., Li J., Zeng X. Rare earth elements recovery from waste fluorescent lamps: a review // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2015. Vol. 45. Iss. 7. P. 749. doi: 10.1080/10643389.2014.900240
  18. Chen L., Chen W., Chen P. Selective extraction of lithium and REEs from waste rare earth polishing powder: A two-stage leaching technique // Separation and Purification Technology. 2025. V. 353. Part C. art. 128524. doi: 10.1016/j.seppur.2024.128524.
  19. Masmoudi-Soussi A., Hammas-Nasri I., Horchani-Naifer K., Férid M. Rare earths recovery by fractional precipitation from a sulfuric leach liquor obtained after phosphogypsum processing // Hydrometallurgy. 2020. V. 191. art. 105253. doi: 10.1016/j.hydromet.2020.105253.
  20. Erust C., Karacahan M. K., Uysal P.T. Hydrometallurgical roadmaps and future strategies for recovery of rare earth elements // Miner. Process. Extr. Metall. Rev. 2023. V. 44. № 6. P. 436. doi: 10.1080/08827508.2022.2073591.
  21. Chen L., He X., Dang X. et al. Rare earth dissolution from polishing powder waste in H2O2-H2SO4 system: condition optimization and leaching mechanism // Hydrometallurgy. 2024. V. 224. art. 106248. doi: 10.1016/j.hydromet.2023.106248.
  22. Li W., Li Z., Wang N., Gu H. Selective extraction of rare earth elements from red mud using oxalic and sulfuric acids // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. V. 10, art. 108650. doi: 10.1016/j.jece.2022.108650.
  23. Ding W., Bao S., Zhang Y., Xiao J. Efficient selective extraction of scandium from red mud // Miner. Process. Extr. Metall. Rev. 2022. V. 44. № 4. Р. 304. doi: 10.1080/08827508.2022.2047044.
  24. Das G., Lencka M.M., Eslamimanesh A. et al. Rare earth sulfates in aqueous systems: thermodynamic modeling of binary and multicomponent systems over wide concentration and temperature ranges // J. Chem. Thermodyn. 2019. V. 131. P. 49. doi: 10.1016/j.jct.2018.10.020.
  25. Judge W.D., Ng K.L., Moldoveanu G.A. et al. Solubilities of heavy rare earth sulfates in water (gadolinium to lutetium) and H2SO4 solutions dysprosium // Hydrometallurgy. 2023. V. 218. art. 106054. doi: 10.1016/j.hydromet.2023.106054.
  26. Kul M., Topkaya Y., Karakaya İ. Rare earth double sulfates from pre-concentrated bastnasite // Hydrometallurgy. 2008. V. 93. Iss. 3-4. P. 129 doi: 10.1016/j.hydromet.2007.11.008.
  27. Pietrelli L., Bellomo B., Fontana D., Montereali M.R. Rare earths recovery from NiMH spent batteries // Hydrometallurgy. 2002. V. 66. Iss. 1-3. P. 135. doi: 10.1016/S0304-386X(02)00107-X.
  28. Said A., Lundström M., Louhi-Kultanen M. Recovery of lanthanum from aqueous solutions by crystallization as lanthanum sodium sulfate double salt // Miner. Met. Mater. Ser. 2022. V. 74. P. 3010. doi: 10.1007/s11837-022-05259-3.
  29. Шеллер В.Р., Поуэлл А.Р. Анализ минералов и руд редких элементов; пер. с англ. М.: Госгеолтехиздат, 1962. [Scheller V.R., Powell A.R. Analysis of minerals and ores of rare elements. M.: Gosgeoltehizdat, 1962]
  30. Гиллебранд В.Ф., Лэндель Г.Э., Брайт Г.А., Гофман Д.И. Практическое руководство по неорганическому анализу. М: Химия, 1966. [Gillebrand V.F., Landel G.E., Bright G.A., Hoffman D.I. Practical guide to inorganic analysis. M: Chemistry, 1966].
  31. В.П. Волков, А.П. Гущин, Б.А. Соловьев и др. Способ разделения скандия и редкоземельных элементов. Патент № 2079431 РФ. 1997. [Volkov V.P., Gushchin A.P., Solovyov B.A. et al. Method of separation of scandium and rare earth elements. Pat. № 2079431 RU. 1997].
  32. Pasechnik L.A., Skachkov V.M., Chufarov A.Yu. et al. High purity scandium extraction from red mud by novel simple technology // Hydrometallurgy. 2021. V. 202. art. 105597. doi: 10.1016/j.hydromet.2021.105597.
  33. Pasechnik L.A., O.A. Lipina, I.S. Medyankina et al. Crystal structure and optical properties of Eu3+–doped and undoped complex sulfate KSc(SO4)2 produced by facile and efficient crystallization process // J. Alloys Compd. 2024. V. 984, art. 173968. doi: 10.1016/j.jallcom.2024.173968.
  34. Pasechnik L.A., Medyankina I.S., Tyutyunnik A.P., Bamburov V.G. Solubility of scandium-cesium double sulfate CsSc(SO4)2 in sulfuric acid solutions // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. № 12. Р. 1799. doi: 10.31857/S0044457X23601268. [Пасечник Л.А., Медянкина И.С., Тютюнник А.П., Бамбуров В.Г. Растворимость двойного сульфата скандия–цезия CsSc(SO4)2 в сернокислых растворах // Журн. неорг. химии. 2023. Т. 68. № 12. С. 1799.]
  35. Воскобойников Н.Б., Скиба С.Г. Новые методы исследования растворимости в водно-солевых системах. Л.: Наука, 1986. [Voskoboynikov N.B., Skiba S.G. New methods for studying solubility in water-salt systems. L.: Nauka, 1986].
  36. Башков Б.И., Комиссарова Л.Н., Шацкий В.М. Изучение растворимости в системе K2SO4–Sc2(SO4)3–H2SO4 при 25°С // Журн. неорг. химии. 1970. Т. 15. № 5. С. 1362. [Bashkov B.I., Komissarova L.N., Shatsky V.M. The study of solubility in the K2SO4–Sc2(SO4)3–H2SO4 system at 25°C // Russ. J. Inorg. Chem. 1970. V. 15. № 5. P. 1362.]
  37. Коротаева Л.Г., Ремизов В.Г., Дударева А.Г., Арагон Х.А. Системы сульфат калия и рубидия – сульфат скандия // Журн. неорг. химии. 1975. Т. 20. № 8. С. 2197. [Korotaeva L.G., Remizov V.G., Dudareva A.G., Alejandro Aragon H. Systems of potassium sulfate and rubidium – scandium sulfate // Russ. J. Inorg. Chem. 1975. V. 20. № 8. Р. 2197.]
  38. Korytnaya F.M., Pokrovsky A.N., P.A. Degtyarev Investigation of Phase Equilibriums in the systems K2SO4–Sc2(SO4)3, Rb2SO4–Sc2(SO4)3 and Cs2SO4–Sc2(SO4)3 // Thermochim Acta. 1980. V. 41. P. 141. doi: 10.1016/0040-6031(80)80058-x.
  39. Корытная Ф.М., Путилин С.Н., Покровский А.Н. Исследование двойных сульфатов щелочных металлов и скандия методом высокотемпературной рентгенографии // Журн. неорг. химии. 1983. Т. 28. С. 1716. [Korytnaya F.M., Putilin S.N., Pokrovsky A.N. Investigation of double sulfates of alkali metals and scandium by high-temperature radiography // Russ. J. Inorg. Chem. 1983. V. 28. P. 1716.]
  40. Han K.N., Kim R. Thermodynamic Analysis of Precipitation Characteristics of Rare Earth Elements with Sulfate in Comparison with Other Common Precipitants // Minerals. 2021. V. 11. № 7, art. 670. doi: 10.3390/min11070670 https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.10.020.
  41. Пягай И.Н., Кожевников В.Л., Пасечник Л.А., Скачков В.М. Переработка отвального шлама глиноземного производства с извлечением скандиевого концентрата // Записки Горного института. 2016. Т. 218. С. 225. ID: 26021511. [Pyagai I.N., Kozhevnikov V.L., Pasechnik L.A., Skachkov V.M. Processing of alumina production red mud with recovery of scandium concentrate // J. Mining Inst. 2016. V. 218. P. 225.]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. ТГ и ДТА кривые KSc(SO4)2 при нагревании на воздухе.

Скачать (101KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ-изображения (а) и (б) при разном увеличении и EDS-спектр (в) KSc(SO4)2.

Скачать (177KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость растворимости KSc(SO4)2 от концентрации H2SO4 в воде – 1 и с добавлением 0.5М K2SO4 – 2 при 25°C в прямых (а) и логарифмических координатах (б).

Скачать (119KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Принципиальная технологическая схема извлечения скандия из красного шлама с получением оксида скандия.

Скачать (281KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025