Изобретение относится к получению треххлористого титана, используемого в качестве компонента активного покрытия анодов, катализатора в органическом синтезе, а также в процессах очистки воды.
Известны способы получения треххлористого титана, включающие взаимодействие металлического титана с водным раствором соляной кислоты концентрацией при нагревании [Пат. РФ 2316475 02.02.2008; JP 080208227, опубл. 13.08.1996].
Недостатками известных способов являются технологические затруднения ведения процесса, сложность и дороговизна аппаратурного оформления, дорогостоящее сырье.
Известны способы получения хлоридов титана (II и III) (ст. Низшие хлориды титана, их свойства, получение и применение (обзор литературы и патентов). - Г.Н. Гопиенко. - Ж. Цветная металлургия. - 1964. - №4, стр. 26-29; ст. Разработка технологии получения и очистки титансодержащих расплавов с применением механического перемешивания. - Р.А. Сандлер, А. И. Гулякин, Д.С.Абрамов, Е.Н. Пинаев, Э.И. Яскеляйнен, Л.М. Бердникова, Г.С. Лукашенко, Б.А. Карпов. - Труды ВАМИ - Производство магния и титана, №83, Ленинград, 1972, стр. 94-98; ст. Разработка технологических основ процесса получения низших хлоридов титана. - С.В. Александровский, Л.М. Бердникова, А.И. Гулякин, Е.Н. Пинаев, Д.С. Абрамов. - Ж. Цветная металлургия, №12, 1977, - стр. 29-31; Пат РФ №: 2370445 от 20.10.2009), включающий подачу в герметичный реактор расплава хлоридов металлов, металлического титана (отход) и подачу тетрахлорида титана в реактор.
Процесс ведут в инертной атмосфере хлориды титана извлекают из реактора отстаиванием или фильтрованием.
Недостатком данных способов является высокая стоимость сырья, сложность аппаратурной схемы, высокие энергетические затраты (расплав солей) и значительные количества трудноутилизируемого остатка (сброс в отвал).
Известны способы получения треххлористого титана (Патент СССР 504496 1972; Патент США 4235745, 1980; Патент США 4199474, 1980; Патент РФ 2053841, 1993), включающие восстановление тетрахлорида титана органическими соединениями.
Недостатками данных способов являются: большая длительность процесса синтеза; низкая стабильность катализатора при его хранении (температура хранения), высокая стоимость исходных реагентов.
Известен способ получения треххлористого титана, включающий обработку тетрахлорида титана водородом или металлами (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с.; Горощенко Я.Г. Химия титана. - Киев: Наук. Думка, 1970. - 415 с.; Фурман А.А. Неорганические хлориды (химия и технология) Москва, Химия, 1980. - 416 с.) при нагревании:
Ключевыми недостатками способа являются сложность аппаратурной схемы и загрязнение продукта катионами металлов.
Известен способ конверсии соли цветного металла, в частности никеля (см. Карякин Ю.В., Ангелов Н.И. Чистые вещества. М: Химия, 1973, с. 292), в соответствии с которым в раствор аммиака вводят конвертируемый сульфат никеля, смесь выдерживают в течение ночи, затем добавляют в нее хлорид аммония с получением малорастворимого аммиаката хлористого никеля, который после фильтрации и промывки прокаливают.
Недостатком данного способа является необходимость получения промежуточного продукта и проведение высокотемпературной прокалки, что усложняет способ, ведет к потерям целевого компонента и, соответственно, снижению степени конверсии. Кроме того, недостатком способа является ограниченный ассортимент получаемых солей никеля.
Известен способ конверсии хлорида металла в его сульфат (см. Карякин Ю.В., Ангелов Н.И. Чистые вещества. М.: Химия, 1973. С. 151-152), в соответствии с которым в теплый раствор сульфата аммония добавляют раствор хлорида кальция. После отстаивания осадка его 5-6 раз промывают декантацией водой, а затем отделяют от раствора фильтрованием. Полученный осадок отмывают водой до отсутствия следов ионов аммония и затем высушивают при температуре 70-80°С. Полученная соль соответствует марке «Ч», степень конверсии составляет 80-85%.
Данный способ характеризуется недостаточно высокой степенью конверсии хлорида металла в его сульфат. К недостаткам способа также следует отнести получение ограниченного ассортимента сульфатов металлов, так как многие металлы образуют хорошо растворимые соли и не могут быть выделены из раствора таким путем. Способу присущ высокий расход реагентов и невозможность получения высокочистых сульфатов.
Наиболее близким по достигаемому результату и технической сущности (прототип) является способ конверсии соли цветного металла (Патент РФ 2430171 от 21.06.2010), включающий противоточную экстракцию цветного металла из раствора его конвертируемой соли с использованием в качестве катионообменного экстрагента в солевой форме раствора фосфорорганической кислоты в инертном разбавителе и реэкстракцию цветного металла конвертирующей кислотой с получением реэкстракта, содержащего конвертированную соль цветного металла.
Существенным недостатком предполагаемого способа (прототипа) является необходимость применения дорогого фосфорсодержащего реагента и сложность процесса реэкстракции, а получаемый продукт имеет крайне низкую продажную стоимость.
Задачей данного изобретения является разработка способа получения хлорида титана (III) без использования фосфорсодержащих ионитов и отличающегося пониженной стоимостью.
Поставленная задача решается способом конверсии соли титана, включающим противоточную экстракцию титана из раствора его конвертируемой соли с использованием катионообменного экстрагента, и реэкстракцию титана конвертирующей кислотой с получением реэкстракта, содержащего конвертированную соль титана, при этом в качестве раствора конвертивуемой соли используют раствор сульфата титана (III), в качестве катионообменного экстрагента используют сильноосновную катионообменную смолу, а реэкстракцию проводят 5-18% масс. соляной кислотой при соотношении Т:Ж 1:1-3, и линейной скоростью 2-6 м/ч.
Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами:
ПРИМЕР 1.
Раствор, содержащий 0,5 г сульфата титана (III) пропускают через катионообменную колонну (площадь сечения 5 см3, высота слоя 10 см) заполненную синтетической сильноосновной катионообменной смолой (катионитом) типа КУ 2-8 вплоть до насыщения катеонита, а реэкстракцию (десорбцию) ведут 5% масс. соляной кислотой объемом 150 см3 (соотношение катионит:кислота 1:3) с линейной скоростью 2 м/ч. Степень конверсии уловленного на катионообменной смоле сульфата титана (III) в хлорид титана (III) составляет 99%.
ПРИМЕР 2.
Раствор, содержащий 0,5 г сульфата титана (III) пропускают через катионообменную колонну (площадь сечения 5 см3, высота слоя 10 см) заполненную синтетической сильноосновной катионообменной смолой (катионитом) типа КУ 2-8 вплоть до насыщения катеонита, а реэкстракцию (десорбцию) ведут 10% масс. соляной кислотой объемом 100 см3(соотношение катионит:кислота 1:2) с линейной скоростью 4 м/ч. Степень конверсии уловленного на катионообменной смоле сульфата титана (III) в хлорид титана (III) составляет 99%.
ПРИМЕР 3.
Раствор, содержащий 0,5 г сульфата титана (III) пропускают через катионообменную колонну (площадь сечения 5 см3, высота слоя 10 см) заполненную синтетической сильноосновной катионообменной смолой (катионитом) типа КУ 2-8 вплоть до насыщения катионита, а реэкстракцию (десорбцию) ведут 18% масс. соляной кислотой объемом 50 см3 (соотношение катионит:кислота 1:1) с линейной скоростью 6 м/ч. Степень конверсии уловленного на катионообменной смоле сульфата титана (III) в хлорид титана (III) составляет 99%.
При отклонении расхода десорбирующего раствора (соляной кислоты) сверх указанных соотношений происходит или существенный перерасход и получаются слишком разбавленные растворы (при соотношении 1:4 и более), либо недостаточная степень конверсии (при соотношении 1:0,9 и менее). Скорость десорбции менее 2 м/ч существенно замедляют процесс и увеличивают размеры оборудования, а сверх 6 м/ч снижает степень конверсии. Применение кислоты менее 5% не позволяет эффективно десорбировать металл с поверхности смолы при увеличении концентрации кислоты более 18% масс не увеличивает степень конверсии, однако существенно повышает стоимость процесса.
Как видно из представленных примеров отказ от использования дорогого, сложного в производстве и эксплуатации фосфорсодержащего ионита позволяет не только упростить производство за счет изменения механизма экстракции/реэкстракции, но и существенно снизить стоимость получаемого продукта.
Результаты получены при использовании оборудования ЦКП им. Д. И. Менделеева.