[发明专利]稀土金属氧化物的制备

说明书

从一种或多种稀土金属的混合物中萃取稀土金属的方法，所述方法包括使稀土金属的酸性溶液与包含离子液体的组合物接触以形成水相和选择性萃取稀土金属的非水相；从非水相中回收稀土金属；并将回收的稀土金属加工成稀土金属氧化物。

本发明涉及稀土金属氧化物的制备。特别地，本发明涉及稀土金属氧化物的制备方法，在该方法中使用专门设计的离子液体萃取和分离稀土金属。

稀土金属包括镧系元素(La至Lu)、Y和Sc，具有独特的物理化学性质，使其成为例如风车、LCD/LED显示器、荧光粉、磁盘驱动器(硬盘)等众多高科技产品和环境技术的重要组成部分。这些应用需要向工业不断供应高纯度稀土金属，目前通过开采和加工这些金属的天然矿石来满足这些要求。然而，有人担心这些金属的需求量呈指数增长，将在未来几年超过供应量，因此，探索这些有价值金属的其他次级来源已引起人们的关注。其中一种来源是从报废材料和制造废物材料(通常称为“城市采矿”)中回收稀土金属，虽然这是非常具有挑战性的，但它可以连续供应稀土金属。城市采矿最重要的要求之一是开发具有成本效益和稳健的分离工艺/技术，这些工艺/技术能够可选择地和有效地将稀土金属彼此分离(组内分离)以提供高纯度的稀土金属。

在过去的五十年中已经开发了各种方法，例如液-液萃取法(例如-Poulenc法)、离子交换法和沉淀法。在各种可用技术中，液-液萃取法由于其具有可扩展性、适应性和可回收性，因此是最合适的商业方法。另外，迄今为止使用的液-液萃取法使用商用有机磷萃取剂，其不针对单种稀土金属具有特定的选择性，从而需要进行多个步骤才能将稀土金属彼此分离(参见表1)。此外，通常需要额外的处理步骤来回收高纯度的稀土金属。这些因素导致加工成本的不断增加，从而给消费品的总体成本带来压力。而且，采用的大多数分离稀土金属的方法需要使用有机溶剂，由于有机溶剂具有毒性、挥发性和可燃性，因而被认为是不环保的。

目前使用的一些工业液-液萃取法可用于稀土金属的组内分离(例如将钕与镝分离)，以下在表1中对这些方法进行了比较。

稀土金属对的分离因子表示为稀土金属的分配比(D_M)的比，其中稀土金属的分配比被确定为其在非水相和水相中的浓度比，即D_M＝[M]_N-Aq/[M]_Aq。例如，镝相对于钕的分离因子＝D_Dy/D_Nd。

表1：常用REM萃取剂的分离因子的比较

另一种最常用的有机磷萃取剂P507(2-乙基己基磷酸单(2-乙基己基)酯)也具有低分离因子，对重稀土金属的选择性通常低于轻稀土金属(例如Tm/Er(3.34)、Yb/Tm(3.56)和Lu/Yb(1.78))。许多常见稀土金属萃取剂如P507的另一个显着缺点是难以完全反萃取重稀土金属，特别是Tm(III)、Yb(III)和Lu(III)，即使在较高的酸度下也是如此。稀土金属的低选择性导致有效分离所需的步骤太多，稀土金属的低可萃取性要求使用更高浓度的萃取剂。生产有机磷萃取剂还需要复杂的合成方法，并且起始原料是危险品，而这些萃取剂的稳定性和再循环性也是有限的。萃取剂的乳化和浸出也是另一个常见问题。

Fryxell等人报道了与二氧化硅载体连接的螯合二酰胺萃取剂用于分离镧系元素(Inorganic Chemistry Communications,2011,14,971-974)。然而，该系统不能在酸性条件下(pH5)萃取稀土金属，并且关键的是，低吸收且稀土金属之间的分离因子非常低。

离子液体也被用作稀土金属的潜在萃取剂。Binnemans等报道了用甜菜碱阳离子-二(三氟甲基-磺酰)亚胺离子液体从过渡金属化合物的混合物中萃取Nd和Dy或Y和Eu(Green Chemistry,2015,17,2150-2163；Green Chemistry,2015,17,856-868)。然而，该系统不能选择性地进行稀土金属之间的组内分离。