Способ получения циркона, содержащего изоморфные примеси
METHOD FOR PRODUCTION OF ZIRCON CONTAINING ISOMORPHOUS IMPURITIES

Настоящее изобретение относится к получению циркона, содержащего изоморфные примеси, и может быть использовано при получении пигментов, катализаторов, люминесцентных материалов, а также для иммобилизации радиоактивных отходов.
4
При получении циркона ZrSiO, допированного различными металлами, присутствующими в виде изоморфных примесей, применяют способы, основанные на смешении оксидов циркония, кремния и примесного металла и прокаливании смеси при высоких температурах в течение длительного времени, что обусловлено высокой устойчивостью оксидов циркония и кремния.
Известен способ получения циркона, содержащего изоморфные примеси (см. Ushakov S.V., Burakov В.Е., Garbuzov V.M., et al., Synthesis of Cedoped zircon by a sol-gel process. Scientific Basis for Nuclear Waste Management XXI, 506, 281-288, 1998), включающий приготовление водно-метанольного раствора тетраэтоксисилана, оксинитрата цирконила и нитрата церия и аммония, получение на его основе геля в течение 80-200 часов, высушивание геля при 90°С с последующей термообработкой при 900°С и дальнейшим прокаливанием при 1400-1600°С в течение 1 часа на воздухе. Выход циркона при прокаливании составляет 85 мас.%, а содержание церия в цирконе - 2-4 ат. %.
Недостатками данного способа являются повышенная температура прокаливания смеси, значительное число операций, недостаточно высокий выход циркона и относительно невысокое содержание в нем изоморфной примеси церия, а также необходимость использования дорогостоящих реагентов и утилизации жидкофазных стоков. Все это снижает технологичность способа.
6
Известен также принятый в качестве прототипа способ получения циркона, содержащего изоморфные примеси (см. пат. 2049067 РФ, МПК C01G 25/00, 1991), включающий приготовление шихты смешением в шаровой мельнице порошка оксидов кремния, порошка примесного металла и пудры металлического циркония, прессование шихты в виде таблеток под давлением 10 МПа, нагрев в среде гелия, не снимая давления, до 1900°С, снижение давления до атмосферного, снижение температуры до 1600°С, дальнейшее снижение температуры до 1200°С в течение 3 суток с последующим прекращением нагревания и остыванием. Выход допированного циркона составляет не менее 75 мас.%.
Недостатками известного способа являются повышенная температура и большая продолжительность прокаливания смеси, необходимость проведения прокаливания при высоком давлении в инертной атмосфере, а также недостаточно высокий выход циркона. Все это снижает технологичность способа.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении технологичности способа за счет снижения температуры и длительности прокаливания шихты при уменьшении числа операций, а также повышения выхода циркона.
Технический результат достигается тем, что в способе получения циркона, содержащего изоморфные примеси, включающем приготовление смеси на основе цирконийсодержащего компонента, диоксида кремния и оксида примесного металла, механообработку смеси и прокаливание полученной шихты, согласно изобретению, в качестве цирконийсодержащего компонента берут диоксид циркония, в качестве диоксида кремния - аморфный диоксид кремния, а в качестве оксида примесного металла - диоксид церия, механообработку смеси ведут в планетарной мельнице при интенсивности энергоподвода не менее 5 кДж/с на 1 кг смеси в течение 10-30 минут, а прокаливание шихты осуществляют в воздушной среде при температуре 1200-1250°С в течение 2,5-3,0 часов.
Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.
Использование диоксида циркония в качестве цирконийсодержащего компонента обеспечивает прямое образование циркона в результате взаимодействия с диоксидом кремния и оксидом примесного металла без необходимости получения промежуточного аморфного соединения, содержащего цирконий, примесный металл и кислород, при высокой температуре в инертной среде под давлением.
Использование в качестве диоксида кремния аморфного диоксида кремния позволяет увеличить скорость реакции его взаимодействия с диоксидом циркония с образованием циркона.
Использование в качестве оксида примесного металла диоксида церия обеспечивает получение целевого продукта - циркона, содержащего изоморфную примесь металла.
Проведение механообработки смеси компонентов в планетарной мельнице при интенсивности энергоподвода не менее 5 кДж/с на 1 кг смеси в течение 10-30 минут позволяет обеспечить высокую степень гомогенизации компонентов смеси, а также формирование микрокомпозитов диоксида циркония, аморфного диоксида кремния и диоксида церия. В результате увеличивается скорость реакции образования циркона, что позволяет снизить температуру прокаливания. При интенсивности энергоподвода менее 5 кДж/с на 1 кг смеси и времени механообработки менее 10 минут скорость реакции образования циркона при прокаливании будет низка. Время механообработки более 30 минут нежелательно по причине высоких энергозатрат без существенного увеличения скорости реакции образования циркона при прокаливании.
Осуществление прокаливания шихты в воздушной среде при температуре 1200-1250°С и атмосферном давлении в течение 2,5-3,0 часов упрощает способ и обеспечивает высокий выход циркона, содержащего изоморфную примесь церия. Прокаливание при температуре менее 1200°С в течение менее 2,5 часов существенно снижает скорость образования циркона, а прокаливание при температуре более 1250°С и времени более 3 часов нецелесообразно, поскольку с ростом температуры уменьшается выход циркона и содержание в нем изоморфной примеси церия, а также повышаются энергозатраты.
Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в повышении технологичности способа за счет снижения температуры и длительности прокаливания шихты при уменьшении числа операций, а также повышения выхода циркона.
Сущность заявляемого способа может быть пояснена следующими примерами.
Пример 1. Берут диоксид циркония, аморфный диоксид кремния и диоксид церия при мольном отношении Si:Zr:Ce=1,0:0,9:0,1 и подвергают механообработке в планетарной мельнице в течение 14 минут при интенсивности энергоподвода 10 кДж/с на 1 кг смеси. Полученную шихту прокаливают в воздушной среде при температуре 1200°С течение 2,8 часов. Выход циркона составил 93 мас.%, содержание церия в цирконе - 5 ат.%.
Пример 2. Берут диоксид циркония, аморфный диоксид кремния и диоксид церия при мольном отношении Si:Zr:Ce=T,0:1,0:0,1 и подвергают механообработке в планетарной мельнице в течение 30 минут при интенсивности энергоподвода 5 кДж/с на 1 кг смеси. Полученную шихту прокаливают в воздушной среде при температуре 1250°С течение 2,5 часов. Выход циркона составил 94 мас.%, содержание церия в цирконе - 4,9 ат.%.
Пример 3. Берут диоксид циркония, аморфный диоксид кремния и диоксид церия при мольном отношении Si:Zr:Ce=1,0:0,95:0,1 и подвергают механообработке в планетарной мельнице в течение 10 минут при интенсивности энергоподвода 15 кДж/с на 1 кг смеси. Полученную шихту прокаливают в воздушной среде при температуре 1230°С течение 3 часов. Выход циркона составил 97 мас.%, содержание церия в цирконе - 5,1 ат.%.
Из вышеприведенных Примеров видно, что способ согласно изобретению позволяет снизить (до 1200°С) температуру прокаливания шихты, уменьшить (до 2,5 часов) длительность прокаливания шихты, а также уменьшить число операций и повысить выход циркона до 97 мас.%. Все это повышает технологичность заявляемого способа. Способ относительно прост и может быть реализован в промышленных условиях.