הכנת תחמוצות אדמה נדירות עדינות במיוחד

הכנתתחמוצות אדמה נדירות עדינות במיוחד

לתרכובות אדמה נדירה עדינות במיוחד יש מגוון רחב יותר של שימושים בהשוואה לתרכובות אדמה נדירות עם גדלי חלקיקים כלליים, וכיום יש יותר מחקר עליהן. שיטות ההכנה מחולקות לשיטת פאזה מוצקה, שיטת פאזה נוזלית ושיטת פאזה גזית בהתאם למצב הצבירה של החומר. כיום, שיטת הפאזה הנוזלית נמצאת בשימוש נרחב במעבדות ובתעשייה להכנת אבקות עדינות במיוחד של תרכובות אדמה נדירות. היא כוללת בעיקר את שיטת השיקוע, שיטת ג'ל סול, שיטת הידרותרמיות, שיטת התבנית, שיטת המיקרו-אמולסיה ושיטת הידרוליזה של אלקיד, שביניהן שיטת השיקוע היא המתאימה ביותר לייצור תעשייתי.

שיטת השיקוע היא הוספת חומר משקע לתמיסת מלח המתכת לצורך השיקוע, ולאחר מכן סינון, שטיפה, ייבוש ופירוק בחום לקבלת מוצרי אבקה. היא כוללת שיטת שיקוע ישירה, שיטת שיקוע אחידה ושיטת משקעים משותפים. בשיטת השיקוע הרגילה, ניתן להשיג תחמוצות אדמה נדירה ומלחי אדמה נדירה המכילים רדיקלים של חומצות נדיפות על ידי שריפת המשקע, בגודל חלקיקים של 3-5 מיקרומטר. שטח הפנים הסגולי קטן מ-10 מ"ר/גרם ואין לו תכונות פיזיקליות וכימיות מיוחדות. שיטת השיקוע של אמוניום פחמתי ושיטת שיקוע חומצה אוקסלית הן כיום השיטות הנפוצות ביותר לייצור אבקות תחמוצת רגילות, וכל עוד תנאי התהליך של שיטת השיקוע משתנים, ניתן להשתמש בהן להכנת אבקות תחמוצת אדמה נדירה עדינות במיוחד.

מחקרים הראו כי הגורמים העיקריים המשפיעים על גודל החלקיקים והמורפולוגיה של אבקות אולטרה-דקות של אדמה נדירה בשיטת שיקוע אמוניום ביקרבונט כוללים את ריכוז האדמה הנדירה בתמיסה, טמפרטורת המשקע, ריכוז חומר המשקע וכו'. ריכוז האדמה הנדירה בתמיסה הוא המפתח ליצירת אבקות אולטרה-דקות מפוזרות באופן אחיד. לדוגמה, בניסוי של משקעים של Y3+ להכנת Y2O3, כאשר ריכוז המסה של אדמה נדירה הוא 20~30 גרם/ליטר (מחושב לפי Y2O3), תהליך השיקוע חלק, ואבקת איטריום אוקסיד האולטרה-דקה המתקבלת משקיעת קרבונט על ידי ייבוש ושריפתה היא קטנה, אחידה, והפיזור טוב.

בתגובות כימיות, הטמפרטורה היא גורם מכריע. בניסויים הנ"ל, כאשר הטמפרטורה היא 60-70 מעלות צלזיוס, המשקע איטי, הסינון מהיר, החלקיקים רופפים ואחידים, והם בעצם כדוריים; כאשר טמפרטורת התגובה נמוכה מ-50 מעלות צלזיוס, המשקעים נוצרים מהר יותר, עם יותר גרגירים וגדלי חלקיקים קטנים יותר. במהלך התגובה, כמות ה-CO2 וה-NH3 שוצפים פחותה, והמשקעים הם בצורת דביק, שאינה מתאימה לסינון ולשטיפה. לאחר שריפתם לתחמוצת איטריום, עדיין נותרים חומרים גושיים שמצטברים בצורה משמעותית ובעלי גדלי חלקיקים גדולים יותר. ריכוז אמוניום ביקרבונט משפיע גם על גודל החלקיקים של תחמוצת איטריום. כאשר ריכוז אמוניום ביקרבונט נמוך מ-1 מול/ליטר, גודל חלקיקי תחמוצת האיטריום המתקבל קטן ואחיד; כאשר ריכוז אמוניום ביקרבונט עולה על 1 מול/ליטר, יתרחש משקעים מקומיים, מה שיגרום להתקבצות ולחלקיקים גדולים יותר. בתנאים מתאימים, ניתן להשיג אבקת תחמוצת איטריום דקה במיוחד של 0.01-0.5 מיקרומולר.

בשיטת שיקוע האוקסלט, מוסיפים טיפות של תמיסת חומצה אוקסלית ואמוניה כדי להבטיח ערך pH קבוע במהלך תהליך התגובה, וכתוצאה מכך מקבלים גודל חלקיקים קטן מ-1 מיקרומולר של אבקת איטריום תחמוצת. ראשית, יש לזרז את תמיסת האיטריום חנקתית עם מי אמוניה כדי לקבל קולואיד איטריום הידרוקסיד, ולאחר מכן להמיר אותה עם תמיסת חומצה אוקסלית כדי לקבל גודל חלקיקים קטן מ-1 מיקרומולר של אבקת Y2O3 בריכוז m. מוסיפים EDTA לתמיסת Y3+ של איטריום חנקתית בריכוז של 0.25-0.5 מול/ליטר, מכוונים את ה-pH ל-9 עם מי אמוניה, מוסיפים אמוניום אוקסלט, וטפטפים תמיסת HNO3 בריכוז של 3 מול/ליטר בקצב של 1-8 מ"ל/דקה ב-50 מעלות צלזיוס עד להשלמת השיקוע ב-pH=2. ניתן להשיג אבקת איטריום תחמוצת בגודל חלקיקים של 40-100 ננומטר.

במהלך תהליך ההכנהתחמוצות אדמה נדירות עדינות במיוחדבשיטת המשקע, דרגות שונות של צבירה נוטות להתרחש. לכן, במהלך תהליך ההכנה, יש צורך לשלוט בקפדנות בתנאי הסינתזה, על ידי התאמת ערך ה-pH, שימוש בחומרי משקע שונים, הוספת חומרי פיזור ושיטות אחרות לפיזור מלא של תוצרי הביניים. לאחר מכן, נבחרות שיטות ייבוש מתאימות, ולבסוף, מתקבלות אבקות אולטרה-דקות של תרכובות אדמה נדירות מפוזרות היטב באמצעות קלצינציה.