Анализ процессов разделения редкоземельных элементов в каскаде смесительно-отстойных экстракторов методами жидкостно-жидкостной хроматографии

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Для разделения редкоземельных элементов в промышленном масштабе в настоящее время используются методы жидкостной экстракции, обычно реализуемые в сложных многостадийных системах, состоящих из множества смесительно-отстойных экстракторов. Настоящая работа посвящена теоретическому анализу процессов разделения редкоземельных элементов в каскаде смесительно-отстойных экстракторов в режиме жидкостно-жидкостной хроматографии. Благодаря простоте реализуемой схемы и возможности проведения разделения в одной технологической операции, была показана перспективность применения методов жидкостно-жидкостной хроматографии для разделения и выделения из водных растворов концентрированных фракций редкоземельных элементов в каскаде смесительно-отстойных экстракторов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. Е. Костанян

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Author for correspondence.
Email: kost@igic.ras.ru
Russian Federation, Москва

Д. В. Лобович

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: kost@igic.ras.ru
Russian Federation, Москва

A. A. Вошкин

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: kost@igic.ras.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Xie F., Zhang T.A., Dreisinger D., Doyle F. A critical review on solvent extraction of rare earths from aqueous solutions // Miner. Eng. 2014. V. 56. P. 10.
  2. Jha M.K., Kumari A., Panda R., Rajesh Kumar J., Yoo K., Lee J.Y. Review on hydrometallurgical recovery of rare earth metals: SI: IC-LGO 2015 // Hydrometallurgy. 2016. V. 165. P. 2.
  3. Галиева Ж.Н., Абрамов А.М., Соболь Ю.Б., Игумнов М.С., Геря В.О., Шулин С.С., Чижевская С.В. Разработка универсальной технологии и оборудования для разделения редкоземельных концентратов в каскадах центробежных экстракторов, освоение производства // Хим. Пром. Сегодня. 2019. № 3. C. 54.
  4. Chen L., Wu Y., Dong H., Meng M., Li C., Yan Y., Chen J. An overview on membrane strategies for rare earths extraction and separation // Sep. Purif. Technol. 2018. V. 197. P. 70.
  5. Banda R., Jeon H.S., Lee M.S. Solvent extraction separation of La from chloride solution containing Pr and Nd with Cyanex 272 // Hydrometallurgy. 2012. V. 121-124. P. 74.
  6. Kashi E., Habibpour R., Gorzin H., Maleki A. Solvent extraction and separation of light rare earth elements (La, Pr and Nd) in the presence of lactic acid as a complexing agent by Cyanex 272 in kerosene and the effect of citric acid, acetic acid and Titriplex III as auxiliary agents // J. Rare Earths. 2018. V. 36. № 3. P. 317.
  7. Michelsen O.B., Smutz M. Separation of yttrium, holmium, and erbium with di-(2-ethylhexyl) phosphoric acid in chloride and nitrate systems // J. Inorg. Nucl. Chem. 1971. V. 33. № 1. P. 265.
  8. Radhika S., Kumar B.N., Kantam M.L., Reddy B.R. Liquid–liquid extraction and separation possibilities of heavy and light rare-earths from phosphoric acid solutions with acidic organophosphorus reagents // Sep. Purif. Technol. 2010. V. 75. № 3. P. 295.
  9. Zhang F., Wu W., Dai J., Bian X. Extraction and separation of Pr(III)/Ce(III) from chloride medium by 2-ethylhexylphosphonic acid mono-(2-ethylhexyl) ester in the presence of two complexing agents // Sep. Purif. Technol. 2016. V. 51. № 5. P. 778.
  10. Wang Y., Liao W., Li D. A solvent extraction process with mixture of CA12 and Cyanex272 for the preparation of high purity yttrium oxide from rare earth ores // Sep. Purif. Technol. 2011. V. 82. P. 197.
  11. Liu Y., Jeon H.S., Lee M.S. Solvent extraction of Pr and Nd from chloride solution by the mixtures of Cyanex 272 and amine extractants // Hydrometallurgy. 2014. V. 150. P. 61.
  12. Liu Y., Jeon H.S., Lee M.S. Separation of Pr and Nd from La in chloride solution by extraction with a mixture of Cyanex 272 and Alamine 336 // Met. Mater. Int. 2015. V. 21. №. 5. P. 944.
  13. Chen B., He M., Zhang H., Jiang Z., Hu B. Chromatographic Techniques for Rare Earth Elements Analysis // Phys. Sci. Rev. 2017. V. 2. № 4.
  14. Chen Z., Li Z., Chen J., Kallem P., Banat F., Qiu H. Recent advances in selective separation technologies of rare earth elements: a review // J. Environ. Chem. Eng. 2022. V. 10. № 1. Article number. 107104.
  15. Danouche M., Bounaga A., Oulkhir A., Boulif R., Zeroual Y., Benhida R., Lyamlouli K. Advances in bio/chemical approaches for sustainable recycling and recovery of rare earth elements from secondary resources // Sci. Total Environ. 2024. V. 912. Article number. 168811.
  16. Ignatova S.N., Maryutina T.A., Spivakov B.Ya., Karandashev V.K. Group separation of trace rare-earth elements by countercurrent chromatography for their determination in high-purity calcium chloride // Fresenius J. Anal. Chem. 2001. V. 370. № 8. P. 1109.
  17. Akiba K. High-speed countercurrent chromatography for separation of americium from lanthanides // J. Radioanal. Nucl. Ch. 2001. V. 249. P. 547.
  18. Akiba K., Hashimoto H., Tsuyoshi A., Nakamura S. High-speed countercurrent chromatographic purification of middle lanthanoids // J. Liq. Chromatogr. Relat. Technol. 1999. V. 22. № 18. P. 2795.
  19. Jin Y.-R., Zhang L.-Z., Han S.-J., Zhang L.-X., Zhang J.-M., Zhou G.-Q., Dong H.-B. Behavior of lanthanides in countercurrent chromatography using dihexyl-N,N-diethylcarbamoyl methylene phosphonate as stationary phase // J. Chromatogr. A. 2000. V. 888. № 1. P. 137.
  20. Ma Z., Zhang L., Han S. Separation of samarium, gadolinium, terbium, gysprosium, erbium and ytterbium by high-speed countercurrent chromatography with organophosphate ester // J. Chromatogr. A. 1997. V. 766. № 1. P. 282.
  21. Nakamura S., Hashimoto H., Akiba K., Saito Y. Mutual Separation of Heavy Lanthanoid Elements and Yttrium by High-Speed Countercurrent Chromatography // Anal. Sci. 1997. V. 13. № 4. P. 525.
  22. Dembowski M., Rowley J.E., Boland K., Droessler J., Hathcoat D.A., Marchi A., Goff G.S., May I. Rare earth element separations by high-speed counter-current chromatography // J. Chromatogr. A. 2022. V. 1682. Article number. 463528.
  23. Friesen J.B., McAlpine J.B., Chen S.-N., Pauli G.F. The 9th International Countercurrent Chromatography Conference held at Dominican University. Chicago. USA. August 1–3. 2016 // J. Chromatogr. A. 2017. V. 1520. P. 1.
  24. Ignatova S., Sutherland I. The 8th International Conference on Counter-current Chromatography held at Brunel University, London, UK, July 23–25, 2014 // J. Chromatogr. A. 2015. V. 1425. P. 1.
  25. Conway W.D. Counter-current chromatography: Simple process and confusing terminology: Selected Papers from the 6th International Conference on Countercurrent Chromatography // J. Chromatogr. A. 2011. V. 1218. № 36. P. 6015.
  26. Morley R., Minceva M. Operating mode and parameter selection in liquid–liquid chromatography // J. Chromatogr. A. 2020. V. 1617. Article number. 460479.
  27. Ito Y. Golden rules and pitfalls in selecting optimum conditions for high-speed counter-current chromatography // J. Chromatogr. A. 2005. V. 1065. № 2. P. 145.
  28. Guilois-Dubois S., Guyot S., Poupard P. Preparative isolation of apple flavan-3-ols monomers and oligomers using pH-zone-refining centrifugal partition chromatography combined with reversed-phase liquid chromatography // J. Chromatogr. A. 2021. V. 1653. Article number. 462382.
  29. Li H., Zhang F., Jin Q., Zhu T. Preparative separation and purification of Cyclosporin D from fungus Hypoxylon Spp. by improved closed-loop recycling counter-current chromatography // J. Chromatogr. A. 2021. V. 1649. Article number. 462221.
  30. Oka H., Iwaya M., Harada K., Suzuki M., Ito Y. Recycling Foam Countercurrent Chromatography // Anal. Chem. 2000. V. 72. № 7. P. 1490.
  31. Quiñones I., Grill C.M., Miller L., Guiochon G. Modeling of separations by closed-loop steady-state recycling chromatography of a racemic pharmaceutical intermediate // J. Chromatogr. A. 2000. V. 867. № 1. P. 1.
  32. Han Q.B., Song J.Z., Qiao C.F., Wong L., Xu H.X. Preparative separation of gambogic acid and its C-2 epimer using recycling high-speed counter-current chromatography // J. Chromatogr. A. 2006. V. 1127. № 1. P. 298.
  33. Xie J., Deng J., Tan F., Su J. Separation and purification of echinacoside from Penstemon barbatus (Can.) Roth by recycling high-speed counter-current chromatography // J. Chromatogr. B. 2010. V. 878. № 28. P. 2665.
  34. Nagai T., Mizobe H., Otake I., Ichioka K., Kojima K., Matsumoto Y., Gotoh N., Kuroda I., Wada S. Enantiomeric separation of asymmetric triacylglycerol by recycle high-performance liquid chromatography with chiral column // J. Chromatogr. A. 2011. V. 1218. № 20. P. 2880.
  35. Tong S., Guan Y.-X., Yan J., Zheng B., Zhao L. Enantiomeric separation of (R, S)-naproxen by recycling high speed counter-current chromatography with hydroxypropyl-β-cyclodextrin as chiral selector // J. Chromatogr. A. 2011. V. 1218. № 32. P. 5434.
  36. He J.-M., Huang J., Wu W.-L., Mu Q. Unlimited recycling counter-current chromatography for the preparative separation of natural products: Naphthaquinones as examples // J. Chromatogr. A. 2020. V. 1626. Article number. 462221.
  37. Peng A., Hewitson P., Sutherland I., Chen L., Ignatova S. How changes in column geometry and packing ratio can increase sample load and throughput by a factor of fifty in Counter-Current Chromatography // J. Chromatogr. A. 2018. V. 1580. P. 120.
  38. Roehrer S., Minceva M. Evaluation of Inter-Apparatus Separation Method Transferability in Countercurrent Chromatography and Centrifugal Partition Chromatography // Separations. 2019. V. 6. № 3. P. 36.
  39. Kostanyan A.E., Voshkin A.A., Kodin N.V. Controlled-cycle pulsed liquid–liquid chromatography. A modified version of Craig’s counter-current distribution: Selected Papers from the 6th International Conference on Countercurrent Chromatography // J. Chromatogr. A. 2011. V. 1218. № 36. P. 6135.
  40. Kostanyan A.E., Belova V.V., Tsareva Y.V., Petyaeva M.M. Separation of Rare Earth Elements in Multistage Extraction Columns in Chromatography Mode: Experimental Study and Mathematical Simulation // Processes. 2023. V. 11. №. 6. P. 1757.
  41. Костанян А.Е., Царева Ю.В., Белова В.В. Выделение из растворов концентрированных фракций компонентов в каскаде многоступенчатых экстракционных колонн методами рециркуляционной жидкостно-жидкостной хроматографии // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 3. С. 357.
  42. Костанян А.Е. Экстракционно-хроматографическое разделение редкоземельных металлов в каскаде центробежных экстракторов // Журн. неорган. химии. 2017. V. 62. № 12. P. 1666.
  43. Костанян А.Е., Милевский Н.А., Вошкин А.А. Анализ процессов экстракционно-хроматографического разделения в каскаде смесительно-отстойных экстракторов // Теорет. основы хим. технологии. 2021. Т. 55. N 5. C. 559.
  44. Kostanyan A.E., Erastov A.A. Industrial countercurrent chromatography separations based on a cascade of centrifugal mixer-settler extractors // J. Chromatogr. A. 2018. V. 1572. P. 212.
  45. Kostanyan A.E., Galieva Z.N., Semenov A.A., Aldushkin A.V. Chromatographic behavior of six lanthanides on a centrifugal mixer-settler extractor cascade // J. Chromatogr. A. 2020. V. 1634. Article number. 461686.
  46. Afonin M.A., Nechaev A.V., Yakimenko I.A., Belova V.V. Extraction of Rare Earth Elements from Chloride Solutions Using Mixtures of P507 and Cyanex 272 // Compounds. 2024. V. 4. № 1. P. 172.
  47. Kostanyan A., Martynova M. Modeling of two semi-continuous methods in liquid–liquid chromatography: Comparing conventional and closed-loop recycling modes // J. Chromatogr. A. 2020. V. 1614. Article number. 460735.
  48. Kostanyan A.A., Voshkin A.A., Belova V.V. Analytical, Preparative, and Industrial-Scale Separation of Substances by Methods of Countercurrent Liquid-Liquid Chromatography // Molecules. 2020. V. 25. № 24. Article number. 6020.
  49. Kostanyan A.E., Voshkin A.A. Modeling of analytical, preparative and industrial scale counter-current chromatography separations // Journal of Chromatography A. 2024. Т. 1713. Article number. 464534.
  50. Kostanyan A.E. A simple and highly efficient counter-current chromatography method for the isolation of concentrated fractions of compounds based on the sequential sample loading technique: Comparative theoretical study of conventional multiple and intermittent sample loading counter-current chromatography separations // J. Chromatogr. A. 2021. V. 1647. Article number. 462163.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Modeling of a periodic process of chromatographic separation of REE in a cascade of 100 mixing and settling extractors: a – for a REE solution loading duration tₛ = 0.2 and an organic phase delay in the extractors S = 0.8; b – for a REE solution loading duration tₛ = 0.3 and an organic phase delay in the extractors S = 0.8; c – for a REE solution loading duration tₛ = 0.2 and an organic phase delay in the extractors S = 0.5; d – for a REE solution loading duration tₛ = 0.3 and an organic phase delay in the extractors S = 0.5.

Download (7KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Simulation of the periodic process of chromatographic separation of REE in a cascade of 50 mixing and settling extractors: a – for the REE solution loading duration tₛ = 0.2 and the organic phase delay in the extractors S = 0.8; b – for the REE solution loading duration tₛ = 0.3 and the organic phase delay in the extractors S = 0.8; c – for the REE solution loading duration tₛ = 0.2 and the organic phase delay in the extractors S = 0.5; d – for the REE solution loading duration tₛ = 0.3 and the organic phase delay in the extractors S = 0.5. The output concentration profiles are calculated using equation (1).

Download (7KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Profiles of output concentrations after two consecutive loadings of REE solution in cascades of 100 mixing and settling extractors with the duration of each loading tₛ = 0.2 and the delay of the organic phase in the extractors S = 0.8. a – loading 1; b – loading 2; c – loading 3; calculated using equations (2), (6) and (8). The interval between loadings tin=13.3.

Download (4KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Schemes of connection of stages of the extractor cascade when operating in the recirculation chromatography mode: a – without recycle pipeline; b – with recycle pipeline.

Download (20KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Results of modeling the periodic process of REE separation in a cascade of 50 mixing-sedimenting extractors in the recirculation chromatography mode. Process parameters: tₛ = 0.3, S = 0.5, b = 1.5.

Download (4KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Modeling of a periodic process of REE separation in a cascade of 100 mixing-sedimenting extractors in the recirculation chromatography mode. Process parameters: tₛ = 0.6, S = 0.5, b = 1.5

Download (28KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Modeling of the process of separation of the concentrated yttrium fraction from the REE solution after two consecutive loadings during two recirculation cycles. Profiles of element concentrations at the outlet of the last extractor: a – after the first cycle; b – after the second cycle from the second loading; c – after the second cycle from two loadings. Process parameters: N = 100, tₛ = 0.2, tRt = 6, S = 0.5, b = 1.5.

Download (4KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Calculated profiles of REE at the cascade outlet for different loading conditions of the initial solution. Process parameters: N = 100, tᵢₙ = 0.01, S = 0.8

Download (5KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».