Διάλυση La2O3 στα ιοντικά υγρά (Hbet)(Tf2N), (bmim)(HSO4) και (emim)(HSO4)

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η διερεύνηση μιας νέας μεθόδου παραγωγής λανθανίου, η οποία βασίζεται στην διάλυση του οξειδίου του λανθανίου στα ιοντικά υγρά [Hbet][Tf2N], [Βmim][HSO4] και [Εmim][HSO4]. Η βασική ιδέα που οδήγησε προς την κατεύθυνση αυτής της έρευνας, ήταν η αναζήτηση μιας μεθόδου που θα επιτρέπει την ανάκτηση του λανθανίου, απ’ευθείας από ένα μη υδατικό διάλυμα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ο κοινός όρισμός των ιοντικών υγρών (ILs), ή ιοντικών υγρών σε θερμοκρασία δωματίου (RTILs), είναι ότι αυτά είναι υγρά κάτω από 100 ⁰C ή ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Τα τελευταία χρόνια έχουν προσελκύσει όλο και περισσότερη προσοχή, γεγονός που οφείλεται στο οτι έχουν προωθηθεί ως “πράσινοι διαλύτες”. Επιπλέον, έχουν εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες που τα καθιστούν ιδανικούς διαλύτες, όπως αμελητέα τάση ατμών, χαμηλό σημείο τήξης, καλή διαλυτική δράση και φυσική και χημική σταθερότητα. Η Διπλωματική εργασία αποτελείται από δύο Ενότητες. Η πρώτη αποτελείται από το θεωρητικό μέρος και αφορά στη βιβλιογραφική προσέγγιση του θέματος. Αναφέρει γενικές πληροφορίες για τα ιοντικά υγρά και τις σπάνιες γαίες (το λανθάνιο ανήκει σε αυτές) και περιγράφει αναλυτικά τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται σήμερα βιομηχανικά, για την παραγωγή των σπανίων γαιών, καθώς και τα προβλήματα των μεθόδων αυτών. Στην δεύτερη και πιο σημαντική Ενότητα, περιγράφεται λεπτομερώς η πειραματική έρευνα που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Μεταλλουργίας στο Ε.Μ.Π. για την εκχύλιση του λανθανίου από το οξείδιό του με την χρήση ιοντικών υγρών της οικογένειας της βηταϊνης και του ιμιδαζολίου. Το χαρακτηριστικό σημείο αυτής της Ενότητας είναι η παρασκευή του [Hbet][Tf2N], Δις(Τριφθορομεθυλοσουλφονο)Ιμίδιο του βηταϊνίου η οποία περιγράφεται αναλυτικά. Περιλαμβάνει το χαρακτηρισμό των πρώτων υλών που τις αποτελούσαν τόσο στερεό, όσο και ρευστά υλικά. Όσον αφορά τη στερεή πρώτη ύλη, το οξείδιο του λανθανίου, ο χαρακτηρισμός του περιλαμβάνει ορυκτολογική ανάλυση (μέθοδος XRD). Για το χαρακτηρισμό των υγρών πρώτων υλών, [Hbet][Tf2N], [Βmim][HSO4] και [Εmim][HSO4], έγιναν μετρήσεις πυκνότητας και μελετήθηκε η θερμική τους σταθερότητα καθώς και η αναμειξιμότητά τους με το νερό. Επίσης, περιγράφονται η πειραματική διαδικασία και οι διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν, ενώ παρουσιάζονται και συζητούνται αναλυτικά, τα πειραματικά αποτελέσματα της έρευνας. Ουσιαστικά, η πειραματική έρευνα αναφέρεται στην επίδραση διαφόρων παραγόντων, όπως η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής, η παρουσία και η απουσία νερού, ο λόγος της μάζας του La2O3 προς τον όγκο του ιοντικού υγρού (R), το είδος του κατιόντος του ιοντικού υγρού, στη διάλυση του La2O3 στα ιοντικά υγρά [Hbet][Tf2N], [Βmim][HSO4] και [Εmim][HSO4].

The objective of the present thesis is the investigation of a new method for the lanthanum production, using ionic liquids. The main direction of the current research is based on the investigation for a method which allows the direct recovery of lanthanum from a non-aqueous solution at low temperatures. The common definition of ionic liquids (ILs), or room temperature ionic liquids (RTILs), is that they are liquids at temperatures below 100 ⁰C or sometimes even at room temperature. Ionic liquids have attracted more and more attention over the last few years. This is due to the fact that they have been promoted as “green solvents”. Furthermore, they are considered to be ideal solvents because of their exceptional physical and chemical properties such as negligible vapor pressure, low melting point, good solvating action and good physical and chemical stability. The study consists of two parts. The first part is the theoretical one and includes general information referring to the literature approach of ionic liquids and rare earths. Moreover, it describes the rare earths production and its problems as well. The second part includes the experimental process. This part deals with the experimental research performed for the extraction of the lanthanum oxides using a betaine and an imidazolium ionic liquid. This research took place at the Laboratory of Metallurgy, of NTUA. The first step of the process is the characterization of the raw materials, which are divided into solids and liquids. In terms of the characterization of solid raw material, the lanthanum oxides, it is conducted through mineralogical analysis (using X-ray diffraction, XRD). The liquid raw material includes the ionic liquids [Hbet][Tf2N], [Βmim]HSO4 and [Εmim]HSO4. They have been characterized regarding their density, miscibility with water and thermal stability. The most remarkable part of this experimental process is the synthesis of [Hbet][Tf2N] (Protonated Betaine Bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), from the reaction of an aqueous solution of betaine hydrochloride with an aqueous solution of lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide. The process is described in detail step by step. Additionally, this part includes the description of the experimental procedure and the techniques used as well as the assessment of the experimental results. Basically, the experimental research demonstrates the effect of various factors, such as temperature, residence time, the presence and absence of water, the ratio by mass of La2O3 to the volume of ionic liquid and the type of cation of the ionic liquid on the solubility of La2O3 in the ionic liquids [Hbet][Tf2N], [Βmim][HSO4] and [Εmim][HSO4].