氧化钪

更新时间:2022-12-08 10:00

氧化钪的化学式为Sc2O3。性质:白色固体。具有稀土倍半氧化物的立方结构。密度3.864.熔点2403℃±20℃。不溶于,溶于热酸中。由钪盐热分解制得。可用作半导体镀层的蒸镀材料。制做可变波长的固体激光器和高清晰度的电视电子枪金属卤化物灯等。

氧化钪介绍

氧化钪(Sc2O3)是钪制品中较为重要的产品之一。它的物化性质与稀土氧化物(如La2O3,Y2O3和Lu2O3等)相近,故在生产中采用的生产方法极为相似。Sc2O3可生成金属钪(Sc),不同盐类(ScCl3,ScF3,ScI3,Sc2(C2O4)3等)及多种钪合金(Al-Sc,Al-Zr-Sc系列)的产物。这些钪制品具有实用的技术价值及较好的经济效果。由于Sc2O3具有一些特性,所以在铝合金、电光源、激光、催化剂、激活剂、陶瓷和宇航等方面已有较好的应用,其发展前景十分广阔。

20世纪70年代,我国开始研制Sc2O3产品,且有公斤级的产品进入市场。80年代,我国Sc2O3生产进入高潮,产量达百公斤级水平以上,主要出口日本、美国。90年代以来,俄罗斯大量生产Sc2O3产品且低价抛入国际市场,严重地冲击了中国的氧化钪的生产,使Sc2O3的生产处于低谷,不少生产线下马,使我国产能及产量处于萎缩状态。但近年来由于我国Sc-Al合金和电光源材料的发展,促进了Sc2O3工业生产的发展。我国的钪资源十分丰富。据报导,目前全世界钪的工业储量约200万吨,我国约有60万吨~ 65万吨,占世界总含量的30%左右。

生产工艺

生产工艺技术及设备经过多年来的研究和生产实践后,目前从含钪原料中提取Sc2O3的工艺技术有下列几种方法:

①萃取法。生产中使用较多,其具有产量大、质量好、回收率高、成本低及生产中可连续作业的特点。

②离子交换法。生产中也常被采用。其具有产量小,纯度较高,收率较低,成本较高及生产周期长的特点。

③萃淋树脂色层法。其具有生产周期短,纯度高,收率高和成本低的特点。

④液膜萃取法。它是膜分离与液液萃取相结合的一种新型分离技术。但目前尚未有生产实践。曾有人用乳状液膜从含Sc为60mg/L,经一级提取Sc可富集到1400mg/L。从我国多年提取Sc2O3来看,几乎以采用前两个工艺

技术(萃取法和离子交换法)为主。

萃取法

(1)用萃取法从钪精矿中生产氧化钪工艺过程:用盐酸溶解钪精矿后获得ScCl3溶液,再进行净化除钛铁等杂质。将净化液作为原料。用50%磷酸三丁酯(TBP)与煤油制成萃取剂。调配后的料液和萃取剂放入萃取槽中萃取钪,酸洗和蒸馏水反萃钪后,获得含钪纯液(ScCl3液)再用草酸进行沉淀,烘干、灼烧即得纯Sc2O3产品。主要工艺过程为:钪精矿-酸溶-净化-TBP萃取钪-酸洗-反萃钪-草酸沉淀-烘干-灼烧-包装-入库(纯Sc2O3产品)。

主要设备:酸溶槽,萃取槽,沉淀槽,灼烧炉和包装机等。

离子交换法

工艺过程:用钨废渣(含Sc2O378g/t~ 377g/t)作原料。将它用盐酸溶解后过滤,料液经净化除杂,获得得ScCl3净液进行调配后作为离子交换的料液用。制备吸附柱及分离柱后待用。将料液(ScCl3液)从柱上端流入吸附柱后达到Sc3+饱和待用。再将吸附柱与分离柱串连后,将淋洗剂从吸附柱顶流入并流经分离柱,待最后一根分离柱稳定地流出ScCl3液,可不断接收该ScCl3液(纯ScCl3液)于集容器内,再调节酸度后用草酸进行沉淀,过滤,烘干和灼烧成纯Sc2O3产品。主要工艺过程为:钨废渣-酸溶-净化-吸附柱-淋洗-接收ScCl3液-调酸-沉淀钪-烘干-灼烧-包装-入库(纯Sc2O3产品)。

主要设备:酸溶槽,吸附柱,分离柱,沉淀槽,灼烧电炉和包装机等。

萃淋树脂色层法

工艺过程:用HCl溶解氯化烟尘后进行净化除杂而制成ScCl3料液。以50%TBP-煤油萃取剂在萃取槽内萃取钪,酸洗杂质、反萃取钪后获得纯Sc-Cl3溶液,再用H2C2O4沉淀Sc,灼烧即得Sc2O3纯品。主要工艺过程为:氧化烟尘-盐酸溶解-净化-净ScCl3液-萃取-酸洗-反萃-沉淀-灼烧-包装-入库(纯Sc2O3产品)。

液膜萃取法

以钛白废液(含Sc2O325g/m3)为原料。用P204-煤油作萃取剂的硫酸介质体系中,于萃取槽内进行对料液萃取钪,用H2SO4和H2O2酸洗除杂后,以NaOH液反萃钪制成Sc(OH)3富集物,盐酸溶解Sc(OH)3成为ScCl3液,草酸沉淀钪(两次)灼烧,包装即为纯Sc2O3产品。主要过程为:钛白废液-调配-萃取-酸洗-反萃-Sc(OH)3产物-溶解-沉淀-灼烧-包装-入库(纯Sc2O3产物)。

应用

由于Sc2O3产品具有独特的物化性质,故在20世纪80年代以来,在许多高新技术和工业部门中获得了较好的应用发展。目前我国及世界的Sc2O3在合金、电光源、催化剂、激活剂和陶瓷等领域的应用状况叙述于后。

合金中的应用

目前由钪与铝制成的铝钪合金(Al-Sc)具有密度小(Sc为3.0g/cm3,Al为2.7g/cm3,强度大、硬度高、可塑性好、耐腐蚀和热稳定性较强等优点,因此,在导弹、宇航、航空、汽车和船舶等的结构件获得较好的应用,并逐步转向民用,如运动器件(曲棍球和棒球的柄棒),电脑和手机壳等,其具有强度高、刚度大和质量轻的特点,很有实用价值。

钪在合金中主要起着变质和细化晶粒的作用,使生成新相的Al3Sc型而呈现了性能优异的特色。Al-Sc合金已形成了系列的合金系列,如俄罗斯已达到17种Al-Sc系列,我国也有几种合金(如Al-Mg-Sc-Zr及Al-Zn-Mg-Sc合金)。这类合金的特性其它材料无法代替,故从发展上看,其应用发展及潜力是很大的,可望成为今后的应用大户。如俄罗斯已工业化生产,且用于轻型结构件发展较快,我国也正在加快研制和应用,特别是在宇航和航空方面前景最好。

新型电光源材料中的应用

用纯Sc2O3转化为ScI3后与NaI制成新型的第三代电光源材料,并加工成钪-钠卤素灯作照明用(每只灯约用Sc2O3≥ 99%的材料为0.1mg~ 10mg。这种灯在高压电作用下,钪谱线呈兰色,钠谱线呈黄色,两色互相配合而产生了接近太阳光的光,使灯光具有光度高、光色好、节电能、寿命长和破雾力强等优点。

激光材料中的应用

用纯Sc2O3≥ 99.9%加入于钆镓石榴石(GGG)可制成钆镓钪石榴石(GGSG),其构成为Gd3Sc2Ga3O12型式。由它做成的第三代激光器所发出的发射功率比同体积的激光器提高3.0倍,已达到了大功率化和小型化的激光装置,提高了激光振荡输出功率,改进了激光器的使用性能。在制备单晶时,每炉料3kg~ 5kg,加入Sc2O3≥ 99.9%原料为1.0kg左右。目前这种激光器在军工技术上的应用日益广泛,也逐步推向民用工业。从发展看,今后在军用和民用的潜力较大。

电子材料中的应用

纯的Sc2O3可用作彩色电视显象管阴极电子枪的氧化阴极激活剂,效果较好。在彩管阴极上端喷一层一毫米厚的Ba、Sr、Ca氧化层,上面再弥散一层0.1毫米厚的Sc2O3。在氧化层阴极中因Mg、Sr与Ba发生反应,促使Ba还原,释出的电子更活跃,发出大电流电子,使荧光体发光,比不用Sc2O3涂层的阴极可提高电流密度4倍,使电视画面更清晰,使阴极寿命提高3倍。每台21英寸显像阴极用Sc2O3量为0.1mg。目前在世界上一些国家已用此阴极,如日本用的较多,可提高市场竞争力,促进电视机的销量。

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