説明

パラタングステン酸アンモニウム四水和物及び高純度のパラタングステン酸アンモニウム四水和物を製造する方法

水性懸濁液中でのパラタングステン酸アンモニウム十水和物の熱処理によって、パラタングステン酸四水和物を製造する方法を開示する。パラタングステン酸アンモニウム四水和物は、高い純度及び高い収率で製造することができる。さらに該製造方法は、簡単かつエネルギー効率の良い方法で実施することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パラタングステン酸四水和物及び極めて高純度のパラタングステン酸アンモニウム四水和物を製造する方法に関する。
【0002】
パラタングステン酸アンモニウム水和物(以下、APWと呼称する)は、タングステン金属、タングステン含有触媒又はタングステンベース硬質材料、たとえば炭化タングステン、又はスパッタ用ターゲットを製造するための公知の中間生成物である。スパッタ用ターゲットのための使用には、特により高い純度のAPWが必要とされる。
【0003】
高純度APWの製造は、原則として、沈降工程及び液−液抽出による後続の精製工程を含む、タングステン含有濃縮物又はタングステン金属屑の酸−又はアルカリ消化又は溶融(Schmelzaufschluss)を介して実施する。精製された溶液は、一般には蒸発によって濃縮され、その際、最終的にはAPWを結晶化する。
【0004】
技術水準によれば、タングステン濃縮物(たとえば、灰重石、鉄マンガン重石)並びにタングステン含有金属屑を、炭酸ナトリウム及び/又は苛性ソーダを用いて消化する。生じるNa−タングステン溶液は、複数の工程を介して沈降工程又はイオン交換工程を用いて、Si、P、F、Mo、As、Sb、Bi、Co等について予備精製する。引き続いてアミン含有有機相の使用下で液−液抽出によって、タングステン酸ナトリウム溶液をタングステン酸アンモニウム溶液に変換する。この溶液から、蒸発晶析によりAPWを製造する。
【0005】
二者択一的に、たとえば中国又はウズベキスタンにおいて工業的には、イオン交換樹脂を用いての消化溶液の精製及び変換プロセスを実施する。ここで、タングステン及びモリブデンは交換樹脂上に拾い上げられるが、他方、不純物、たとえばSi、P及びAsはラフィネート中に残る。引き続いて、選択的溶離によりタングステン及びモリブデンを分離する。タングステン含有溶出液からAPWは同様に蒸発晶析により製造される。この方法で製造されたAPW生成物の典型的な不純物含量は、実施例部分に示す第2表中にまとめる。
【0006】
この方法で製造された生成物は、典型的には99.9〜99.99質量%の純度を有する(3〜4N)。
【0007】
APWを製造するための公知方法の詳細な説明は、特許文献DE−AS−1244141、DE−A−19628816、DE−C−19724183及びUS−A−4115513、並びに開示文献「Anionexchange method for preparation of ammonium paratungstate from soda Solutions, Kholmogorov, Vaneeva.Yurkevich, Tsvetnye Metally (Moscow, Russian Federation) 7/1978、第59-62頁、Use of extraction by amines during the preparation of ammonium paratungstate, Petrov, Maslenitskii, Davydova, Tsvetnye Metally (Moscow, Russian Federation) 3/1974,第38-39頁、New process for production of high purity ammonium paratungstate from tungsten siimes with high content of impurities, Zhang, Gong, Huang, Huang, Zhongnan Kuangye Xueyuan Xuebao (1990), 21 (4), 389-96、Preparation of Ammonium Paratungstate from a Sodium Tungstate-Sodium Chloride Phase, Raddatz, Gomes, Carnahan, Rep. Invest. US, BuMines (1988), Rl 9165並びにTUNGSTEN Properties Chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds (ISBN 0-306-45053-4, 1999), Lassner, Schubert、第184-212頁に記載されている。
【0008】
技術水準の典型的な方法において、タングステン濃縮物を苛性ソーダ又は炭酸ナトリウムで消化し、かつ生じた溶液をMg−、Al−塩及び硫化水素ナトリウムの添加下で、不純物、たとえばP、As、Si、V及びMoについて予備精製する。引き続いてタングステン酸ナトリウム溶液を液−液抽出を介して、有機相(たとえば7〜10質量%のジイソトリデシルアミン、10質量%のイソデカノール、残りはソルベントナフサ)の使用下で精製し、かつタングステン酸アンモニウム溶液に変換した。この溶液を分別濃縮蒸発し、かつ生じたAPWを分離し、洗浄し、かつ乾燥させる。この方法で製造されたAPW生成物の典型的な不純物含量は、実施例部分に示された第2表中にまとめる。
【0009】
公知方法の大きな欠点は、特定の使用、たとえばスパッタ用ターゲットのための使用に関して、これにより製造可能な生成物の純度が十分ではないことからなる。さらに、APWの製造コストは、蒸発晶析の高いエネルギー消費量に基づいて極めて高い。
【0010】
これらの技術水準に基づいて本発明の課題は、簡単な方法で、高純度のパラタングステン酸アンモニウム四水和物をより高い生成物収率で製造することを可能にする経済的方法を提供することである。
【0011】
本発明の他の課題は、極めて高い純度でパラタングステン酸アンモニウム四水和物を提供することから成る。
【0012】
本発明は、水性懸濁液中のパラタングステン酸アンモニウム十水和物(「APW十水和物」)が、懸濁されたARW十水和物を加熱することによって定量的に、高純度のパラタングステン酸アンモニウム四水和物(「APW四水和物」)に変換されるといった驚くべき発見に基づく。好ましい工程パラメータとして、APW十水和物と水性溶液との質量比、生じる水性溶液のNH濃度、生じる水性溶液のNH:W−モル比並びに熱処理温度が挙げられる。
【0013】
本発明は、水性相中に懸濁されたパラタングステン酸アンモニウム十水和物を加熱することによってパラタングステン酸アンモニウム四水和物に変換することによる、パラタングステン酸アンモニウム四水和物の製造方法に関する。
【0014】
本発明による方法のための出発材料として、任意の方法で製造されたAPW十水和物を使用することができる。
【0015】
内部整理番号STA066009を有する優先日同一の特許出願において、粗結晶化APW十水和物を製造するための方法が記載されている。この方法によればAPWは、タングステン装入有機相をアンモニア含有水性溶液で再抽出することによって製造される。適した工程パラメータの選択によって、粗結晶化APWを再抽出工程によって直接製造することが可能である。これは高い純度で、かつより高い収率で結晶化する。さらにこの製造方法は、簡単かつエネルギー効率よく実施する。この優先日同一の特許出願の記載の意味において、パラタングステン酸アンモニウム水和物とは四水和物、すなわち(NH10[H1242]×4(HO)及び十水和物、すなわち(NH10[H1242]であると理解される。この水和物の形成は、再抽出の際に温度に依存して実施される。優先日同一の特許出願からの方法を用いて得られる生成物は、比較可能な高い純度、たとえば4Nを上回る純度を有する。結晶化工程の収率は、装入された有機相のW含量に対して96%を上回る。特別な使用のためにはこの純度ですら十分ではない。
【0016】
本発明の方法において、APW十水和物として、好ましくは優先日同一の出願STA066009に記載された方法によって製造された生成物を使用する。
【0017】
その際、ミキサーセトラー装置中で、タングステンを装入した有機相をアンモニア含有水性溶液で直接再抽出することによって製造されたパラタングステン酸十水和物が重要であり、その際、再抽出は、NH:W−モル比0.83〜1.30、好ましくは0.85〜0.95で、かつタングステンを装入した有機相とアンモニア含有水性溶液との体積比5〜25、好ましくは10〜15で実施される。
【0018】
好ましくは、この方法によって製造されたパラタングステン酸アンモニウム十水和物は、その製造の際にミキサー中での再抽出を、ミキサー中のアンモニア含有水性相に対してパラタングステン酸アンモニウム水和物の固体濃度が100〜1200g/l、特に好ましくは500〜800g/lに調整される程度に実施する。
【0019】
同様に特に好ましくは、この方法により製造されたパラタングステン酸アンモニウム十水和物は、その製造の際にミキサー中で、撹拌速度を、ミキサー中で有機相及びアンモニア含有水性相の不均一な分散が達成される程度に調整する。
【0020】
他の特に好ましい実施態様において、この方法により製造されたパラタングステン酸アンモニウム十水和物を使用し、その製造の際に、撹拌装置を備えた沈降タンク中で攪拌しながら相混合物の分離を実施し、その際、攪拌装置の回転数をパラタングステン酸アンモニウム水和物の沈降の際に一緒に連行された有機相が分離される程度に調節し、この相混合物をミキサーから、好ましくは沈降タンクの有機相とアンモニア含有水性相との相境界領域に導入する。
【0021】
他の特に好ましい実施態様において、少なくとも75%が少なくとも200μmの長さを有する結晶から成り、この結晶の長さと幅との比が4.5:1未満を示すパラタングステン酸アンモニウム十水和物であり、好ましくは、少なくとも1.7g/cm、好ましくは1.8〜2.2g/cmのかさ密度を有する生成物を使用する。
【0022】
特に、懸濁されたパラタングステン酸アンモニウム十水和物として、少なくとも75%が200〜1000μm、好ましくは300〜400μmの長さを有する結晶から成り、該結晶の長さと幅との比が3.0;1〜3.5:1を示す生成物を使用する。
【0023】
本発明による方法の他の好ましい実施態様において、パラタングステン酸アンモニウム十水和物を懸濁するための水相又は水相の成分として、アンモニア−及びタングステン含有溶液及び/又は脱イオン水を使用し、好ましくはパラタングステン酸アンモニウム四水和物の製造からの母液及び/又は洗浄水及び/又はパラタングステン酸アンモニウム十水和物の製造からの母液及び/又は洗浄液を、特に好ましくは優先日同一の特許出願STA066009に記載された方法からのパラタングステン酸アンモニウム十水和物の製造からの母液及び/又は洗浄水を使用する。
【0024】
パラタングステン酸アンモニウム四水和物の製造の母液のNH−濃度は、好ましくは1.5〜12g/l NH、特に好ましくは2.0〜4.0g/l NHに調整する。
【0025】
パラタングステン酸アンモニウム四水和物の製造の母液中におけるNH:W−モル比は、好ましくは0.5〜1.8、特に好ましくは0.6〜1.0に調整する。
【0026】
前記範囲以外のNH濃度及びNH:W−モル比は、生成物中への不純物の導入を引き起こす。
【0027】
さらに、得られた生成物の示差走査熱量測定スペクトル(DSC−スペクトル)は12g/lを上回るNH−濃度の場合に、280〜380℃の温度範囲で吸熱ピークを示す。
【0028】
APW十水和物と水性相との質量比は、好ましくは0.2:1〜2.5:1、特に好ましくは1:1〜1.8:1に調整される。
【0029】
前記範囲を下回る質量比の場合には、反応器壁において堆積が生じる。前記範囲を上回る質量比は、生成物純度の低下を招く。
【0030】
APW十水和物の水性懸濁液の熱処理は、APW十水和物をAPW四水和物に変換するために十分な温度および時間で実施する。
【0031】
好ましくは少なくとも65℃、特に好ましくは85〜95℃の温度である。
【0032】
65℃を下回る温度の場合には、純粋相のAPW四水和物を生じない。最も高い生成物純度は、前記好ましい温度範囲で達成される。
【0033】
熱処理時間は選択された温度で、APW十水和物をAPW四水和物に完全に変換するために十分なものでなければならない。典型的な処理時間は0.1〜6時間の範囲である。
【0034】
さらに本発明は、新規のパラタングステン酸アンモニウム四水和物に関し、この場合、これは生成物の全量に対して少なくとも99.999%、特に好ましくは少なくとも99.9997%の純度を有する。これらの純度を有する生成物は、今日まで記載されていなかった。このような生成物は前記方法によって製造することができる。
【0035】
本発明の新規のパラタングステン酸アンモニウム四水和物は、示差走査熱量測定分析(DSC−分析、加熱速度10K/分)の際に280〜340℃の温度範囲において吸熱反応プロセスが生じないことにより従来技術とは異なる。従来技術の生成物と比較して、新規APW四水和物の示差走査熱量測定による特性決定は図1に表す。
【0036】
本発明を、以下の実施例及び図面中で記載する。これら実施例および図面への限定は、これを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】従来技術の生成物と比較しての新規APW四水和物の示差走査熱量測定を示す図
【図2】本発明による方法を実施する装置を示す図
【0038】
実施例1:
加熱可能な200lの攪拌反応器中に、3.5g/l NH、45.2g/1 W及び50lの脱イオン水を有する100lのアンモニウム及びタングステン含有溶液を装入した。さらに、攪拌下で200kgのAPW十水和物を添加した。引き続いて、該懸濁液を3時間に亘って85℃で、攪拌下で処理した。流動相のNH−濃度は、NH:W−モル比 0.83:1の場合に3.5g/lであった。室温でのpH値は6.9であった。固体材料と水性溶液との質量比は1.14:1であった。処理後に、該懸濁液を濾過し、該生成物を10lのVE−水で洗浄し、かつ引き続いて100℃で乾燥させた。生成物量は190kgであった。これは98.1%の収率に相当する。
【0039】
以下に示す第1表において、生成物の算出された分析データを表す。さらにこの表では、市販のAPW四水和物の分析データを示す。
【0040】
実施例2:
加熱可能な200lの攪拌反応器中に、215lのVE−水を装入した。さらに、攪拌下で200kgのAPW十水和物を添加した。引き続いて、該懸濁液を2時間に亘って90℃の攪拌下で処理した。流動相のNH−濃度は、NH:W−モル比0.77:1の場合に2.1g/lであった。室温でのpH値は6.8であった。固体材料と水性溶液との質量比は0.80:1であった。処理後に、該懸濁液を濾過し、該生成物を10lのVE−水で洗浄し、かつ引き続いて100℃で乾燥させた。生成物量は184kgであった。これは95.3%の収率に相当する。第1表において、生成物の算出された分析データを表す。
【0041】
第2表において、技術水準の生成物の分析データを表す。さらにこの表では、市販のAPW四水和物の分析データを示す。
【0042】
【表1】

【0043】
【表2】

【0044】
1)ADW十水和物、この場合、これは優先日同一の特許出願STA066009による方法に従って製造されたもの
【表3】

1.)中国国際標準(Chinese National Standard)GB10116−88
2.)優秀な中国グレード(Hegdu Tungstend)
3.)Specification Wolfram Bergbau und Huettrngrsellschaft m.b.H.
4.)Osram Sylvania
5.)Fujan Xiamen Tungsten Products Plant
6.)Chinese Production, Jiangxi Province
7.)サンプル:Alloys Plant Kirobgrad, Russland
1)〜6)に関する記述は、TUNGSTEN Properties Chemistry, Technology of Element, Alloys and Chemical Compound (ISBN 0-306-45053-4, 1999), Lassner, Scubert、第210頁に由来する。
【0045】
実施例3:
この例は、図2中に記載された装置に基づいて、本発明によるAPW四水和物の製造を示す。本発明による方法は、図2中に表された装置の一部で実施した。
【0046】
W−濃縮物を苛性ソーダ又は炭酸ナトリウムで消化し、かつ生じた溶液は、Mg塩、Al塩及び硫化水素ナトリウムの添加により、不純物、たとえばP、As、Si、V及びMoについて予備精製した。なおも含まれるアニオン及びカチオン不純物のさらなる精製工程として、有機相(7〜10%のジイソトリデシルアミン、10%のイソデカノール、残りソルベントナフサ)の使用下で液−液−抽出をおこなった。タングステンが装入された有機相("OP")は、NH−溶液を用いて再抽出した。これに関して使用された装置を図2に表す。
【0047】
攪拌装置(2)、じゃま板(3)を備えた攪拌容器(1)(容器ともいう)(容量:250l、直径:600mm、傾斜翼攪拌装置(Schraegblattruehrer):6翼、直径:300mm、4個のじゃま板)中で、導管A、B及びCを介して連続的に400l/hのW−装入OP及びNH溶液を攪拌領域内に計量供給した。導管Bを介して水を連行し、NH濃度を適切に調節した。OPのW濃度及びNH溶液のNH濃度は、インラインで(in−line)自動的に測定した。NH溶液の計量供給は0.90に定められたNH:W−モル比により自動的に調整した。OP/NH溶液の計量供給比を15:1にセットし、かつ、NH供給導管中への付加的な水流により同様に自動的に調整した。
【0048】
OPの体積流量を一定にセットした。NH溶液の体積流量は、OPの体積流量に依存して調整し、瞬時に測定したW−及びNH−濃度及び調整したNH:W−モル比にセットした。HO−体積流は、NH−溶液の体積流及び出発材料の計量供給比に依存して調整した。容器(1)中の温度を48℃に調整し、かつ出発材料溶液の温度により調整した。
【0049】
容器(1)中で生じた3相混合物の沈降タンク(6)への移送は、容器の攪拌領域から排出(5)及び導管Dを介して並びに該容器の自由な溢流(Ueberlaus)(4)及び導管Eを介して実施した。容器(1)中で定常状態のOP/AP比 1/8、「水中油」のエマルション型、定常状態の固体材料濃度 250g/lは、攪拌装置回転数(210upm)、下部の容器領域からの相混合物排出(50l/h)及び沈降タンク(6)から容器(1)中への水性相の返送流(20l/h)により調整した。容器(1)中のAPの滞留時間は4.8時間であり、かつOPは4.2分であった。相混合物は攪拌装置(7)を備えた沈降タンク(6)(容量:600l、直径:750mm(形状:半分から先が円錐状の形をしたもの;壁周囲を走行するアンカー(Wandlaeufiger Anker)を備えた攪拌装置(傾斜した形をしたもの))中で分離した。沈降タンク(6)の攪拌装置回転数は15upmに調整した。取り除かれたOPは、沈降タンクの溢流により導管Fを介して分離され、水で洗浄し、かつ液−液抽出の処理工程に返送した。1314g/lの固体含量を有する生成物懸濁液を、沈降タンク(6)の下部領域から導管Gを介して、攪拌装置(9)及びじゃま板(10)を備えた中間容器(8)中に移送し、ここで本発明による方法を実施した。したがってこの中間容器(8)は、パラタングステン酸アンモニウム十水和物結晶の水性懸濁液を含む。該中間容器(8)の内部を加熱した。これは、APW十水和物をAPW四水和物に変換するのに導いた。この生成物は、水性結晶混合物として、導管Hを介してフィルター(11)中に移送し、かつAPW×4HOを少量の水で洗浄して母液を排除した。この生成物は、導管Iを介してプロセスから搬出し、引き続いて60℃に乾燥させ、かつ特性決定をした。
【0050】
35g/lのW及び7.0g/lのNHを含有する母液を、フィルター(11)から導管Jを介して導出し、かつNHの分離後にW−濃縮物の消化溶液に供給した。
【符号の説明】
【0051】
1 容器、 2 攪拌装置、 3 じゃま板、 4 溢流、 5 排出、 6 沈降タンク、 7 攪拌装置、 8 中間容器、 9 攪拌装置、 10 じゃま板、 11 フィルター、 A 導管、 B 導管、 C 導管、 D 導管、 E 導管、 F 導管、 G 導管、 H 導管、 I 導管、 J 導管

【特許請求の範囲】
【請求項1】
パラタングステン酸アンモニウム四水和物を製造する方法において、水性相中で懸濁されたパラタングステン酸アンモニウム十水和物を加熱することにより、パラタングステン酸アンモニウム四水和物に変換することを特徴とする、パラタングステン酸アンモニウム四水和物を製造する方法。
【請求項2】
生じた母液中のNH濃度が1.5〜12g/l NH、好ましくは2.0〜4.0g/l NHである、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
生じた母液中のNH:Wのモル比が0.5〜1.8、好ましくは0.6〜1.0である、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項4】
パラタングステン酸アンモニウム十水和物と母液との質量比を、0.2:1〜2.5:1、好ましくは1:1〜1.8:1であるように調整する、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項5】
懸濁したパラタングステン酸アンモニウム十水和物を、少なくとも65℃、好ましくは85〜95℃の温度に加熱する、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項6】
懸濁したパラタングステン酸アンモニウム十水和物として、ミキサーセトラー装置中でタングステンを装入した有機相をアンモニア含有水性溶液で直接再抽出することにより製造された生成物を使用し、その際、再抽出を、NH:W−モル比が0.83〜1.30、好ましくは0.85〜0.95、かつタングステンを装入した有機相とアンモニア含有水性溶液との供給体積比が5〜25、好ましくは10〜15で実施する、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項7】
ミキサー中の再抽出を、パラタングステン酸アンモニウム水和物の固体濃度が、ミキサー中のアンモニア含有水性相に対して100〜1200g/l、好ましくは500〜800g/lに調整される程度に実施する、請求項6に記載の方法。
【請求項8】
ミキサー中での攪拌速度を、ミキサー中で有機相及びアンモニア含有水性相の不均一な分散が達成される程度に調整する、請求項6又は7に記載の方法。
【請求項9】
攪拌装置を備えた沈降タンク中で、攪拌下で相混合物の分離を実施し、かつ攪拌装置の回転数を、パラタングステン酸アンモニウム水和物の沈降の際に一緒に連行された有機相が分離する程度に調整し、その際、ミキサーからの相混合物が、好ましくは沈降タンクの有機相とアンモニア含有水性相との間の相境界領域中に導入される、請求項6から8までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項10】
懸濁したパラタングステン酸アンモニウム十水和物として、少なくとも75%が少なくとも200μmの長さを有する結晶から成り、この結晶の長さと幅との比が4.5:1未満を示す生成物を使用し、好ましくは少なくとも1.7g/cm、好ましくは1.8〜2.2g/cmのかさ密度を有する生成物を使用する、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項11】
懸濁したパラタングステン酸アンモニウム十水和物として、少なくとも75%までが200〜1000μm、好ましくは300〜400μmの長さを有する結晶から成り、この結晶の長さと幅との比が3.0:1〜3.5:1を示す、請求項10に記載の方法。
【請求項12】
パラタングステン酸アンモニウム十水和物を懸濁するための水性相又は水性相の成分として、アンモニア−及びタングステン含有溶液及び/又は脱イオン水を使用し、好ましくは、パラタングステン酸アンモニウム四水和物の製造からの母液及び/又は洗浄水及び/又は、パラタングステン酸アンモニウム十水和物の製造からの母液及び/又は洗浄水を使用する、請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法。
【請求項13】
生成物の全量に対して少なくとも99.999%の純度、特に少なくとも99.9997%の純度を有する、パラタングステン酸アンモニウム四水和物。
【請求項14】
示差走査熱量測定スペクトルが、280〜340℃の温度で吸熱ピークを示さない、請求項13に記載のパラタングステン酸アンモニウム四水和物。
【請求項15】
示差走査熱量測定スペクトルが、280〜340℃の温度で、吸熱ピークを示さない、パラタングステン酸アンモニウム四水和物。

【図1】
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【図2】
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【公表番号】特表2010−517903(P2010−517903A)
【公表日】平成22年5月27日(2010.5.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−547659(P2009−547659)
【出願日】平成20年1月29日(2008.1.29)
【国際出願番号】PCT/EP2008/051000
【国際公開番号】WO2008/092838
【国際公開日】平成20年8月7日(2008.8.7)
【出願人】(507239651)ハー.ツェー.スタルク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (59)
【氏名又は名称原語表記】H.C. Starck GmbH
【住所又は居所原語表記】Im Schleeke 78−91, D−38642 Goslar, Germany
【Fターム(参考)】