Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
Тема 7. Процессы экстракции и ионного обмена
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| Тема 7. Процессы экстракции и ионного обмена
Лекция 19. Процессы сорбции и экстракции в гидрометаллургии. Лекция 20. Основные виды и характеристики оборудования для процессов ионного обмена Лекция 21. Основные виды и характеристики оборудования для жидкостной экстракции. План темы: 1. Теоретические основы ионного обмена 2. Типы и характеристики ионитов 3.Характеристика и виды оборудования для процесса сорбции 4. Реальная практическая схема сорбционного извлечения металла. 5 Теоретические основы жидкостной экстракции 6. Разновидности экстрагентов и их характеристики 7. Схемы и конструкции промышленных экстракторов 1.Теоретические основы ионного обмена Ионный обмен – это обмен ионов между двумя электролитами. Гетерогенная реакция двойного обмена может быть представлена в виде следующих уравнений: RH + NaCl ↔ RNa + HCl , (7.1) R1OH + NaCl ↔ R1Cl + NaOH , (7.2) где: R и R1 – матрицы соответственно катионита и анионита; Н+ и ОН- – противоины. Чертой отмечена твердая фаза. При ионном обмене реакции протекают на границе раздела двух фаз – твердой и жидкой. Ионный обмен представляет собой химическую реакцию обмена ионами ионита и раствора. Ионный обмен сопровождается выделением в раствор эквивалентного количества ионов того же знака заряда, которые были сорбированы из раствора. В некоторых случаях ионный обмен протекает одновременно с адсорбцией. В случае, когда сложно определить природу поглощения твердым веществом каких-либо соединений из раствора (ионный обмен или адсорбция), процесс называют просто «сорбцией». Рис. 7.1. Схематическое изображение процесса ионного обмена а) ионит до обмена б) ионит после установления равновесия Ионообменный процесс наиболее эффективен при работе с сильно разбавленными растворами с концентрацией ионов металла порядка 0,1–1 г/дм3 или меньше. При этом применение сорбции позволяет достигнуть практически полного их извлечения. Для осуществления ионного обмена или ионообменной сорбции, т. е. процесса извлечения ионов из водного раствора твердым веществом (ионитом), сопровождающегося переходом в водный раствор эквивалентного количества ионов того же знака, содержащихся в составе твердого вещества, в гидрометаллургии широко используют синтетические иониты – ионообменные смолы. Ионообменные материалы – природные и искусственные, органические и неорганические, твердые и жидкие, практически нерастворимые в воде и других растворителях полиэлектролиты, стойкие в водных растворах солей, кислот и щелочей высокомолекулярные вещества с развитой поверхностью, имеющие в своем составе ионогенные группы, способные к обмену с ионами из раствора. По способности проявлять катионо- или анионообменные свойства их называют соответственно катионитами и анионитами. Помимо этих двух групп существуют амфолиты (амфотерные полиэлектролиты), обладающие свойствами катионитов и анионитов одновременно. Ионообменные смолы – искусственные высокомолекулярные органические полиэлектролиты, обладающие ионообменными свойствами. Ионообменники состоят из матрицы (скелета), которая несет положительный или отрицательный заряд (неподвижные ионы – полиионы), и противоионов(ионы Н+, ОН-, Men+, Аm- и т.д), которые компенсируют заряд полииона и являются подвижными. Они способны обмениваться на другие ионы, находящиеся в растворе – коионы. Матрица (каркас) – высокомолекулярная практически нерастворимая в воде часть ионообменника. Противоионы – подвижные ионы, имеющие заряд, противоположный заряду ионогенной группы матрицы и электрически уравновешивающий его. Противоионы подвижны внутри матрицы и могут быть заменены другими ионами с зарядом того же знака. 2. Типы и характеристики ионитов Иониты часто используют не в виде кислот или оснований, а «заряжают» в солевую форму. Тогда катионит имеет вид, например, NaR или MgR 2 . А анионит – RCl, R 2 SO4 и т. д. В этом случае противоионами, обменивающимися с коионами электролита являются Na+, Mg2+, Cl- и SO42-. Если ионит, содержащий противоионы А, поместить в раствор, содержащий ионы В, то ионы А начнут замещаться ионами В и через некоторое время наступит динамическое равновесие: ионит и раствор будут содержать ионы обоих типов в определенном отношении. Такое состояние называется ионообменным равновесием. Иониты, как любые электролиты, обладают электропроводностью. В процессах, в которых участвуют ионообменные материалы, особенно ионообменные смолы, наряду с ионным обменом и адсорбцией могут протекать окислительно-восстановительные реакции и реакции с образованием слабодиссоциированных соединений, например, за счет образования комплексных соединений между ионами металлов и ионитом. Ионообменные процессы применяют для решения ряда задач: 1)селективное извлечение металлов из бедного раствора; 2) концентрирование раствора извлекаемого металла (например, при извлечении урана из растворов выщелачивания урановой руды, ряда цветных и редких металлов из сбросных растворов металлургических производств 3) разделение близких по свойствам элементов, например, Zr и Hf; Ni и Co и др.; 4) получение высокочистой и умягченной воды; 5) очистка от примесей различных производственных растворов, обезвреживание сточных вод. Типы ионообменников. Ионообменники могут быть разделены на группы по различным признакам. По составу – на неорганические и органические; по методу приготовления – на природные и синтетические. Природные минеральные сорбенты, обладают, как правило, катионообменными свойствами. Это полевые шпаты, глинистые минералы, производные различных смол, цеолиты (алюмосиликаты) и др. Катионообменные свойства этих веществ обусловлены, как правило, алюмосиликатами типа Na2O · Al2O3· nSiO2 · mH2O (где n и m – переменные). К органическим ионитам природного происхождения относятся природные вещества (почвы, торф, некоторые угли), продукты сульфирования и фосфорирования угля, торфа, лигнина и различные виды целлюлозы (дерево, бумага, хлопок, ткань, фруктовая косточка). Природные вещества органического происхождения обычно применяют после предварительной химической обработки. В связи со способностью смол образовывать ионы в растворах электролитов (процесс диссоциации) их в зависимости от степени диссоциации делят на слабые и сильные. Сильнокислотными считают катиониты, содержащие группы – PO3H2, – SO3H, (сульфокатионы), а слабокислотными – фенольные группы ОН- и группы СООН (карбоксильные катиониты). Основные характеристики ионообменных смол. Набухаемость материалов. Воздушно-сухие иониты состоят из твердых гранул или бусин размером от 0,5 до 3 – 4 мм. Весовое набухание – это количество поглощаемой воды на 1 г сухого ионита. Емкость ионитов. Обменная емкость ионита определяется числом активных групп, в милиграмм – эквивалентах (мг-экв), приходящихся на один грамм или милиграмм смолы. Различают полную обменную емкость (ПОЕ), статическую (равновесную) обменную емкость (СОЕ) и динамическую обменную емкость (ДОЕ). Для практических целей используют понятие о рабочей обменной емкости, соответствующей конкретным рабочим условиям. СОЕ в конкретных условиях зависит от суммы факторов, влияющих на состояние равновесия. Полная обменная емкость (ПОЕ) выражает количество сорбированных ионов в случае заполнения всех активных центров ионита. Динамическая обменная емкость (ДОЕ) выражает количество ионов, сорбированных единицей массы смолы при контактировании с раствором электролита в динамическом режиме (фильтрацией) до проскока сорбируемого иона через слой смолы. Статическая обменная емкость (СОЕ) представляет собой количество ионов, сорбированных единицей смолы, находящейся в статическом контакте с раствором данного электролита в принятых условиях. Рабочая емкость выражает количество ионов, сорбированных единицей массы (или объема) смолы в конкретных технологических условиях. 3.Характеристика и виды оборудования для процесса сорбции Ионный обмен в колоннах. Процесс ионного обмена осуществляется при прохождении раствора через колонну, заполненную ионообменной смолой. При этом возможно использование двух методов сорбции: статического и динамического. В первом случае раствор перемешивают со смолой до установления равновесия. Во втором – раствор перемещается в зоне колонки, соприкасаясь с новыми слоями использованного ионита. Слой сорбента длиной L характеризуется временем защитного действия от начала пропускания до “проскока” (θ), отвечающем данной скорости потока вещества. Н.А. Шилов отмечает два периода сорбции в динамических условиях: – период формирования работающего слоя ( τ ); – период параллельного его переноса, который определяется уравнением: θ = КL - τ , ( 7.3) где τ – потеря времени защитного действия; К – коэффициент, характеризующий равновесие сорбции. К = аSd / СоV мин/см, (7.4) где а – равновесная поглотительная способность сорбента , м3смолы; S – сечение колонны, см2; d – насыпная масса сорбента, г/см3; Cо – скорость течения жидкости, г/мин. V - объем раствора θ – зависит от параметров кинетики процесса и определяется экпериментально Уравнение Н. А. Шилова (7.4) предусматривает параллельный перенос сорбционного фронта вдоль колонны. Оно применяется в случае выпуклой изотермы сорбции, когда сродство к иониту сорбируемого иона больше, чем сродство вытесняемого иона. Вогнутая изотерма соответствует случаю, когда более сорбируемый ион вытесняется менее сорбируемым. При этом параллельный фронт не наблюдается. Это связано с интенсивным размытием фронта. жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|