Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| Кинетика ионного обмена. Процессы ионного обмена протекают во времени, т.е. обладают различной скоростью при различных условиях. На скорость ионного обмена могут влиять: степень “сшитости” (проницаемости) матрицы зерна ионита, размер зерен ионита, температура и концентрация раствора, с которыми контактирует ионит, и другие факторы. Следует заметить, что внешнее давление практически не влияет величину и скорость ионного обмена из растворов. Затрата времени необходима для прохождения рядя элементарных процессов:
- диффузии противоионов раствора к зерну ионита; - диффузии противоионов в фазе ионита по направлению от периферии к центру; - диффузии вытесненных противоионов по зерну ионита к его поверхности; -диффузии вытесненных противоионов в объеме раствора. Обмен ионов в фазе ионита и последний процесс – распределение вытесненных ионов по раствору, можно считать нелимитирующими общую скорость процесса. Скорость первого, второго и четвертого процессов в значительной мере определяется исходной концентрацией противоионов соответственно в растворе и в ионите. Аппаратура сорбционных процессов. Промышленные ионообменные колонны изготовляют из тонкой листовой стали, иногда – из пластмассы. Обычно их футеруют каучуком, пластмассой или свинцом во избежание действия коррозирующих агентов. (Рис. 7.2). Рис. 7.2 Ионообменная колонка. Для определения размеров колонн обычно задаются диаметром и рассчитывают высоту в зависимости от необходимого количества ионита. 4. Реальная практическая схема сорбционного извлечения металла. Сорбция состоит из трех основных циклов: извлечения ионов металла, промывки ионита и элюирования. Прерывность процесса – серьезный технологический недостаток. На практике обычно применяют не одну колонну. Это дает возможность сделать процесс полунепрерывным. Например, в случае применения четырех колонн в трех идет сорбция, а в четвертой – элюирование. Аппараты периодического действия. Такими аппаратами являются аппараты со взвешенными слоем сорбента (КВС), в которых частицы смолы находятся в непрерывном движении (рис. 7.3). Рис. 7.3. Колонка со взвешенным слоем ионита (КВС) 1-корпус, 3- ионит, 4 – аэролифт, 7 и 8 – подача и выход ионита, 9 и 10 подача и выход раствора, 11- подача воздуха в аэролифт. Иногда в роли ионообменных колонок используют пачуки для процесса выщелачивания (рис. 7.4) Рис. 7.4. Использование пачука для сорбции растворов "Зависание” смолы обеспечивается подачей раствора снизу вверх со скоростью, определяемой разностью плотностей смолы и раствора, вязкостью раствора и т. д. Скорость раствора обычно такова, что слой сорбента разрыхляется и его объем увеличивается в 1,5–2 раза. Непрерывный ионный обмен. Установка состоит из нескольких аппаратов, в каждом из которых постоянно проводят одну операцию – сорбцию, элюирование или промывку. Сорбент непрерывно передается из аппарата в аппарат. Растворы непрерывно движутся навстречу сорбенту. Противоток позволяет в 2–5 раз сократить время их контакта. Значительно уменьшается объем единовременной загрузки сорбента, полнее используется емкость сорбента и меньше расходуется регенерационных реагентов. В результате уменьшается объем сбросовых растворов. Наиболее простым по конструкции противоточным аппаратом непрерывного действия является колонна с движущим сорбентом (рис. 7.5). Рис. 7.5. Колонка с движущим сорбентом В аппарате имеются штуцер для ввода раствора и аэролифт для откачки смолы. Сверху имеется желоб для слива раствора и штуцер для подачи сорбента. Колонна имеет сравнительно низкую удельную производительность 1–5 м3/ (м2·ч) и значительную высоту эффективного слоя ионита (до 10 м). Это обусловлено сильным перемешиванием фаз и их неравномерным распределением по сечению колонны. Эти аппараты в гидрометаллургии применяют при переработке концентрированных растворов, т. е. при малых объемах. Большое распространение получили аппараты–пачуки и пульсационные аппараты колонного типа. Они состоят из секции с барботажным или эрлифтным перемешиванием и разделительных секций. Наиболее распространенным аппаратом типа колонного являются аппараты с одним или несколькими эрлифтами. Эрлифты необходимы также для выгрузки смолы и подачи пульпы, содержащий сорбент, на сетки (дренажи). Сетки отделяют смолу от пульпы. В зависимости от дренажного устройства различают пачуки со встроенными, выносными и погружными дренажами. Для разделения смолы и пульпы обычно используют сетки изготовленные из нержавеющей стали или из синтетических материалов с ячейкой 0,35–0,45 мм. Сетчатый разделительный дренаж работает устойчиво даже при высокой плотности пульпы (Ж:Т = = 1:1). Для получения заданных технологических показателей необходимо устанавливать каскад пачуков (5–8 аппаратов), работающих последовательно. Сорбент необходимо выдерживать в каждом аппарате в течение периода, составляющего 80 % времени установления равновесия при извлечении данного металла. Это время для различных систем составляет от десяти минут до десяти часов. Достаточно просты и надежны в работе тарельчатые колонные аппараты пульсационного типа. Эти аппараты работают по принципу взвешенного слоя в непрерывном режиме. Они разделены на секции специальными насадками – распределителями потоков (тарелками). Рассмотрим один из таких аппаратов. Это пульсационная сорбционная колонна (ПСК) с тарелками “провального” типа (насадка КРИМЗ), в которой пульсируется сплошная (водная) фаза. В промышленном масштабе ионообменная сорбция первоначально была использована для извлечения урана из осветленных растворов после выщелачивания руд; в дальнейшем способ получил распространение при извлечении из растворов ряда цветных, редких и драгоценных металлов, в первую очередь золота, молибдена, вольфрама, рения, меди, никеля, кобальта. Так, в СССР были внедрены ионообменные технологии извлечения молибдена из маточных растворов таких предприятий, как Балхашский горнометаллургический комбинат, «Скопинцветмет», «Победит»; рения – из растворов электрофильтров молибденового производства (БГМК, «Победит»), промывной серной кислоты (БГМК, ОАО «Южполиметалл») и из растворов от выщелачивания пылей свинцового производства (ОАО «Южполиметалл»). На схеме ( ) показана технологическая схема извлечения рения из промпродуктов свинцового завода, внедренная авторским коллективом под руководством чл.-корр. АН Е.И. Понамаревой в АО «Южполиметалл». Теоретические основы жидкостной экстракции. Экстракция в широком понимании представляет собой процесс избирательного извлечения вещества в жидкую фазу. Для любого вида экстракционного процесса важно, чтобы растворитель был газообразным, жидким или твердым. Экстракцию газа жидкостью обычно называют абсорбцией. Экстракция твердых веществ жидкими представляет собой выщелачивание, широко применяемое в металлургии. Наконец, экстракция растворенного вещества из одной жидкой фазы в другую носит название жидкостной экстракции, которая имеет большое значение для разделения и очистки металлов в технологии получения особо чистых элементов. Таким образом, жидкостная экстракция – это процесс извлечения вещества, в частности ионов и соединений металлов, из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Последующей операцией, называемой реэкстракцией, экстрагированный металл переводят из органической фазы в водный раствор, чем достигается концентрирование и очистка металла от примесей. Органическая фаза обычно содержит органическое вещество (собственно экстрагент), образующее с извлекаемым металлом комплексные или солевые соединения, способные растворятся в органической фазе. Экстрагентами служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др. Иногда экстрагентом называют раствор органического реагента в разбавителе. Разбавитель – жидкое органическое вещество, не смешивающееся с водой, служащее растворителем экстрагента (керосин, ксилол, хлороформ, толуол и др.). В случае, когда экстрагент является твердым веществом не растворяющимся в обычных разбавителях, для его перевода в жидкое состояние применяют специальные растворители (например, спирты). В качестве реэкстрагирующих растворов (реэкстрагентов) используют растворы кислот, солей и их оснований. В результате реэкстракции обычно достигается и регенерация экстрагента, т. е. восстановление его первоначальной способности к экстрагированию. Органическая и водная фазы после проведения экстракционной стадии называют соответственно экстрактом и рафинатом, а водный раствор после реэкстракции –реэкстрактом. Для улучшения показателей экстракции в ряде случаев используют высаливатели, являющимися неорганическими веществами (обычно электролитами). Добавление в водный раствор высаливателя способствует образованию легче экстрагируемых недиссоциированных молекул или приводит к образованию экстрагируемых комплексов. Разновидности экстрагентов и их характеристики Одной из количественных характеристик экстракции является коэффициент распределения – К, который определяется, как отношение общих (аналитических) концентраций элемента в органической и водной фазах при установлении равновесия: К = Кd = С(орг) / С(вод) (7. 3) Еще одной характеристикой процесса экстракции является селективность (избирательность) экстрагента по отношению к основному металлу (Ме1), которая для данной пары металлов (Ме1 и Ме2 ) определяется коэффициентом разделения: β ме1/ме2 = К1/К2. (7. 4) Практически применяют экстракционные системы с β ≥ 2, т. к. при меньших значениях резко возрастает число ступеней (повторных стадий) экстракции, необходимых для полного извлечения и очистки от примесей целевого металла. Степень извлечения (ε) характеризует процент извлечения металла в органическую фазу от его содержания в обеих фазах. При одинаковых объемах водной и органической фаз металлы в водных растворах электролитов находятся в виде гидратированных ионов. Реальная свободная энергия гидратации составляет обычно 40 (Ме+,Н+) и –130 (Ме3+) кДж/моль. Чтобы экстракция стала заметной, эта энергия должна быть скомпенсирована взаимодействием с экстрагентом, т. е. необходима свободная энергия сольватации порядка 40÷130 кДж/моль, что возможно при образовании электронейтральной молекулы или частичном освобождении от гидратной оболочки с получением гидрофобного соединения. Отвечающие этому условию органические вещества можно подразделить на две группы. К первой относятся нейтральные экстрагенты – органические вещества, молекулы которых способны к образованию координационных связей (донорно-акцепторного типа) с извлекаемым ионом. Ко второй группе относятся органические кислоты и их соли, органические основания и их соли, способные при контакте с водным раствором к обмену неорганического катиона или аниона, входящего в состав экстрагента, на одноименный ион, находящийся в растворе. В этом случае условием протекания экстракции является более высокая энергия гидратации ионов, переходящих из органической фазы в водную, по сравнению с извлекаемыми из водного раствора ионами. Экстрагенты этой группы называют жидкими ионообменниками. Их подразделяют на катионообменные и анионообменные в зависимости от вида обмениваемых ионов. По механизму протекания экстракционные процессы можно разделить на следующие основные типы: 1.сольватный и гидратно-сольватный (экстракция нейтральными экстрагентами); 2.анионообменная экстракция; 3.катионообменная экстракция; 4.простое физическое распределение; 5. смешанный механизм экстракции. жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|