title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Основные сведения о сорбционных процессах

Основные сведения о сорбционных процессах

Понятие о процессе. Сорбция — поглощение газа или соли из раствора пористым твердым веществом. Явление сорбции известно давно. Однако применение сорбентов, способных обменивать ионы, в металлургии в больших масштабах началось после разработки способов синтеза высокомолекулярных органических соединений — смол и сооружения удобной для проведения процесса аппаратуры примерно с 1954—1955 гг. Сорбенты или иониты (ионообменные смолы) выпускают главным образом в виде шариков размером 0,5—1,5 мм. Они очень устойчивы к действию кислот, щелочей и солей и достаточно прочны до 80—100° С.
Использование сорбентов сводится к следующему. Иx насыпают слоем в чан с распределительным устройством (рис. 18) и подают туда раствор. Фильтруясь (просачиваясь) через слой сорбента, раствор отдает ему ценный ион металла, который накапливается в сорбенте до насыщения. После этого раствор начинают подавать на другой фильтр, а сорбент обрабатывают кислотой. Таким образом, получают концентрированный раствор нужного металла и сорбент, готовый для обработки следующей порции раствора
Основные сведения о сорбционных процессах

Благодаря применению сорбента отпала необходимость осаждать металл, отфильтровывать осадок, промывать его, т. е. отпал ряд трудоемких операций.
Сорбенты можно загружать в раствор при сильном перемешивании Их можно загружать и сразу в смесь руды с растворителем (пульпу). В этом случае ценный металл по мере выщелачивания переходит из раствора в сорбент Далее, когда выщелачивание закончится, общую смесь (вода + руда + сорбент) направляют на сетку с отверстиями, через которые свободно проходят частицы руды, но не проходят шарики сорбента. Быстро и полно отделяется сорбент с ценным металлом от воды и выщелоченной руды. Отпадают операции отделения руды от раствора (сгущение, фильтрация) промывки, т. е. отпадает необходимость в строительстве больших зданий и установке громоздкой аппаратуры. Сорбция и здесь дает большой эффект.

Получение ионитов (сорбентов). Основой ионита являются полимерные цепи или нити из молекул стирола (C6H5CH = CH2). Длинные нити из стирольных молекул спутаны между собой как бы в непрочный клусок (рис. 19) Чтобы сделать спутанные нити полистирола прочным объединением, их во время совместной по имеризации связывают (сшивают) с помощью молекул дивинилбензола (C6H4—2СН—2СН2). Получается прочное химически стойкое высокомолекулярное вещество, но еще неспособное к ионному обмену. Чтобы сделать это вещество ионообменником, его во время синтеза или предварительно дополнительно обрабатывают химически активными реактивами так, чтобы часть их прочно вошла в каркас полимера, а вторая часть осталась способной к ионному обмену Если смолу обрабатывали серной кислотой, то к полимеру присоединяется группа HSO3, из которой SO3 прочно входит в состав каркаса, а ион H+ способен к обмену. Если ее обрабатывали более сложными веществами, содержащими хлор и аммиак в различных соединениях, то в молекулу полимера (обозначен буквой П) может войти группа молекул вида

Сравним эту группу с обычной солью NH4Cl. Сразу видно, что в нашей группе есть ион Cl-. Очевидно, что ион хлора может быть замещен на ион ОН-. Таким образом получают иониты Co свойствами кислоты (ион H+) или щелочи (ион ОН-).
Изменяя состав фиксированной группы, можно получить слабокислые или сильнокислые иониты и соответственно слабо- или сильноосновные иониты. Можно получить иониты с двумя-тремя фиксированными группами — полифункциональные иониты.
Получены и амфолиты, т. е. амфотерные иониты. Можно приготовить пористые иониты, имеющие в десятки раз большую обменную поверхность, чем обычные. Они имеют большую емкость и скорее сорбируют извлекаемые вещества. Иониты — дорогие вещества. Их цена 2—6 руб. за 1 кг.
Характеристика ионитов. Иониты, обменивающие ион H+ на другие катионы, называют катионитами. Чем более выражены кислотные свойства катионита, тем в более кислых средах он может работать (pH = 0,7—1,0), Иониты, обменивающие ион OH- на другие анионы, называют анионитами. Сильноосновные аниониты могут работать в щелочных средах (pH = 8/9). Иониты могут быть «заряжены» и другими ионами: натрия (вместо H+), хлора (вместо ОН'). Форма, в которую заряжен ионит (обозначен П), имеет большое значение. Например: 2СДВ — H+ + CuSO4= Cu — 2СДВ + H2SO4; 2СДВ — Na+ + CuSO4 = Cu — 2СДВ + Na2SO4.
В первом случае по мере хода процесса образуется кислота, которая мешает его развитию, устанавливается равновесие и медь осаждается неполно. Во втором случае кислота не образуется и процесс идет до конца.
Емкостью ионита называется обменная способность 1 г сухого ионита, выраженная в миллиграмм-эквивалентах. Часто она равна 3—5 мг-экв/г. Это значит, что 1 г ионита обменивает 3—5 мг водорода на 96—160 мг меди или 320— 535 мг серебра и т. д. Поскольку в 1 см3 ионита обычно находится 0,6—0,8 г ионита, это значит, что 1 см3 сухого ионита сорбирует 2—4 мг*экв На практике считают емкость в граммах на литр (можно в кг/м3) набухшею в воде ионита. Плотность набухшего ионита составляет примерно 1,2—1,3 г/см3. Отметим, что при набухании объем ионита возрастает примерно в два раза. Отсюда следует, что емкость набухшего ионита составляет всего около 1—2 мг*экв. У ионитов различают полную обменную емкость (ПОЕ) — это предельная теоретическая емкость и статическую обменную емкость (СОЕ) — емкость в рабочих условиях при перемешивании
Если сорбцию ведут в колонне с просачиванием раствора через слой ионита, то различают полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ) и емкость до появления в фильтрате ценного металла (до проскока) - динамическую обменную емкость (ДОЕ).
На сорбционный процесс нужно затрачивать от нескольких минут до 4—5 ч, часто около 2 ч.
Процессы сорбции протекают как медленная химическая реакция до состояния равновесия. В состоянии равновесия получают примерно постоянное отношение между концентрацией извлекаемого иона в ионите и растворе К = Cи/Cр. Здесь К — коэффициент распределения, Cн — концентрация в эквивалентных долях в ионите; Cр — в эквивалентных долях в растворе. Чем К больше, тем лучше работает ионит.
Чтобы определить коэффициент распределения, строят изотермы сорбции (рис. 20). На графике изображена изотерма сорбции, во время которой К остается постоянной величиной и отношение концентраций в ионите и растворе (т. е. К) равно единице. Коэффициент распределения определяется по изотерме как тангенс угла ее наклона к горизонтальной координате графика (в нашем примере угол 45° и tg = 1). Практически К изменяется с изменением концентрации, а его значение может быть более 1000, В этом случае изотерма будет изображаться круто восходящей кривой и может быть заменена ломаной линией из двух-трех отрезков.

Организация сорбции. Рассмотрим следующий пример (см. рис. 20).
Будем смешивать порции ионита объемом 1 л с раствором (тоже 1 л), тщательно сливать раствор и снова загружать в него ионит. Ход такой работы представлен в табл. 12. Этот способ называется периодическим (ступенчатым, стадиальным).
В примере достигнуто извлечение 99,22%Расход ионита составил всего 7 л. Можно сделать еще три обработки раствора смолой и довести извлечение до 99,9% при расходе ее 10 л. Рассматривая табл. 12, можно сделать следующий вывод: концентрация металла уменьшалась в нашем примере последовательно в два раза на каждой ступени: в 1-м аппарате 10:2=5, во втором 10 : 4, а в n-ном 10:2n, например в 7-м 10:2в7 = 10:128 = 0,078.

В общем случае при любых К и любых отношениях объема сорбента Ос к объему раствора Oр имеем следующее уравнение для определения остаточной концентрации металла в растворе после n-ной ступени периодической сорбции:

Видно, что можно значительно интенсифицировать сорбцию, подбирая сорбенты с высоким K. Во время сорбции меди различные сорбенты имеют К в пределах 15—25 и это сильно, как видно из формулы, меняет результат. Учитывая неудобства работы при отношениях Oс/Oр > 1 (стационарный слой), использовать прием увеличения этого отношения не всегда можно. Практически Oс/Oр всегда 1.
Рассмотрим один пример. На предприятии вредную примесь удаляют при следующих условиях: Cн = 100 мг/л; К = 220; Oс:Oр = 0,01, число ступеней 5. Конечное содержание примеси будет

За одну стадию концентрация уменьшается в 3,2 раза, за 5 стадий — в 340 раз.
При извлечении дорогих металлов, когда полнота извлечения имеет большое значение, число ступеней сорбции доводят до 10—15.
Рассмотрим еще один способ организации сорбции. Попробуем последовательно «протащить» все оставшиеся порции смолы через новую порцию раствора. Будем подавать смолу, оставшуюся от второй стадии сорбции, на свежий раствор, оставшийся раствор будем смешивать со смолой с третьей стадии. Такая система работы показана на рис. 21 и называется непрерывной противоточной (иногда каскадной) системой. Богатый раствор поступает в 1-й аппарат и встречается в нем с частично насыщенной смолой со 2-й стадии. Из первого аппарата смола выводится на извлечение меди (десорбцию), а раствор поступает во 2-й аппарат, где встречается со смолой (ионитом) из 3-го аппарата и т. д. Свежую смолу подают в последний аппарат, а раствор из него выводят в отвал или в устройство оборотного водоснабжения, вследствие чего оставшаяся в растворе после сорбции медь не теряется. Время выдержки смолы в каждом аппарате должно быть достаточным для того, чтобы наступило равновесие между смолой и раствором. Распределение металла будет на каждой стадии зависеть от величины KOс/Op. Это выражение называют коэффициентом сорбции (Kc).
Количество металла и его распределение на любой стадии могут быть подсчитаны по уравнению

Например, на 6-й стадии при Kc — 2 M6 = 10 (2 + 1) (2 — 1)/(2в7 — 1) = 0,23. Потери металла в период устойчивой работы системы можно подсчитать по уравнению П = (Kс — 1) : (Кcn+1 — 1).
В нашем примере (2 — 1) (2в7 — 1) = 0,077, или 0,77%.
На основе этих уравнений можно без поправок рассчитать противоточную систему, если К распределения — постоянная величина, т. е. при линейной изотерме. Если К переменная величина, т. е, изотерма криволинейна, причем изменение К не больше 100% (в два раза), то надо брать К среднее. При больших изменениях К расчет ведут по участкам ломаной линии, вписанной в изотерму. Чтобы построить график, надо из точек концентрации раствора по ступеням (0,08, 0,15 и т. д.) восстановить перпендикуляры до пересечения с линией изотермы, затем, проводя линии из точек начальной и конечной концентрации, на каждой ступени параллельно основным осям графика Cн—Cр и C1—Cр получаем треугольники (1, 2, 3 и т. д.). которые наглядно показывают значение каждой стадии сорбции. Иx стороны показывают падение концентрации (C1—Cр и т. д.) на каждой стадии и рабочую концентрацию в каждой стадии (C1 и т. д.). Если рабочая линия OP была построена по опытам на модели, то без алгебраических расчетов можно найти число стадий чисто графически.

Десорбция (другое название — элюирование) — процесс извлечения металла из сорбента. Его проводят возможно малым объемом десорбента тоже противоточно Часто реагентом для десорбента служит 20—30%-ная серная кислота: CМe + H2SO4 = C = 2Н+ + МeSO4.
После десорбции катионит промывают водой и направляют в колонны для сорбции. Концентрация металла в полученном растворе-элюате может быть в 100 раз выше, чем в исходном растворе. Анионы десорбируют щелочами и солями, одновременно получая—заряжая ионит в хлорной или гидроксильной форме.
Отметим здесь, что некоторые металлы могут быть сорбированы в виде анионов Таковы, например, молибден (анион MoO4), золото (анион Au(CN)2'), цинк (анион ZnCl4) и др. Сорбционные процессы могут быть использованы не только для извлечения металлов, но и для их разделения на стадиях сорбции и десорбции.

title-icon Подобные новости