Ионный обмен

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Мая 2014 в 14:06, реферат

Краткое описание

Технологический цикл добычи урана методом подземного скважинного выщелачивания включает следующие взаимосвязанные технологические процессы: собственно подземное выщелачивание урана, сорбционное извлечение урана из продуктивных растворов, десорбцию урана с насыщенного ионита, выделение десорбированного урана из товарных регенератов в виде химконцентрата.
В соответствии со сложным химическим составом продуктивных растворов и невысоким содержанием полезных компонентов наиболее приемлемый вариант их переработки – сорбционные методы, которые основаны на использовании ионного обмена.

Вложенные файлы: 1 файл

Раздел 1.(Сорбция)docx.docx

— 1.61 Мб (Скачать файл)
  1. Ионный обмен. Общие положения.

1.1 Общие положения

 

Технологический цикл добычи урана методом подземного скважинного выщелачивания включает следующие взаимосвязанные технологические процессы: собственно подземное выщелачивание урана, сорбционное извлечение урана из продуктивных растворов, десорбцию урана с насыщенного ионита, выделение десорбированного урана из товарных регенератов в виде химконцентрата.

В соответствии со сложным химическим составом продуктивных растворов и невысоким содержанием полезных компонентов наиболее приемлемый вариант их переработки – сорбционные методы, которые основаны на использовании ионного обмена.

Создание большого ассортимента ионообменных материалов со специфическими для каждого конкретного случая их применения свойствами  позволило широко  и эффективно использовать сорбционные  методы в гидрометаллургии при переработке моно- и полиметаллических руд, процессах  концентрирования,  разделения и   очистки тяжелых, цветных и благородных металлов, в процессах очистки сточных вод и сбросных вредных газов, в фармакологии, медицине и др.

Немаловажную роль в большом распространении  сорбционных методов в различных отраслях науки и техники сыграло начало  40…45 лет  назад широкого использования их в технологии урана.  Исключение из технологии многостадийной отмывки и фильтрации урановых пульп с целью получения из них чистых растворов,  неоднократного  осаждения химических концентратов с целью концентрирования и очистки  урана от примесей привело, благодаря применению сорбционных методов, к созданию высокоэффективной технологии выделения, концентрирования и аффинирования урана с использованием непрерывных   противоточных процессов, автоматизации, высокопроизводительного оборудования.

 

 

1.2 Понятия, термины и определения

 

Сорбция – поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами и жидкостями.

Ионный обмен – обмен ионов между двумя электролитами. Может происходить как в гомогенной среде, так и в гетерогенной, в которой один из электролитов является, например, твердым (при контакте с ионитами).

Иониты – высокомолекулярные органические вещества (трёхмерной структуры), практически нерастворимые в воде и органических средах и обратимо обменивающие ионы, входящие в их состав, на эквивалентное количество других ионов того же знака, находящихся в растворе.

Обменная емкость – количество ионов, которое может быть поглощено единицей массы ионита. Ионообменная емкость зависит от природы смолы, количества и свойств ее функциональных групп, а также от условий, в которых используют смолу. Различают полную, динамическую и рабочую обменные емкости. (Громов, 122-123 с)

Полная обменная емкость (ПОЕ) – характеризует максимальное количество ионов, которое может быть поглощено смолой при полном насыщении всех способных к обмену функциональных групп, и определяется концентрацией функциональных групп в смоле. Она не зависит от природы раствора, рН среды, условий сорбции, но требует достижения состояния равновесия. ПОЕ выражают в миллиграм-эквивалентах на 1 г ионита в воздушно-сухом состоянии.

Динамическая обменная емкость – это количество ионов определенного вида, поглощенных смолой, находящейся в равновесии с раствором определенного состава. Динамическая обменная емкость – величина непостоянная, зависящая от условий сорбции, например, от скорости пропускания и состава раствора (т.е. от концентрации извлекаемого иона, присутствия примесей и т.д).

В реальных технологических процессах равновесие между ионитом и раствором обычно не достигается. В этом случае пользуются понятием рабочей емкости. Рабочая обменная емкость аналогична динамической, с тем отличием, что соответствует количеству сорбируемого иона, поглощенного ионитом, не до равновесия, а до момента выравнивания концентраций входящего и выходящего растворов по сорбируемому иону.

Насыщенный ионит – ионообменная смола, прошедшая процесс сорбции и имеющая максимальную обменную емкость, обеспечивающую получение допустимых (заданных) концентраций урана в маточниках сорбции.

Бедный ионит – ионообменная смола, прошедшая процесс десорбции, подготовленная для сорбции урана и имеющая минимальное содержание урана в пределах, допустимых регламентом.

 

1.3 Классификация ионитов

 

Используемые в сорбционной технологии ионообменные материалы можно классифицировать по их структуре и свойствам на ряд групп или классов.

По структуре – на гелевые и пористые.

Гелевые иониты характеризуются большей объемной обменной емкостью, чем пористые,  но уступают им по осмотической  стабильности, механической прочности. Представители гелевых ионитов -  аниониты АМ, АМП, ВП-1А, ВП-3А.

Пористые иониты характеризуются высокой набухаемостью, лучшими кинетическими свойствами, менее  подвержены отравлению органическими ионами. Представители – АМ-п, АМП-п, ВП-1Ап и др.

По характеру обмена ионов – на  анионообменные,  катионообменные и комплексообразующие иониты.

Анионообменные иониты (аниониты) имеют в своем составе анионообменные функциональные группы - . Анионита в результате реакции ионного обмена способны  извлекать из технологических сред полезные компоненты, находящиеся в виде комплексных анионов.  Конкурентами являются обычные анионы – нитрат-, хлорид-, сульфат-, бисульфат-ионы и др. Причем,  конкурирующее действие их  характеризуется разной степенью сродства  к сорбенту.

Аниониты (сильноосновные, слабоосновные – с различной матрицей – полистирольные, полигетероциклические, полиакриловые) являются  самым обширным классом ионообменных материалов.

Катионообменные иониты   (катиониты) имеют в своем составе катионообменные группы - -ОН, -СООН или –SO3Н. Катиониты в результате реакции ионного обмена  способны извлекать из технологических сред полезные компоненты, находящиеся  в виде катионов. Поэтому катиониты обладают меньшей селективностью  по  отношению к извлекаемому  компоненту,  чем  аниониты, несмотря на это катиониты широко  используются в гидрометаллургии редких и цветных металлов, в  водоподготовке, при  извлечении  ценных элементов из сточных вод и т.д.

Катиониты (сульфатные, фосфатные, карбонатные  с  полистирольной и полиакриловой матрицей) – достаточно широкий класс ионообменных материалов.

 

Комплексообразующие  иониты (амфолиты)  имеют в своем составе функциональные  ионообменные группы двух типов -  анионообменные  и катионообменные.

Амфолиты способны извлекать из технологических  сред полезные компоненты, находящиеся как в анионной, так и  в катионной форме, например,  уран. Широко  используются при ионообменном извлечении ванадия, вольфрама, платиновых, цветных металлов и редких металлов.

Амфолиты, также  как аниониты и катиониты, могут иметь  полистирольную, полигетероциклическую или  полиакриловую матрицы.

 

Согласно научной классификации академика Б.Н. Никольского  иониты разделяют на четыре класса, каждый из которых включает в себя как катиониты, так и аниониты.

 

К первому классу относятся иониты, проявляющие свойства сильных кислот (катиониты) или сильных оснований  (аниониты).  Характерной особенностью  их является то, что обменная емкость их по отношению к различным извлекаемым ионам максимальна и постоянна в широком интервале значений рН среды. Основные представители  этого класса сульфостирольный  катионит КУ-2 и аналогичные ему катиониты  американского  производства IRA-120 и Дауэкс-50. Сильноосновные аниониты являются сополимерами стирола и  дивинилбензола с четвертичными аминогруппами  -АМ, АМП. IRA-400, Дауэкс-1 или  сополимерами винилпиридина и дивинила – ВП-1Ап, ВП-3Ап.

 

Ко второму классу относятся иониты, проявляющие свойства слабых кислот (катиониты) и слабых оснований (аниониты). Обменная емкость их по отношению к извлекаемым ионам максимальна только при определенном значении величины рН рабочей среды – высоком для катионитов и низком для анионитов.  К этому классу относятся  как - ионит СГ-1,  аниониты АН-2ф, ЭДЭ-10п, ВП-1п и др.

 

К третьему классу относятся иониты, проявляющие свойства смеси сильной и слабой кислот (катиониты) и смеси сильного и слабого основания (аниониты). Характерной особенностью  их является наличие  двух предельных значений обменной емкости  для низкой и высокой величины рН рабочей среды.

 

К четвертому классу относятся иониты, проявляющие свойства смеси многих кислот (катиониты)  и смеси  многих оснований (аниониты).  Характерной особенностью их является постепенное увеличение обменной емкости по отношению к извлекаемым ионам по мере увеличения значения рН среды.

 

1.3.1 Требования к ионитам

 

Учитывая длительное время использования ионитов в технологическом процессе, они должны удовлетворять многим  требованиям:

  • Полная нерастворимость ионитов в воде и водных растворах.
  • Высокая химическая стойкость в растворах солей, кислот, оснований, окислительно-восстановительной среде, при  резкой смене среды.
  • Наличие достаточно высокой обменной емкости и  селективности по извлекаемому  компоненту.
  • Высокая механическая  прочность  зерен ионита, учитывая  возможность использования его в условиях абразивного действия рудных пульп.
  • Высокая осмотическая устойчивость ионита и достаточно высокий коэффициент набухаемости для обеспечения  диффузионных процессов  при ионном обмене.
  • Оптимальный гранулометрический состав, обеспечивающий высокую кинетику извлечения ценного компонента с учетом  эффективности использования дренажных устройств, и целый ряд  других требований (влажность, насыпной вес и др.).

 

Иониты выпускаются, хранятся и транспортируются во влажном состоянии. Замораживание ионитов, равно как и высушивание их,  приводит к существенному снижению механической прочности и осмотической стабильности.  Высохший ионит перед загрузкой в технологический процесс замачивают в насыщенном солевом растворе на несколько часов, затем отмывают от соли постепенным разбавлением водой.

На практике при выборе  ионита  для решения конкретной задачи, а также при изучении закономерностей обмена на различных типах ионообменных материалов для получения  воспроизводимых и сравнимых результатов необходимо использовать ионит, подготовленный к работе всегда одним и тем же способом и в одной и той же ионной форме.

Подготовка  ионитов к испытаниям должна обеспечить:

  • Удаление примесей из ионитов;
  • Перевод ионита в заданную форму;
  • Полную сохранность ионообменных свойств и механической прочности.

 

Удаление примесей из ионитов обычно достигается путем последовательных  многократных операций отмывок 5% растворами  соляной кислоты  и едкого натра  с промежуточной и последующей промывками водой. В случае неустойчивости ионита в щелочной  среде вместо раствора едкого натра используют раствор бикарбоната аммония.

В процессе эксплуатации  ионитов наряду с ионообменными  свойствами большое  значение придается  физико-химическим  характеристикам ионита,  зачастую, во многом определяющим экономическую эффективность применения  ионообменных материалов в конкретных процессах.

Иониты в зависимости  от гранулометрического состава выпускают двух классов: класс «А» – размер зерен  от 0,63 до 1,6 мм и класс «Б» – размер зерен  от 0,315 до 1,25 мм. Кроме того, в зависимости от  конкретных ионообменных свойств и физико-химических характеристик иониты выпускаются первым и вторым сортами.

Ионит от изготовителя к потребителю поступает  партиями. Партией считается количество ионита одной марки, однородного по своим качественным показателям и сопровождаемое одним документом о качестве, содержащим:

    • наименование и марку  ионита;
    • наименование предприятия-изготовителя;
    • номер и количество мест в партии;
    • дату изготовления;
    • массу брутто и нетто партии;
    • результаты проведенных испытаний или подтверждение  о соответствии партии ионита требованию утвержденного стандарта или технических условий.

Для контроля  соответствия качества ионита данной партии нормированным требованиям изготовитель отбирает и поставляет среднюю пробу. При получении неудовлетворительных результатов анализа хотя бы по одному из показателей проводят повторный анализ проб, отобранных от удвоенного количества мест той же партии.

В случае необходимости производят арбитражные анализы в другой, определенной совместно  изготовителем и потребителем,  организации.

 

1.3.2 Основные требования к ионитам, применяемым в технологии переработки продуктивных растворов подземного выщелачивания урана

 

Основные требования к ионитам, как регламентируемые  соответствующими стандартами или техническими условиями, так и нерегламентируемые, в основном, практически одинаковы для всех ионообменных процессов. Принципиальным отличием   продуктивных урановых растворов ПСВ от урановых растворов  и пульп, получающихся в процессе переработки силикатных  руд,  является практическое отсутствие  твердых рудных взвесей, низкий  солевой состав раствора, низкая кислотность, и даже сравнительно низкая концентрация урана в растворах (30...70 мг/л) позволяет с высокой экономической эффективностью перерабатывать продуктивные растворы ионообменным способом.

Информация о работе Ионный обмен