загрузка...

1.4.2. Сорбция

Сорбция — это метод извлечения металлов из растворов, основанный на способности синтетических ионообменных смол и некоторых природных сорбентов поглощать (сорбировать) из пропускаемого через него раствора ионы металла, отдавая в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Поэтому применяемые в сорбционном процессе твердые частицы называют ионообменниками или ионитами.

Иониты – твердые высокомолекулярные вещества. Они имеют трехмерную пространственную структуру макромолекул. Этим объясняется их низкая растворимость. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты разделяются на

катиониты и аниониты.

Каждый ионит состоит из каркаса (матрицы), связанного валентными силами или силами кристаллической решетки. В матрице закреплены фиксированные ионы, которые создают на ней положительный или отрицательный заряд, компенсирующийся зарядом подвижных ионов противоположного знака (противоионов). Противоионы свободно перемещаются в порах ионита и могут быть заменены другими противоионами.

Для наглядности ионит можно сравнить с губкой, на нитях которой в отдельных точках имеется избыточный электрический заряд (фиксированные ионы), в порах губки циркулируют противоионы. Если губка погружается в раствор, подвижные противоионы могут ее покинуть и перейти в раствор. Для сохранения электронейтральности в губку обязательно должно войти эквивалентное количество других ионов того же знака.

Природные минеральные иониты представляют собой, как правило,

кристаллические алюмо- или ферросиликаты, жесткая решетка которых

несет избыточный положительный заряд. Характерными представителями их являются цеолиты и глаукониты.

Некоторые алюмосиликаты имеют слоистую структуру, они способны к интерламинарному (межслойному) набуханию. Поглощенная вода и способные к обмену ионы находятся между слоями (монтмориллонит).

Наибольшее распространение в промышленности получили синтетические ионообменные смолы. Их каркас (так называемая матрица) состоит из неправильной высокополимерной пространственной сетки углеводородных цепей (алканы и бензольные кольца). В определенных местах матрицы закреплены активные ионогенные группы, способные к диссоциации. В результате диссоциации получаются фиксированные ионы, прикрепленные к матрице, и подвижные противоионы, циркулирующие в порах матрицы. Матрица ионита гидрофобна, полистирол (основа многих смол) в воде нерастворим.

Свойства синтетических ионообменных смол определяются числом и типом активных групп, а также строением матрицы (в первую очередь – количеством поперечных связей). Число активных групп определяет полную емкость ионита. Емкость ионита и количество поперечных связей определяют степень набухания, от которой зависит подвижность противоионов, а, следовательно, и скорость ионообменных процессов. При большом числе поперечных связей средний размер пор может составлять несколько ангстремов; при очень малом числе поперечных

связей он может быть в сотни раз больше (в набухшем состоянии).

Воздушно-сухие иониты, выпускаемые промышленностью, состоят из твёрдых гранул размером от 0,5 до 4 мм. При погружении в воду они набухают. Скорость ионного обмена определяется скоростью диффузии в зерне ионита.

На рис. 1.9 приведена общая схема сорбционного концентрирования металлов из продуктивных растворов после выщелачивания.

Сорбция осуществляется путем последовательного пропускания раствора через специальные аппараты, наполненные ионитом.

Для последующей десорбции металлов из ионитов (элюирование) применяют растворы различных реагентов с высокой концентрацией тех ионов, которые были замещены в сорбенте в процессе сорбции. Извлекаемый металл при этом переходит в новый, концентрированный по металлу раствор (элюат), а сорбент направляется снова в процесс.

Элюаты имеют концентрацию металла в сотни раз выше, чем в исходных растворах. Так, например, при концентрации молибдена в исходном растворе 0,2 – 0,3 г/л получают элюаты с содержанием металла 80 – 100 г/л.


Рис. 1.9. Общая схема концентрирования металлов

Во многих случаях сорбция металлов характеризуется высокими технологическими показателями. Ёмкость ионита по урану, например, составляет 30 – 50 кг на 1 м3 смолы в набухшем состоянии, извлечение металла из раствора достигает 98 – 99,8 %. Ещё более высокая ёмкость получается при сорбции вольфрама и молибдена – до 160 кг на 1 м3 ионита.

Сорбционно-десорбционный цикл включает большое количество аппаратов. Так, сорбция может проводиться или в каскаде пачуков или в каскаде колонн (СНК, ПСК), десорбция – в каскаде меньших пачуков или в колоннах КНСПР,

между ними с двух сторон находятся промывные колонны с противоточным движением смолы и воды (чаще колонны с движущимся слоем ионита – КДС).


На рис. 1.10 представлена схема пульсационной сорбционной колонны с нерегулируемой задержкой ионита ПСК-Р, которая работает в режиме свободного осаждения ионита. В этих колоннах действует пневмопульсационная система, которая с помощью провальных распределительных тарелок КРИМЗ (живым сечением 40-60%) обеспечивает интенсивное радиальное перемешивание и

равномерное распределение потоков в колоннах сечением до 9 м2. Продольное перемешивание при этом незначительно.

Ионит подается в колонну сверху и свободно осаждается в восходящем потоке раствора. Скорость движения частиц ионита равна 0,4–0,6 от скорости осаждения ионита в спокойном растворе. Ионит выводится из нижней части колонны с помощью аэрлифта. Объемная доля ионита в колонне не превышает 20%. Частота пульсаций 60–120 мин−1. Колонна пригодна для осуществления быстротекущих процессов со временем установления равновесия 30–60 мин.

Для процессов со временем установления равновесия более 2 часов

разработаны колонны ПСК-С, работающие в режиме стесненного осаждения частиц ионита.

Для сорбции металлов из пульп после предварительного отделения из них песковой фракции используются ионообменный пачук (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Ионообменный пачук:

1 – корпус; 2 – дефлектор; 3 – эрлифты; 4 – грохоты.

Пачук представляет собой цилиндрический аппарат диаметром 3–6 м

и высотой 10–20 м. В нижней части находится коническое днище с углом конуса 60° для предотвращения накопления твердых частиц на днище. Для обеспечения взвешенного состояния пульпы и смолы устанавливается циркулятор с воздухораспределителем. Диаметр циркулятора составляет 10–20% диаметра пачука, высота циркулятора –до 1/3 высоты слоя пульпы, нижний край циркулятора устанавливается на расстоянии не более 0,5 м от низа аппарата. Для перемешивания смолы и пульпы в циркулятор подается воздух в количестве 4–8 м3/час на каждый кубометр пульпы.

Для организации противоточного движения смолы и пульпы в верхней части пачука устанавливаются дренажные сетки, на которые с помощью эрлифтов подается смесь смолы и пульпы. Раствор с твердыми частицами пульпы проходит через сетки в ящики, откуда самотеком перемещается в следующий аппарат.

Частички смолы скатываются с сетки обратно в аппарат или в желоб, откуда перемещаются в другой аппарат навстречу потоку пульпы.

Количество сеток, работающих на выдачу пульпы и смолы, определяется отношением времени пребывания пульпы и смолы в аппарате. Так, при отношении времен 1:5 из 12 сеток 10 работают на выдачу пульпы, а 2 – на выдачу смолы. Для распределения потока пульпы по сеткам используются или трубный, или щелевой делители пульпы.

Для регенерации ионита часто используются колонны непрерывной

сорбции с пневматической разгрузкой КНСПР (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Колонна КНСПР:

1 – бункер насыщенного ионита; 2 – корпус; 3 – грохот.

Смола из бункера периодически подается в нижнюю часть колонны, в верхнюю часть колонны через кольцевой распределитель подается регенерирующий раствор. В колонне организуется противоточное движение смолы и регенерирующего раствора. Через заданный промежуток времени под конусное днище подается определенный объем воздуха. Воздух вытесняет часть раствора вверх. Раствор поднимает слой смолы, часть его вместе с регенерирующим раствором переливается через порожек и подается на грохот, где регенерирующий раствор отделяется от смолы и возвращается в колонну, а смола направляется на сорбцию или в следующую колонну, если регенерация осуществляется в каскаде из нескольких колонн КНСПР. В каскаде сохраняется противоточное движение смолы и регенерирующего раствора.

Ионообменная сорбция с использованием ионообменных смол позволяет решать следующие задачи:

- селективно извлекать металлы из бедных растворов и получать более концентрированные растворы извлекаемых металалов;

- разделять близкие по свойствам редкоземельные элементы (цирконий, гафний и др.);

- обезвреживать сточные воды, очищая их от различных вредных примесей;

извлекать металлы из промышленных сточных вод;

- получать высокочистую и умягченную воду.

1.4.3.

<< | >>
Источник: Самойлик В. Г.. Специальные и комбинированные методы обогащения полезных ископаемых: учебное пособие. 2015

Еще по теме 1.4.2. Сорбция:

  1. А.П. Арзамасцев. скрининг токсикологически значимых соединении, изолируемых экс­тракцией и сорбцией, 2010
  2. 8.12. Хронический панкреатит при целиакии
  3. МЕТОДЫ ДЕТОКСИКАЦИОННОЙ ТЕРАПИИ
  4. синдром ШВАХМАНА
  5. Удаление всосавшегося ада
  6. ПОТРЕБНОСТЬ В ЖИРАХ
  7. СИСТЕМНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ АЛКОГОЛЯ НА ПЕЧЕНЬ И ДРУГИЕ ОРГАНЫ
  8. ГЕМОСОРБЦИЯ В КОМПЛЕКСНОЙ ТЕРАПИИ БОЛЬНЫХ С НАРУШЕНИЯМИ МОЗГОВОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ
  9. Глава 25 РАСТВОРЫ ДЛЯ РАЗВЕДЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ БИОМАССЫ
  10. РАЗВЕДКА НА ВОДУ И ГИГИЕНИЧЕСКАЯОЦЕНКА ИСТОЧНИКОВ ВОДЫ
  11. Глава 12. ЛАБОРАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКАВИРУСНЫХ ИНФЕКЦИЙ
  12. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИЗУЧЕНИЮ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕЖИМОВ ТРУДА И ОТДЫХА В ЦЕЛЯХ ИХ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ РАЦИОНАЛИЗАЦИИ
  13. Самоочищение поверхностных водоемов
  14. Глава 12НАСЛЕДСТВЕННАЯ АРТЕРИАЛЬНАЯ ГИПЕРТЕНЗИЯ И ГИПОТОНИЯ