Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 Ионообменные смолы и их применение в цветной металлургии
• 1.2 Состав, структура и синтез ионообменных смол
• 1.3 Характеристика ионообменной смолы КУ-2
• 2. Экспериментальная часть
• 2.1 Иодометрический метод определения концентрации Cu2+-катионов в растворе
• 2.2 Определение эксплуатационных характеристик смолы КУ-2 в динамических условиях
• 2.3 Определение эффективности использования 5% раствора серной кислоты в качестве элюента для десорбции катионов меди со смолы КУ-2
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

Обмен ионов в различных фазах играет большую роль в природе и технике. Питание растений, образование сульфатных и содовых озер и многие другие процессы, происходящие в природе, обязаны обмену ионов между твердой и жидкой фазами. ионообменный смола молекулярный

Иониты - твёрдые, практически нерастворимые вещества или материалы, способные к ионному обмену. Иониты могут поглощать из растворов электролитов (солей, кислот и щелочей) положительные или отрицательные ионы (катионы или анионы), выделяя в раствор взамен поглощённых эквивалентное количество других ионов, имеющих заряд того же знака. Молекулярную структуру иониты можно представить в виде пространственной сетки или решётки, несущей неподвижные (фиксированные) ионы, заряд которых компенсируют противоположно заряженные подвижные ионы, так называемые противоионы. Они то и участвуют в ионном обмене с раствором.

Важнейшей областью применения ионитов является водоподготовка. С помощью ионитовых фильтров получают обессоленную воду для паросиловых установок, многих современных технологических процессов и бытовых нужд. Ионитовые фильтры и электродиализные установки с ионитовыми мембранами применяют для опреснения морской или грунтовой воды с высоким солесодержанием.

Целью данной работы является: «Извлечение Cu2+ - ионов из нейтральных и слабокислых растворов ионообменным методом».Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

1. Написание литературного обзора: знакомство с ионообменными процессами и их применением в цветной металлургии; изучение состава, структуры и синтеза ионообменных смол, характеристика смолы КУ-2.

2. Изучение эксплуатационных характеристик смолы КУ-2 по катионам меди в динамических условиях, то есть определение динамической обменной емкости (ДОЕ), полной динамической емкости (ПДОЕ) и степени отмывки смолы КУ-2 от катионов меди 5% раствором серной кислоты.

3. Определение эффективности использования 5% раствора серной кислоты в качестве элюента для десорбции катионов меди со смолой КУ-2.

1. Литературный обзор

1.1 Ионообменные смолы и их применение в цветной металлургии

Ионообменные смолы - синтетические высокомолекулярные органические иониты, практически нерастворимые в воде и других растворителях, обладающие ионообменными свойствами. Ионообменные смолы подразделяются на:

1. Катионообменные (поликислоты) смолы бывают как сильно-, так и слабокислотные. Сильнокислотные катиониты-это катиониты, обменивающие катионы в растворах при любых значениях pH, слабокислотные - способные к обмену катионов в щелочных средах при pH>7.

2. Анионообменные (полиоснования) - сильно и слабоосновные, а так же промежуточной и смешанной основности. Сильноосновные аниониты - аниониты, способные к обмену анионов любой степени диссоциации в растворах при любых значениях pH; слабоосновные - аниониты, способные к обмену анионов из растворов кислот при pH 1-6.

3. Амфотерные полиэлектролиты обладают свойствами катионитов и анионитов одновременно. Если носителями электрических зарядов молекулярного каркаса ионообменной смолы являются фиксированные ионы только одного типа, то такие смолы называют монофункциональными, если же смолы содержат разнотипные ионогенные группы, то они называются полифункциональными.

Ионообменные смолы применяют в гидрометаллургии для решения следующих задач:

1. Для селективного извлечения металла из бедного раствора и получения более концентрированного раствора извлекаемого металла;

2. Разделения близких по свойствам элементов: Zr и Hf и др.;

3. Получения высокочистой и умягченной воды;

4. Очистки от примесей различных производственных растворов и обезвреживания сточных вод;

1.2 Состав, структура и синтез ионообменных смол

Ионообменные смолы имеют каркас, состоящий из высокополимерной пространственной сетки углеводородных цепей, в которых закреплены фиксированные ионы. Иониты представляют собой трехмерные полимерные или кристаллические сетки, несущие ионогенные группы. Ионогенные группы из прочно связанных с сеткой фиксированных ионов и способны к обмену противоионов. Катионообменные смолы, или полимерные катиониты, содержат кислотные группы: сульфогруппы, фосфиновокислые, карбоксильные, мышьяковокислые, селеновокислые. Анионообменные смолы, или полимерные аниониты (высокомолекулярные нерастворимые полиоснования), включают группы основного характера, четвертичные аммониевые, третичные сульфониевые, четвертичные фосфониевые основания, третичные, вторичные и первичные амины. Известны также амфотерные ионообменные смолы (амфолиты), содержащие одновременно кислотные и основные группы различают:

§ гетеропористые ионообменные смолы (в качестве основы используется дивинилбензол, и характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор);

§ макропористые ионообменные смолы (имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера);

§ изопористые ионообменные смолы (имеют однородную структуру и полностью состоят из смолы, поэтому их обменная способность выше, чем у предыдущих смол).

Получают ионообменные смолы полимеризацией, поликонденсацией или путём полимер аналогичных превращений, так называемой химической обработкой полимера, не обладавшего до этого свойствами ионита. Среди промышленных ионообменные смолы широкое распространение получили смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. В их числе сильнокислотные катиониты, сильно и слабоосновные аниониты. Основным сырьём для промышленного синтеза слабокислотных катионообменных смол служат акриловая и метакриловая кислоты и их эфиры.

В больших количествах производят также Ионообменные смолы на основе феноло-альдегидных полимеров, полиаминов и другие. Направленный синтез ионообменных смол позволяет создавать материалы с заданными технологическими характеристиками. Чаще всего синтез производят полимеризацией или поликонденсацией мономеров, содержащих ионогенные группы; присоединением ионогенных групп к отдельным звеньям ранее синтезированного полимера; присоединением ионогенных групп к звеньям синтетического линейного полимера с превращением его в сетчатый полимер.

Основные свойства ионообменных смол - набухание и ионообменная способность (ПОЕ, СОЕ, ДОЕ).

Воздушно-сухие иониты, выпускаемые промышленностью, состоят из твердых гранул или бусин размером от 0,5 до 3-4 мм. При погружение в воду иониты набухают вследствие поглощения определенного количества воды. Набухание сопровождается растяжением пространственной сетки смолы и увеличением ее объема. Способность к набуханию зависит от числа ионогенных групп и поперечных связок. С увеличением числа поперечных связок набухаемость уменьшается. В случае жесткой структуры стремление к набуханию может привести к растворению смолы.

Полная обменная емкость характеризует максимальное количество ионов, которое может быть поглощено смолой при ее насыщении. Это постоянная для данной смолы величина, которую можно определить либо в статических, либо в динамических условиях. При сорбции в статических условиях навеску смолы перемешивают с раствором определенного объема, содержащего большой избыток сорбируемого иона. При сорбции в динамических условиях раствор пропускают (фильтруют) через слой смолы, находящейся в колонке. Статическая (равновесная) обменная емкость - это емкость смолы при достижении равновесия в статических условиях с раствором определенного объема и состава. Таким образом, статическая обменная емкость - непостоянная величина. Динамическая (рабочая) обменная емкость ? это количество ионов, поглощенных смолой при фильтрации раствора через слой ее до достижения «проскока» сорбируемого иона, т.е. появления в фильтрате некоторой небольшой концентрации иона. ДОЕ не является постоянной величиной - она зависит от скорости пропускания раствора через смолу, величины зерен смолы, состава раствора и температуры.

а) б)

Рисунок 1 - Выходные кривые сорбции (а) и элюирования (б)

Рабочая емкость определяется по выходной кривой сорбции (рис. 1, а). Ей соответствует площадь S1 (до проскока). Площадь, ограниченная выходной кривой кривой, горизонтальной линией. Соответствующей исходной концентрации раствора, и осями координат (S1+S2), отвечает полной динамической обменной емкости (ПДОЕ). При продолжении пропускания раствора через колонку ПДОЕ становиться равной ПОЕ.[1]

Процесс десорбции поглощенного на смоле иона называют элюированием. При осуществление элюирования в динамических условиях выходная кривая элюирования имеет вид , показанный на рис. 1, б.

1.3 Характеристика ионообменной смолы КУ-2

Катионит КУ-2 - это многофункциональная сильнокислая смола. Основной характеристикой катионитов является присутствие в составе кислотных групп, водород которых может обмениваться на ионы металлов, имеющихся в растворе. Характеристика ионообменной смолы КУ-2 приведена в таблице 1.

2. Экспериментальная часть

2.1 Иодометрический метод определения концентрацииCu2+-ионов в растворе

Концентрацию в растворах определяли иодометрическим методом в коническую колбу переносили пипеткой 10 мл приготовленного раствора сульфата меди, добавляли 3 г йодида калия, 3 мл раствора крахмала, добавляли воды до 100 мл и хорошо перемешали. В результате получили раствор грязно-синего цвета. Титруют тиосульфатом натрия (Na2S2O3) до обесцвечивания данного раствора. Молярность раствора CuSO4 рассчитывается по формуле:

MCuSO4= (0,1·Vтиос)/ (VCuSO4 ·2), ммоль/мл

где MCuSO4- молярная концентрация сульфата меди, ммоль/мл;

VCuSO4 - объем раствора сульфата меди, мл;

Vтиос - объем раствора тиосульфата, пошедший на титрование, мл.

Результаты анализа рабочих растворов CuSO4 иодометрическим методом приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Определение концентрации растворов Cu

2.2 Определение эксплуатационных характеристик ионита марки «КУ-2» по катионам меди

Определяли динамическую обменную емкость, полную динамическую обменную емкость и степень отмывки смолы КУ-2 от Cu2+-катионов 5% раствором серной кислоты. В ионообменную колонку dвнутр = 12 мм, помещали 1,0г смолы КУ-2. Высота слоя смолы в колонке h=35мм. Устанавливали скорость пропускания раствора в колонке в интервале от 2,0 до 3,0мм в минуту. Затем пропускали через слой смолы раствор сульфата меди различной концентрации (Мисх = 0,018; 0,035; 0,026 ммоль/мл). После насыщения смолы катионами меди проводили элюирование катионов меди из смолы 5% раствором серной кислоты. Концентрацию меди в растворе на выходе из ионообменной колонки Мвых определяли йодометрическим методом и рассчитывали по формуле.

Результаты анализа и расчета приведены в таблицах 2-8 при составлении ДОЕ, ПДОЕ.

Установлено, что:

- ДОЕ смолы КУ-2 по Cu2+-катионами равна 0,72 ммоль/г при Мисх= 0,018 ммоль/мл, ДОЕ= 0,35 ммоль/г при Мисх= 0,035 ммоль/мл, ДОЕ= 0,52 ммоль/г при Мисх= 0,026 ммоль/мл;

- ПДОЕ смолы КУ-2 по Cu2+-катионами составляет 1,289 ммоль/г, ПДОЕ=1,132 ммоль/г, ПДОЕ=1,076 ммоль/г;

- Степень отмывки смолы КУ-2 от катионов Cu2+ 3% раствором H2SO4 составляет 77-79% 5% раствором H2SO4.

Таблица 3 - Выходная кривая сорбции Cu2+- катионов смолой КУ-2, при Мисх= 0,018ммоль/мл

Таблица 4- Кривая элюирования Cu2+- катионов из смолы КУ-2, 3% раствором H2SO4,в 1 цикле «сорбции»

Таблица 5 - Выходная кривая сорбции Cu2+- катионов смолой КУ-2, при Мисх= 0,035ммоль/мл.

Таблица 6- Кривая элюирования Cu2+- катионов из смолы КУ-2, 5% раствором H2SO4,во 2 цикле «сорбции»

Таблица 7 - Выходная кривая сорбции Cu2+- катионов смолой КУ-2, при Мисх= 0,026ммоль/мл.

Таблица 8- Кривая элюирования Cu2+- катионов из смолы КУ-2, 3% раствором H2SO4,в 3 цикле «сорбции»

2.3 Определили эффективность использования 5% раствора Н2SO4 в качестве элюента для десорбции катионов меди со смолой КУ-2

Определили степень отмывки смолы КУ-2.

Значения степени отмывки катионов меди смолы КУ-2 в 3-х циклах «сорбция-десорбция» представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 -Значения степени отмывки катионов меди смолы КУ-2 в 3-х циклах «сорбция-десорбция»

Вывод: По-видимому, степень отмывки не превышает 80%, следовательно, 5 % серной кислоты является недостаточно эффективным элюентом для десорбции катионов меди. Возможно, следует увеличить концентрацию кислоты, так как не удалось получить достаточно эффективный раствор.

Заключение

1. Ионообменные процессы основаны на способности некоторых твердых веществ, называемых ионитами, при контакте с растворами электролитов поглощать ионы в обмен на ионы того же знака, входящие в состав ионита. Ионообменные смолы применяют в гидрометаллургии для решения следующих задач: для селективного извлечения металла из бедного раствора и получения более концентрированного раствора извлекаемого металла, разделения близких по свойствам элементов: Zr и Hf и др., получения высокочистой и умягченной воды, очистки от примесей различных производственных растворов и обезвреживания сточных вод.

Ионообменные смолы - это высокомолекулярные органические, практически нерастворимые в воде и других растворителях полиэлектролиты, обладающие ионообменными свойствами. Ионообменные смолы делят на: катионообменные (поликислоты), анионообменные (полиоснования) и амфотерные.

Для извлечения катионов меди сильнокислотных растворов используется такой тип смолы, как КУ-2.

2. Определены ДОЕ, ПДОЕ смолы КУ-2 по катионам Cu2+и степень отмывки смолы КУ-2, 3% и 5% раствором H2SO4.

3.Исследовали влияние концентрации исходного раствора CuSO4 на динамическую обменную емкость смолы (ДОЕ).

Список использованной литературы

1. Иониты в цветной металлургии / Под ред. К.Б. Лебедева. - М.: Металлургия, 1975. - 380 с.

2. Вольдман Г.М. Теория гидрометаллургических процессов : учеб. Пособие для вузов / Г.М. Вольдман, А.Н. Зеликман; 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Интермет Инжиниринг, 2003. - 464 с.

3. Методы аналитической химии / Под ред. Ю. Ю. Лурьева. - М.: Изд-во «Химия», 1969. - с.

Размещено на Allbest.ru