Получение и исследование свойств селективных неорганических сорбентов.
О. В. Славкина, Б. Б. Бабаев.
Научный руководитель: Дорофеева Людмила Ивановна, ТПУ, ФТФ, каф. 23, аспирант
Томский политехнический университет
, г.Томск, РоссияШирокое использование неорганических сорбентов в различных отраслях промышленности стимулирует их исследование в качестве селективных ионообменных материалов.
С точки зрения селективности к ионам лёгких щелочных элементов нами исследованы два типа сорбентов: катионит, синтезированный на марганцевой основе, и природный - цеолит Шивыртуйского месторождения (клиноптилолит).
Цеолиты Шивыртуйского месторождения характеризуются неоднородностью пластов. Минеральный вид цеолита определяет размер входных окон каркаса кристаллической решётки и микрокристаллический объём микрополостей, занятых молекулами воды, а также отношение силикатного модуля
Si / Al и состав катионов, что обуславливает его физико-химические и технологические свойства.Цеолит с содержанием основного компонента 70% обладает достаточной механической прочностью, химически устойчив в водных средах. Эффективный диаметр “окон” цеолита 0,35 – 0,43 нм относит его к классу среднепористых сорбентов. Ионообменная ёмкость клиноптилолита в статических условиях имеет значение 0,19 мг–экв. в расчёте на 1г сухого катионита. Насыпная плотность составляет 0,7 г/см
3, при этом порозность слоя – e 0, характеризующая отношение объёма межзернового пространства к объёму зернистого материала, равна 0,64. Сорбент представлен частицами, диаметр которых dэ = 0,2 см. Плотность клиноптилолита в водородной форме r = 1,95 г/см2.Наряду с природными ионообменниками представляют интерес и синтетические, обладающие высокой избирательностью к ионам щелочных элементов. Так, например, катионит типа ИСМ.
Одним из способов получения неорганического ионообменника на марганцевой основе является осаждение гидроокиси марганца с последующим её окислением раствором NaClO. В ходе экспериментов по синтезу данного неорганического соединения разработана методика приготовления, а также получен сорбент, обладающий селективными свойствами.
Исследования селективности данных сорбентов осуществляется при разделении ионов
Li – Na. Проведена оценка ионообменных свойств, характеристик зернистого материала.Нами рассмотрены возможности использования данных катионитов в обменных процессах разделения веществ. Разработана конструкция установки, представляющая собой разделительную ионообменную колонну, работающую в противоточном режиме.
В ходе экспериментов определены оптимальные условия работы установки по разделению изотопов и ионов с близкими свойствами, рассчитана величина ВЭТС при учёте скоростей движения фаз, а также коэффициентов взаимодиффузии.
Скорости движения фаз определялись экспериментально. Большие потоки раствора недопустимы из –за флюидизации ионообменника, поэтому применять скорость потока выше 0,1 см/с нежелательно.
Величина ВЭТC зависит от скорости переноса вещества в фазе ионита (внутренняя диффузия), жидкой фазе (внешняя диффузия) и от перемешивания по высоте колонны (продольная диффузия):
h = hвнутр. + hвнеш. + hпрод..
Первые два слагаемых существенно зависят от коэффициентов взаимодиффузии обменивающихся ионов в ионите и вносят не большой вклад в величину ВЭТC при противотоке.
Для проведения расчётов составлена программа и определено значение ВЭТС.
Эффективность разделительного процесса определяется степенью разделения, которая в свою очередь зависит от величины ВЭТС. Анализируя полученные данные, можно отметить, что при обмене на плотном слое сорбента величина ВЭТС ниже, чем при противотоке. Скорость переноса вещества в фазе сорбента и раствора в одной и той же системе при неподвижном и движущемся слое одинаковы, однако при противотоке возрастает вклад продольного перемешивания, а значит и величина ВЭТС.
Следовательно, для эффективной работы противоточной установки более подходит режим ступенчатой подачи ионита в ионообменную колонну. При этом уменьшается ВЭТС, увеличивается число теоретических ступеней разделения и, тем самым, возрастает степень разделения.
Проведённые экспериментальные исследования показывают перспективность использования данных катионитов в процессах очистки и разделения веществ.
e-mail: asf@asf.e-burg.ru