Извлечение Cu2+-ионов из нейтральных и слабокислых растворов ионообменным методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии

Извлечение Cu²⁺-ионов из нейтральных и слабокислых растворов ионообменным методом

Курсовая работа

Выполнила: ст. гр. ММ-132

Мешавкина К.В.

Проверил: д.т.н., профессор

Руднева В. В.

Новокузнецк 2015



Содержание

смола ионообменный медь

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Ионообменные смолы и их применение в металлургии

1.2 Состав, структура и синтез ионообменных смол

1.3 Характеристика ионообменной смолы КУ-8

2. Экспериментальная часть

2.1 Йодометрический метод определения концентрации Cu2+-ионов в растворе

2.2 Определение эксплуатационных характеристик смолы КУ-8 в динамических условиях

2.3 Исследовать зависимость ДОЕ смолы по катионам меди от концентрации растворов

Заключение

Список использованной литературы



Введение

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.

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. Иониты, ионообменники-твёрдые, практически нерастворимые вещества или материалы, способные к ионному обмену.

Целью данной работы является исследование зависимости ДОЕ смолы по катионам меди от концентрации растворов .

Для достижения поставленной цели решали следующие основные задачи:

1.Изучить по литературному обзору ионообменные смолы и для чего они применяются в металлургии.

2.Определить эксплуатационные характеристики смолы КУ-8 по катионам меди в динамических условиях. Определить динамическую обменную емкость (ДОЕ) и полную динамическую емкость (ПДОЕ).

3.Определить степень отмывки катионов меди из смолы КУ-8 5% раствором серной кислоты.

4.Исследовать зависимость ДОЕ смолы по катионам меди от концентрации растворов .



1. Литературный обзор

1.1 Ионообменные смолы и их применение в металлургии

Ионообменные смолы - синтетические высокомолекулярные (полимерные) органические иониты. В соответствии с общей классификацией ионитов Ионообменные смолы делят на:

1. Катионообменные (поликислоты),

2. Анионообменные (полиоснования)

3. Амфотерные, или биполярные (полиамфолиты).

· Катионообменные смолы бывают: сильно-, и слабокислотные. Сильнокислотные катиониты- э?о катиониты, обменивающие катионы в растворах при любых значениях pH. Слабокислотные - способные к обмену катионов в щелочных с?едах при pH>7.

· Анионообменные смолы бывают: сильно-, и слабоосновные. 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.

· Амфотерные полиэлектролиты обладают свойствами катионитов и анионитов одновременно.

Широкое использование ионитов в гидрометаллургии, химической технологии и других областях началось после создания ионообменных синтетических смол. Выпускаемые сегодня ионообменные смолы, обладающие высокой емкостью, химической стойкостью и механической прочностью, вытеснили другие ионообменные материалы.

Ионообменные смолы применяют в гидрометаллургии для:

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

2) Разделения близких по свойствам ?л?ментов: Zr и Hf и др.;

3) Получения высокочистой и умягченной воды;

4) Очистки от примесей различных производственных растворов и обезв?еживания сточных вод;

5) Окисления ионов в растворах с однов?еменной сорбцией, для восстановления металлов с их сорбцией из разбавленных растворов и в других случаях.

1.2 Состав, структура и синтез ионообменных смол

Ионообменные смолы, как правило, ионообменные полимеры - синтетические органические иониты, п?едставляющие собой нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные поли?лектр?литы, способные обменивать подвижные ионы при контакте с растворами ?лектр?литов.

Исходя из типа ионогенной группы ионообменные смолы разделяют на катионообменные и анионообменные.

· Катионообменные смолы, или полимерные катиониты, содержат кислотные группы: сульфогруппы, фосфиновокислые, карбоксильные, мышьяковокислые, селеновокислые и др.

· Анионообменные смолы, или полимерные аниониты (высокомолекулярные нерастворимые полиоснования), включают группы основного характера, четвертичные аммониевые, т?етичные сульфониевые, четвертичные фосфониевые основания, т?етичные, вторичные и первичные амины.

Получают ионообменные смолы полимеризацией, поликонденсацией или путём полимер аналогичных п?евращений, так называемой химической обработкой полимера, не обладавшего до э?ого свойствами ионита. С?еди 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:

1) полимеризацией или поликонденсацией мономеров, содержащих ионогенные группы;

2) присоединением ионогенных групп к отдельным звеньям ранее синтезированного полимера;

3) присоединением ионогенных групп к звеньям синтетического линейного полимера с п?евращением его в сетчатый полимер.

Ионообменные смолы имеют каркас, состоящий из высокополимерной пространственной сетки углеводородных цепей, в которых зак?еплены фиксированные ионы. Иониты п?едставляют собой т?ехмерные полимерные или кристаллические сетки, несущие ионогенные группы. Ионогенные группы состоят из прочно связанных с сеткой фиксированных ионов и способных к обмену противоионов, заряд которых противоположен по знаку заряду фиксированных ионов [1].

Ионообменные смолы бывают:

1. Гетеропористые ионообменные смолы. В качестве основы используется дивинилбензол, и характеризуются гетерогенным характером гелевидной структуры и небольшими размерами пор.

2. Макропористые ионообменные смолы. Эти смолы имеют губчатую структуру и поры свыше молекулярного размера.

3. Изопористые ионообменные смолы. Имеют однородную структуру и полностью состоят из смолы, а второму их обменная способность выше, чем у п?едыдущих смол.

Основные свойства ионообменных смол:

Набухание. 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.

Обменная емкость смолы. Полная обменная емкость (ПОЕ), 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.

Статическая (равновесная) обменная емкость (СОЕ) ? это емкость смолы при достижении равновесия в статических условиях с раствором определенного объема и состава. Таким образом, статическая емкость - непостоянная величина.

Динамическая (рабочая) обменная емкость (ДОЕ) ? 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.

Рабочая емкость определяется по выходной кривой сорбции (рис. 1, а). Ей соответствует площадь S₁ (до проскока). Площадь, ограниченная выходной кривой, горизонтальной линией, соответствующей исходной концентрации раствора, и осями координат (S₁+ S₂), отвечает полной динамической обменной емкости (ПДОЕ).

Процесс десорбции поглощенного на смоле иона называют элюированием. При осуществление элюирования в динамических условиях выходная кривая элюирования имеет вид, показанный на рис. 1, б. В результате элюирования поглощенных ионов в случае, если смола достаточно «нагружена», получают элюаты с концентрацией металла в 100и более раз выше, чем в исходных растворах.

а)

б)

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

1.3 Характеристика ионообменной смолы КУ-8

Катионит КУ-8 - 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-8 приведена в таблице 1.



Таблица 1 - Характеристика смолы КУ-8

Наименование показателя	Норма для марки и сорта
Внешний вид	Сферические зерна от желтого до темно-коричневого цвета
Гранулометрический состав:
размер зерен, мм	0,315-1,25
эффективный размер зерен, мм	0,4-0,55
Коэффициент однородности,	не более 1,7
объемная доля рабочей фракции, %	не менее 96
Массовая доля влаги, %	48-58
Удельный объем в Н-форме, см3/г	не более 2,8
Полная статическая обменная ёмкость, мг-экв/см3	не менее 1,9
Окисляемость фильтрата в пересчете на кислород, мг/г	не более 0,9
Осмотическая стабильность, %	не менее 60
Рабочий диапазон pH	0-14
Наименование показателя	Норма для марки и сорта
Максимальная рабочая температура, оС	120
Основное применение	- умягчение и обессоливание воды на тепловых и атомных электростанциях, котельных; - очистка технологических растворов и сточных вод;



2. Экспериментальная часть

2.1 Йодометрический метод определения концентрации Cu²⁺-ионов в растворе

Концентрацию в растворах Cu²⁺ определяем йодометрический методом. В коническую колбу переносят пипеткой 10 мл приготовленного раствора CuSO₄ (сульфат меди), добавляют 3 г йодида калия, 3 мл раствора крахмала добавляют воды до 100 мл и хорошо перемешивают. В результате получают раствор грязно-синего цвета. Титруют тиосульфатом натрия (Na₂S₂O₃) до обесцвечивания данного раствора.[2]

Молярность раствора CuSO₄ рассчитывается по формулам:

(1)

, моль/л (2)

где N^CuSO4 - нормальность сульфата меди, г-экв/л;

N^тиос - нормальность раствора тиосульфата, г-экв/л;

M^CuSO4 - молярная концентрация сульфата меди, ммоль/мл;

V ^CuSO4 - объем раствора сульфата меди, мл;

V^тиос - объем раствора тиосульфата, мл.

Результаты рабочего анализа раствора CuSO₄ йодометрическим методом приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Определение концентрации растворов CuSO₄.

№ раствора	V CuSO4, мл	V CuSO4, мл	MCuSO4, ммоль/мл
1	10	6,4	0,032
2	10	7,1	0,035
3	10	9	0,045



2.2 Определение эксплуатационных характеристик смолы КУ-8 в динамических условиях

Определяли динамическую обменную емкость, полную динамическую обменную емкость и степень отмывки смолы КУ-8 от Cu²⁺ 5% раствором H₂SO₄. В ионообменную колонку d_внутр = 6мм, помещали 1,0г смолы КУ-2. Высота слоя смолы в колонке h=25мм. Устанавливали скорость пропускания раствора в колонке в интервале от 2,0 до 3,0 мл в минуту. Затем пропускали через слой смолы раствор сульфата меди различной концентрации (М_исх = 0,032 ммоль/мл, М_исх= 0,035 ммоль/мл, М_исх= 0,045 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 М_вых определяли йодометрическим методом и рассчитывали по формуле 2.

Результаты анализа и расчета смолы КУ-8 приведены на рисунках 1-6, в таблицах 3-8.

Таблица 3 - Выходная кривая сорбции Cu²⁺- катионов смолой КУ-8, при М_исх = 0,032ммоль/мл.

V пропущенного CuSO4, мл	V р-ра взятого на анализ CuSO4, мл	, мл	Мвых, CuSO4 ммоль/мл
5	5	-	-
10	5	0,5	0,005
15	5	1,1	0,011
20	5	1,8	0,018
35	5	3,1	0,031
52	7	4,3	0,032

Таблица 4 - Кривая элюирования Cu²⁺- катионов из смолы КУ-8, 5% раствором H₂SO₄, в 1 цикле «сорбции-десорбции».

V H2SO4, мл	VNaOH, мл	, мл	Мвых, ммоль/мл
2	2	3,1	0,0775
4	2	2,7	0,0675
9	5	2,7	0,027
14	5	1,0	0,01
19	5	0,5	0,005
31	12	0,2	0,0008

Таблица 5 - Выходная кривая сорбции Cu²⁺- катионов смолой КУ-8, при М_исх = 0,035ммоль/мл.

V пропущенного CuSO4, мл	V взятого на анализ CuSO4, мл	, мл	Мвых, CuSO4 ммоль/мл
5	5	1	0,01
10	5	1,5	0,015
15	5	1,9	0,019
25	5	2,7	0,027
35	5	3,1	0,031
53	5	3,5	0,035

Таблица 6 - Кривая элюирования Cu²⁺- катионов из смолы КУ-8, 5% раствором H₂SO₄, во 2 цикле «сорбции-десорбции».

V H2SO4, мл	VNaOH, мл	, мл	Мвых, моль/л
2	2	1,4	0,035
4	2	2,1	0,0525
9	5	2,0	0,02
19	5	2,0	0,01
24	5	0,4	0,004
29	5	0,2	0,002
40	11	0,3	0,0013

Таблица 7 - Выходная кривая сорбции Cu²⁺- катионов смолой КУ-8, при М_исх = 0,045ммоль/мл.

V пропущенного CuSO4, мл	V взятого на анализ CuSO4, мл	, мл	Мвых, CuSO4 ммоль/мл
5	5	0,3	0,003
10	5	0,8	0,008
15	5	1,5	0,015
20	5	3,0	0,03
30	10	8,4	0,042
40	19	16,5	0,043



Таблица 8 - Кривая элюирования Cu²⁺- катионов из смолы КУ-8, 5% раствором H₂SO₄, в 3 цикле «сорбция-десорбция».

V H2SO4, мл	VNaOH, мл	Vтиос, мл	Мвых, ммоль/мл
2	2	0,5	0,0125
4	2	2	0,05
9	5	3,7	0,037
14	5	1,4	0,014
19	5	1	0,01
31	12	1,8	0,0075

ПДОЕ и ДОЕ смолы КУ-8 по -катионам и степень отмывки смолы КУ-8 определяли графически по выходным кривым сорбции и кривым элюирования.

По данным графикам установили, что:

- ДОЕ смолы КУ-8 по Cu²⁺-катионами равна 0,64 ммоль/г при М_исх= 0,032 ммоль/мл; 0,175 ммоль/г при М_исх= 0,035 ммоль/мл, и 0,225 ммоль/г при М_исх= 0,045 ммоль/мл.

- ПДОЕ смолы КУ-8 по Cu²⁺-катионам составляет: 1,004 ммоль/г; 0,771 ммоль/г; 0,857 ммоль/г.

- Степень отмывки смолы КУ-8 от катионов Cu²⁺ 5% раствором H₂SO₄ около 60-96%

2.3 Исследование возможности неоднократно использования смолы КУ-8 в циклах «сорбция-десорбция»

О возможности исследования зависимости динамической обменной емкости смолы по катионам меди от концентрации растворов .



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, получения высокочистой и умягченной воды, очистки от примесей различных производственных растворов и обезвреживания сточных вод.

2. Определены эксплуатационные характеристики смолы КУ-8 в динамических условиях.

Установлено, что:

- ДОЕ смолы КУ-8 по-катионами равна 0,64ммоль/г, при М_исх= 0,032 ммоль/мл,

- 0,175 ммоль/г, при М_исх= 0,035 ммоль/мл,

- 0,225 ммоль/г, при М_исх= 0,045 ммоль/мл,

- ПДОЕ смолы КУ-8 по -катионам составляет: 1,0± 0,8 ммоль/г;

- Степень отмывки смолы КУ-8 от катионов 5% раствором H₂SO₄ составляет около 100%.

3. Определили степень отмывки катионов меди из смолы КУ-8 раствором 5% серной кислоты. Степень отмывки смолы КУ-8 от катионов 5% раствором H₂SO₄ 60-96%

4. Исследовали зависимость ДОЕ смолы по катионам меди от концентрации растворов .



Список использованной литературы

1. 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.

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

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

Размещено на Allbest.ru

...