Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии

Курсовая работа

по дисциплине: «Организация научных исследований»

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

Выполнил: ст. гр. МЦМ-14

Спатарь Е.А.

Проверил: профессор

Руднева В.В.

Новокузнецк

2016



Содержание

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 КУ2-8

2. Экспериментальная часть

2.1 Йодометрический метод определения концентрации Cu²⁺-ионов в растворе

2.2 Определение эксплуатационных характеристик ионита марки «КУ2-8» по катионам меди

2.3 Исследование зависимости динамической объемной емкости смолы КУ2-8 от концентрации катионов Cu⁺² в исходном растворе

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.

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.

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 применение в цветной металлургии. Изучение состава, структуры и синтеза ионообменных смол, характеристика смолы КУ2-8.

2. Изучение эксплуатационных характеристик смолы КУ2-8 по катионам меди в динамических условиях. Определение динамической обменной емкости (ДОЕ), полной динамической емкости (ПДОЕ)

3. Определение степени отмывки КУ2-8 5%-ным раствором H₂SO₄

4. Исследовать зависимость динамической объемной емкости смолы КУ2-8 от концентрации катионов Cu⁺² в исходном растворе.



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 [1].

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].

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 полимераналогичных 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. [1]

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. [2]

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. [2]

Рабочая емкость определяется по выходной кривой сорбции (рисунок 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). При продолжении пропускания раствора через колонку ПДОЕ становиться равной ПОЕ.

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

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



1.3 Характеристика ионообменной смолы КУ2-8

Катионит КУ2-8 - 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 КУ2-8 приведена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика ионообменной смолы КУ2-8

Наименование показателя	Норма для марки и сорта
Внешний вид	Сферические зерна от желтого до 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, %	43-53
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
Максимальная рабочая температура, оС	120
Основное применение	- умягчение и обессоливание воды на тепловых и атомных электростанциях, -очистка технологических растворов и сточных вод; -разделение и выделение цветных металлов; -в качестве катализатора.



2. Экспериментальная часть

2.1 Йодометрический метод определения концентрации Cu²⁺-ионов в растворе

В колбу для титрования вводили аликвотную часть (10,00мл.) исследуемого раствора , 2мл. раствора H₂SO₄ разбавляем водой до 100 мл. добавляем KI.[3]

Далее оттитровывают раствор тиосульфатом, прибавляя раствор крахмала (5 мл) в конце титрования, когда раствор со взмученным в нем осадком будет иметь светло-желтую окраску.

Синяя окраска жидкости должна исчезнуть от одной капли раствора Na₂S₂O₃ и вновь не появляться несколько минут .

Точное титрование повторяют 2-3 раза и из сходящихся результатов берут среднее.

Концентрация раствора рассчитывается по формуле:

, отсюда

(1)

Молярность раствора CuSO₄ рассчитывается по формуле:

, моль/мл (2)

где: - молярная концентрация сульфата меди, моль/мл;

- объем раствора сульфата меди, мл;

- объем раствора тиосульфата, пошедшего на титрование, мл.

0.1 -нормальность раствора Na₂S₂O₃;

2 - количество электронов, участвующих в реакциях.

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

Таблица 2 - Определение концентрации растворов CuSO₄.

№ раствора	V р-ра., Мл	Vр-ра., Мл	M, ммоль/л
1	10	5,6	0,028
2	10	4	0,02
3	10	8,5	0,0426

2.2 Определение эксплуатационных характеристик ионита марки «КУ2-8» по катионам меди

В данной работе определяли динамическую обменную емкость, полную динамическую обменную емкость по Сu²⁺-катионам и степень отмывки смолы КУ 2-8 от Cu²⁺- катионов 5% раствором серной кислоты. В ионообменную колонку d_внутр = 12мм, помещали 1,0г смолы КУ2-8. Высота слоя смолы h=30мм. Устанавливали скорость пропускания раствора в интервале от 2,5 до 3,0 м в минуту. Затем пропускали через слой смолы раствор CuSO₄ различной концентрации (М_исх: 0,028; 0,02; 0,0426; ммоль/мл). После насыщения смолы катионами меди проводили элюирование катионов меди из смолы 5% раствором соляной кислоты. Концентрацию меди в растворе на выходе из ионообменной колонки (М_вых) определяли иодометрическим методом и рассчитывали по формуле 2.

Результаты анализа и расчета приведены в таблицах 3-8 и представлены на рисунках 2-8. Степень отмывки определяли графически по выходным кривым сорбциям и кривым элюирования.



Таблица 3 - Выходная кривая сорбции катионов меди смолой КУ2-8, при М_исх= 0,028 ммоль/мл.

V проп. р-р, мл	Vр-ра вз ана-за, Мл	, мл	Мвых., ммоль/мл
5	5	0	0
10	5	0	0
15	5	0	0
20	5	0	0
30	10	0	0
50	20	0,2	0,0005
70	20	2,8	0,0007
90	20	5,8	0,0145
110	20	7	0,0175
130	20	8,6	0,0215
150	20	8,9	0,0222
170	20	9,8	0,0227
196,7	26,7	11,9	0,0297

Таблица 4- Кривая элюирования катионов меди из смолы КУ2-8, 5%-ным раствором H₂SO₄,в первом цикле «сорбция-десорбция».

, мл	Vр-ра на ана-з, Мл	, мл	Мвых, ммоль/мл
2	2	1,7	0,0425
5	3	2,9	0,0483
10	5	3,1	0,031
20	10	3	0,0165
40	20	2,9	0,00725
60	40	2,4	0,003

Таблица 5 - Выходная кривая сорбции катионов меди смолой КУ2-8, при М_исх= 0,02 ммоль/мл. ионообменный смола медь катион

V , Мл	Vр-ра на ана-з, Мл	, мл	Мвых, ммоль/мл
5	5	0	0
10	5	0	0
15	5	0	0
25	10	0,01	0,00005
35	10	0,1	0,0005
55	20	3,8	0,0095
75	20	7,3	0,018
96	21	7,8	0,0186

Таблица 6- Кривая элюирования катионов меди из смолы КУ2-8, 5%-ным раствором H₂SO₄, во втором цикле «сорбция-десорбция».

, мл	Vр-ра на ана-з, Мл	, мл	Мвых, ммоль/мл
2	2	1,5	0,00375
5	3	3,9	0,065
10	5	3,9	0,039
20	10	3,7	0,0185
40	20	3,1	0,0077
62	22	1,5	0,0034

Таблица 7 - Выходная кривая сорбции катионов меди смолой КУ2-8, при М_исх= 0,0426 ммоль/мл.

V , мл	Vр-ра на ана-з, Мл	, мл	Мвых, ммоль/мл
5	5	0	0
10	5	0,01	0,00005
15	5	0,01	0,00005
25	10	2,8	0,014
35	10	7,2	0,036
55	20	16	0,04
85	30	24,5	0,041

Таблица 8- Кривая элюирования катионов меди из смолы КУ2-8, 5% -ным раствором H₂SO₄, в третьем цикле «сорбция-десорбция».

, мл	Vр-ра на ана-з, Мл	, мл	Мвых , ммоль/мл
2	2	2	0,05
5	3	3,5	0,058
10	5	3,9	0,039
20	10	4,5	0,0225
30	10	2,2	0,011
52	22	2,1	0,0047

ПДОЕ, ДОЕ смолы КУ 2-8 по Cu²⁺-катионам и степень отмывки смолы КУ 2-8 определяли графически по выходным кривым сорбции и кривым элюирования.

Установлено, что:

-ДОЕ смолы КУ 2-8 по Cu²⁺-катионами равна 0,84 ммоль/г, при М_исх= 0,028 ммоль/мл,

-ДОЕ= 0,84 ммоль/г, при М_исх= 0,02 ммоль/мл,

-ДОЕ= 0,639 ммоль/г, при М_исх= 0,0426 ммоль/мл,

-ПДОЕ смолы КУ 2-8 по Cu²⁺-катионам составляет: 2,5 ± 0,4 ммоль/г;

-Степень отмывки смолы КУ 2-8 от катионов Cu²⁺ 5% раствором H₂SO₄ составляет 35 - 78%

2.3 Исследование зависимости динамической объемной емкости смолы КУ2-8 от концентрации катионов Cu⁺² в исходном растворе

Зависимости динамической объемной емкости смолы КУ2-8 от концентрации по катионам Cu⁺² в исходном растворе представлены на рисунки 8

Рисунок 8 - Значение ДОЕ смолы КУ2-8 по катионам Cu²⁺

Вывод: С увеличением концентрации катионов Cu⁺² в исходном растворе, динамическая обменная емкость смолы КУ2-8 по катионам Cu⁺² уменьшается.



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.

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

Установлено, что:

-ДОЕ смолы КУ 2-8 по Cu²⁺-катионами равна 0,84 ммоль/г, при М_исх= 0,028 ммоль/мл,

-ДОЕ= 0,84 ммоль/г, при М_исх= 0,02 ммоль/мл,

-ДОЕ= 0,639 ммоль/г, при М_исх= 0,0426 ммоль/мл,

-ПДОЕ смолы КУ 2-8 по Cu²⁺-катионам составляет: 2,5 ± 0,4 ммоль/г;

3. Определена степень отмывки смолы КУ 2-8 5%-ным раствором серной кислоты.

Установлено что степень отмывки смолы КУ 2-8 от катионов Cu²⁺ 5% раствором H₂SO₄ составляет 35-78%.

4. Исследована зависимость динамической объемной емкости смолы КУ2-8 от концентрации катионов Cu⁺² в исходном растворе. Установлено что с увеличением концентрации катионов Cu⁺² в исходном растворе, динамическая объемная емкость уменьшается.



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

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

Размещено на Allbest.ru

...