Сорбция цветных металлов из технологических растворов и сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЧОУ ВО «Технический университет УГМК»

Кафедра металлургии

Курсовая работа

по дисциплине «Современные сорбционные и экстракционные процессы в металлургии (моделирование)»

Сорбция цветных металлов из технологических растворов и сточных вод

Магистрант: Коноплев П.Н.

Группа: М-1604з

Преподаватель: Тимофеев К.Л., к.т.н.

г. Верхняя Пышма

2017 г.

Введение

сорбционный металл окислительный восстановительный

В настоящее время сорбционные процессы нашли широкое применение. Активно используются в гидрометаллургии для очистки растворов от нежелательных примесей, либо для извлечения ценных металлов; в процессах доочистки сточных вод с целью приведения состава воды к нормируемым показателям; в фильтрах для умягчения и доочистки питьевой воды и др.

Сорбционные процессы используют для концентрирования разбавленных растворов, содержащих не более 1% извлекаемого металла, или для селективного его выделения из поликомпонентных растворов.

В сравнении с осадительными процессами сорбционные технологии имеют ряд преимуществ:

- отсутствуют побочные продукты;

- селективность извлечения металлов и возможность ее регулирования за счет изменения рН, окислительно-восстановительных условий, введения комплексообразователя;

- используется компактное оборудование;

- осуществляется непрерывным способом с автоматическим управлением.

1. Теоретические основы

Сорбция (ионный обмен) - поглощение растворенных веществ специальными веществами - сорбентами. Данный процесс используется для концентрирования разбавленных растворов, содержащих, как правило, не более 1-5 г/дм3 извлекаемого металла или для избирательного его выделения из поликомпонентного раствора.

В сравнении с осадительными процессами использование сорбционной технологии (так же как и жидкостной экстракции) обладает рядом преимуществ:

- нет побочных продуктов;

- возрастает селективность извлечения металлов и возможность регулирования процесса за счет технологических параметров;

- используется компактная аппаратура;

- осуществляется непрерывный процесс с автоматическим управлением.

Сорбционные технологии используются для: извлечения золота и урана из бедных растворов (сорбция) и руд (сорбционное выщелачивание); разделения близких по свойствам никеля и кобальта, молибдена и рения из растворов выщелачивания; очистки электролитов от примесей: серебряного - от платины и палладия с получением богатых элюатов, никелевого анолита - от свинца и цинка. Эффективность сорбции показана на извлечении меди из бедных шахтных и подотвальных вод, растворов кучного и подземного выщелачивания. Сорбционные процессы эффективны при обезвреживании сточных вод, получении деионизованной воды в промышленных объемах. Сдерживающими факторами более широкого применения ионообменных операций остаются невысокая емкость сорбентов и значительная их стоимость.

Важнейшим элементом сорбционных процессов являются иониты - искусственные высокомолекулярные органические соединения. Главной ионообменной характеристикой ионита является обменная емкость ионита. Она выражает количество задержанных ионитом ионов в принятых условиях. Различают три вида обменной емкости: статическую (СОЕ), динамическую (ДОЕ) и полную обменную (ПОЕ) емкости ионита. Они характеризуют количество ионов, сорбированных единицей смолы при различных условиях контакта раствор-ионит (статике, динамике до проскока иона через ионит, динамике до полного насыщения).

Данные показатели на одном и том же ионите могут отличаться в несколько раз в зависимости от условий контакта ионообменной смолы и продуктивного раствора: статического (равновесие смолы и раствора) или динамического (фильтрация раствора через слой ионита или противоточное движение двух фаз). Поэтому для осуществления ионообменных процессов в промышленности используют аппараты с фиксированным или подвижным слоем смолы. Требует определенных усилий также и аппаратурное оформление операций подготовки смолы к работе, обработки насыщенного ионита - десорбции (элюирования) и его регенерации.

2. Состав, структура и синтез ионообменных смол

В зависимости от типа ионогенной группы ионообменные смолы разделяют на катионообменные и анионообменные или полимерные, содержат кислотные группы: сульфогруппы, фосфиновокислые, карбоксильные, мышьяковокислые, селеновокислые и др. Анионообменные смолы, или полимерные аниониты (высокомолекулярные нерастворимые полиоснования), включают группы основного характера, четвертичные аммониевые, третичные сульфониевые, четвертичные фосфониевые основания, третичные, вторичные и первичные. Известны также (амфолиты), содержащие одновременно кислотные и основные группы. К специфичным ионообменным смолам относят комплексообразующие ионообменные смолы, обладающие ярко выраженными селективными свойствами и окислительно-восстановительные ионообменные смолы, включающие в свой состав системы типа Cu⁺²/Cu, Fe⁺³/Fe⁺² и др.

Получают ионообменные смолы или путём химической обработкой полимера, не обладавшего до этого свойствами ионита. Получили распространение смолы на основе стирола и дивинилбензола. В их числе сильнокислотные, сильно и слабоосновные. Основным сырьём для промышленного синтеза слабокислотных катионообменных смол служат акриловая кислота и ее эфиры. В больших масштабах 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 превращением его в сетчатый полимер.

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 состоят из прочно связанных с сеткой фиксированных ионов и способных к обмену противоионов, заряд которых противоположен по знаку заряду фиксированных ионов (рисунок 1) .

Рисунок 1. Обмен ионами

Ионообменные смолы бывают гетеропористые, макропористые и изопористые.

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.

3. Классификация и основные типы оборудования для сорбционных процессов

Сорбционная технология включает ряд последовательных операций:

- подготовку ионита (отмывку, зарядку в требуемую форму);

- собственно сорбцию;

- элюирование (десорбция) с помощью внешнего реагента с получением очищенного или концентрированного раствора (элюата) извлекаемого компонента;

- регенерацию ионита для дальнейшего использования (промывку, зарядку, подгрузку исходного).

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).

Рисунок 2. Пульсационной сорбционной колонны с нерегулируемой задержкой ионита

На рис. 2 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. 3).

Рисунок 3. Ионообменный пачук:1 - корпус; 2 - дефлектор; 3 - эрлифты; 4 - грохоты

Пачук представляет собой цилиндрический аппарат диаметром 3-6 ми 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. 4).

Рисунок 4. 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.

4. Расчетная работа

Исходные данные:

Расход очищаемой воды: 50 м³/ч.

Состав очищаемой воды:

С =Cu²⁺ - 0,003 г/дм³; Zn²⁺- 0,004 г/дм³;

взвешенные вещества - 0,002 г/дм³.

Исходя из состава воды для очистки выбираем катионит марки PuroliteS930 plus.

УН = 14 ч^-1;

ДОЕ - 0,050 г/см³;

Насыпная плотность - 0,8 т/м³.

Десорбция проводится серной кислотой (50 г/дм³) в течение 2 часов. Регенерация проводится серной кислотой (50 г/дм³) в течение 2 часов.

Принимаем, что очистка от металлов происходит полностью.

1. Определяем суммарную продолжительность десорбции, регенерации и промывки:

t_д,р,пр = 2 + 2 + 1*2 = 6 часов

2. Определяем продолжительность работы между переключениями и объем ионита (при количестве колонок 5):

t = = 102,04 часа

3. Суммарный объем ионита в колонках:

= 3,5 м³

В одной колонне:

0,71 м³

Поскольку t>t_д,р,пр , за период между переключениями колонна успевает пройти все остальные операции, поэтому n_д,р,пр =1; n = 5+1 = 6;

Объем ионита во всей установке:

=4,29 м³

При установке более шести колонн суммарный объем ионита ненамного ниже, чем при шести колоннах. Можно ожидать, что дальнейшее увеличение числа колонн приведет к снижению суммарного объема ионита, однако приведет к значительному росту числа колонн, поэтому принимает число колонн равное 6.

4. Определяем параметры установки при выбранном режиме:

Требуемое количество ионита = 4,29*0,8 =3,43т.

Размер слоя ионита в колонне (h).

Принимает отношение высоты слоя к диаметру, а=6

h== 3,2 м,

следовательно диаметр слоя: d=3,2/6 = 0,53 м

Для выполнения производственной программы для извлечения суммы металлов (меди и цинка) из раствора с последующей десорбцией необходима сорбционная установка (с неподвижным слоем смолы) в составе 6 колонн, размером слоя ионита в аппарате 3,2 м*0,53 м; общее количество сухого сорбента 3,43 т или 4,29 м³, удельная нагрузка - 14 ч^-1.

Выход суммы меди и цинка (по металлам):

В час - 50 м³/час*(0,003 кг/м³ + 0,004 кг/м³) = 0,35 кг/час;

В месяц: 0,35*24*30 = 252 кг суммы металлов.

Емкость одной колонки, загруженной 0,71м³ смолы: 0,71*50 кг/м³ = 35,71 кг суммы металлов.

Т.е. в месяц надо десорбировать252/35,71 = 7 колонок.

Расход серной кислоты на 1 десорбцию:

3*0,71 м³* 35,71 кг/м³ = 76,53 кг (100%-ной кислоты) или 79,72 кг 96%-ной концентрированной кислоты. Итого в месяц 79,72 * 7 = 562,5 кг.

Материальный баланс

Принципиальная технологическая схема

Заключение

В ходе курсовой работы проработаны теория ионного обмена, вопросы назначения, классификации, состава, получения и применения ионообменных смол. Рассмотрено применяемое оборудование для ионного обмена. Проведен расчет ионообменной установки для очистки воды от ионов меди и цинка.

Список литературы

1. Процессы и аппараты цветной металлургии Автор: Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П. и др. Издательство: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Год: 2005

2. Сорбционные свойства основных типов почв, природного сырья и промышленных отходов. Издательство: Белорусская наука, 2008. 231 с.

3. Мастюгин С.А. Типовое оборудование гидрометаллургических производств, 2010.

4. Гидрометаллургия. Автоклавное выщелачивание, сорбция, экстракция / ред. Б.Н. Ласкорин. - М.: «Наука», 1976. - 263 с.

Размещено на Allbest.ru