Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы
Что такое ионный обмен?
Как классифицируют ионообменные смолы по типу ионогенных групп?
Какие Вы знаете виды ионитов (реакции ионного обмена)?
Что такое селективность ионита?
Что такое емкость ионита? Виды емкости ионита.
Что такое фронт сорбции?
Области применения ионообменных смол.
Методика проведения и порядок выполнения лабораторной работы, расчеты.
Лабораторная работа №2 Выделение йода методом экстракции
Целью лабораторной работы является ознакомление студентов с процессом экстракции как одного из процессов разделения, выделения и концентрирования радиоактивных элементов и радиоактивных нуклидов.
Теоретическая часть
Экстракция жидкостная ( позднелат. extractio – извлечение, от extraho – вытягиваю, извлекаю), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент); один из массообменных процессов химической технологии. Используя для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ. Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, а извлекающую (легкую) фазу (обычно органическая жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образует экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.).
К основным стадиям жидкостной экстракции относятся:
1) приведение в контакт и диспергирование фаз;
2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпывающая фаза);
3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиболее часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование;
4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора. В любом экстракционном процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в две стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более мелкие капли остаются в виде «тумана», который отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракционного процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках.
Экстракция, как и любой реальный процесс, протекает во времени. Кинетически жидкостная экстракция представляет собой массопередачу, которая сопровождается разнообразными физико-химическими процессами, происходящими на межфазной границе, в прилегающих к ней слоях и в объемах фаз. Скорость экстракции, или количество вещества, переходящего в единицу времени из одной фазы в другую, определяется по формуле:
(2.1)
где К ˗ коэффициент массопередачи; F ˗ площадь межфазной поверхности; ΔС ˗ движущая сила процесса.
Наиболее распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на следующие классы:
нейтральные, извлечение которыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного раствора (вода, ТБФ, нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.);
кислые, которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной (карбоновые и нафтеновые кислоты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соединения);
основные, с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов (первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых оснований и др.).
Экстракция в системах электролит - неэлектролит, в которых электролит диссоциирует в водной фазе, возможна лишь при условии образования сравнительно прочной химической связи между экстрагентом и извлекаемым компонентом. Количественное описание экстракционных равновесий в данных системах основано на применении закона действующих масс. Химическая связь между извлекаемым компонентом и экстрагентом может быть образована в результате реакций присоединения (по сольватному или гидратно-сольватному механизму), катионного или анионного обмена, а также различных сочетаний этих процессов.
Сольватный и гидратно-сольватный механизмы типичны для нейтральных экстрагентов. Реализация каждого механизма зависит от соотношения между свободными энергиями гидратации извлекаемого компонента и его взаимодействии с экстрагентом. Для экстрагентов этого класса характерно существенное влияние на экстракционное равновесие гидратации, сольватации и (в случае достаточно разбавленных растворов) электролитической диссоциации в органической фазе.
По сольватному механизму извлекаются соли металлов (например, экстракция нитратов урана, тория, лантаноидов трибутилфосфатом), некоторые кислоты (напр., экстракция HNO3 триоктилфосфиноксидом).
Гидратно-сольватный механизм реализуется за счет взаимодействие экстрагента с гидратной оболочкой экстрагируемых компонентов. Поэтому по мере извлечения в органической фазе увеличивается содержание воды, равновесная концентрация которой зависит от различных факторов. Такой механизм характерен для экстракции сильных кислот (напр., НСl, НСlО4) трибутилфосфатом, а также солей металлов спиртами, простыми и сложными эфирами, кетонами и др. слабоосновными экстрагентами.
Для реакций, протекающих по механизму присоединения, характерно стремление а к нулю при уменьшении концентрации извлекаемого компонента в исчерпываемой фазе вследствие увеличения его степени диссоциации. Поэтому в системах с нейтральными экстрагентами зачастую используют высаливатели - обычно неэкстрагирующиеся электролиты с одноименным по отношению к извлекаемому компоненту анионом.
Катионный обмен типичен для экстракции ионов металлов кислыми экстрагентами, например, фосфорорганическими, карбоновыми и другими кислотами. Образующаяся соль, как правило, сольватирована молекулами экстрагента.
Анионный обмен характерен для экстракции минеральных кислот и ионов металлов солями аминов и четвертичных аммониевых оснований.
Экстракция соединений металлов солями аминов возможна также и по механизму реакций присоединения. Для экстракции с помощью этих веществ типично сильное влияние на параметры равновесия процессов ассоциации в орг. фазе.
Экстракция в системах электролит-электролит ограниченно распространена в промышленности и используется гл. обр. в научных исследованиях. Описание равновесий в этих системах в отличие от рассмотренных требует учета электролитической диссоциации компонентов растворов в обеих фазах.
Основные требования к промышленным экстрагентам: высокая избирательность; высокая экстракционная емкость по целевому компоненту; низкая растворимость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие химические, а в ряде случаев и в радиационная стойкость, негорючесть или достаточно высокая температура вспышки ( более 60 0С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.
Для экстракционных равновесий справедливо правило фаз, закон, связывающий число фаз, находящихся в термодинамически равновесной системе, с числом компонентов системы, числом ее степеней свободы и числом внешних параметров, определяющих состояние системы. При этом под фазой подразумевают однородную по химическому составу и термодинамическим свойствам часть системы, отделенную от других частей (фаз) поверхностями раздела.
Для характеристики экстракционного разделения двух веществ используют коэффициент разделения, численно равный отношению соответствующих коэффициентов распределения этих веществ (ß) (обычно большего к меньшему) в экстракте и рафинате: факторы, влияющие на экстракционное разделение, многочисленны и определяются не только закономерностями экстракционного равновесия, но и способом организации процесса.
Жидкостную экстракцию осуществляют в аппаратах, называемых экстракторами, с однократным и многократным контактом фаз. Соответственно различают однократную (одноступенчатую) и многократную (многоступенчатую) экстракцию; при этом ступенями разделения служат отдельные аппараты или их секции. Многократная экстракция, наибольше распространенная в промышленности, проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную. По способу контакта фаз промышленные экстракторы подразделяют на дифференциально-контактные (колонные аппараты), ступенчатые и промежуточные конструкции.