Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

SELECTIVE DESORPTION OF IDA-ION-EXCHANGE RESINS

Timofeev K.L. 1 Naboychenko S.S. 2 Lebed A.B. 1 Akulich L.F. 1
1 JSC "Uralelectromed"
2 URFU named after the first russian president B.N.Yeltsin
One of the key conditions of effective application of ion-exchange resin is ensuring of full materials regeneration producing concentrated elutes. The results of desorption investigations of IDA-resin Lewatit TP 207 by hydrochloric and sulphuric acids are presented in article. It was established that under the conditions of ion-exchanger saturation until breakthrough the ions of calcium, cover significant part of capacity and during the regeneration process desorb primarily. It was revealed that the most effective eluent of zinc desorption is 15 % sulphuric acid: desorption degree – 99,4 %, the average concentration in industrial reclaim – 20-22 g per dm3.
desorption
IDA ampholyte
selectivity
Введение

Известны разнообразные методы десорбции сорбентов комплексообразующими реагентами, растворенным углекислым газом, электрохимическими способами [1; 4; 7].

Однако при десорбции большинства ионообменных материалов наиболее технологически приемлемыми являются растворы минеральных кислот с учетом их доступности.

Амино-карбоксильные амфолиты успешно применяют, в частности, и в процессах глубокой очистки сточных вод с повышенным содержанием катионов жесткости. Эффективная десорбция данных материалов может обеспечить рациональное разделение поглощенных элементов с последующей реализацией товарных элюатов.

Методика исследований и материалы

Использовали амино-карбоксильный амфолит Lewatit TP 207, успешно испытанный для извлечения цветных металлов из предварительно нейтрализованных шахтных вод, следующего состава, мг/дм3: [Cu] - 0,001-0,34, [Zn] - 1,1-19,4, [Fe]<0,1, [Ca] - 231-410, [Mg] - 41,5-159, [SO42-] - 800-1500; pH - 6,4-8,7. Процесс ионообменной доочистки заключался в фильтровании нейтрализованной воды через ионит объемом 1 дм3, загруженный в две последовательно соединенные сорбционные колонны (по 0,5 дм3). Завершали эксперимент при достижении проскока по цинку в очищенную воду (>0,01 мг/дм3) и выводили ионит на регенерацию.

Был исследован процесс десорбции амино-карбоксильного амфолита серной и соляной кислотами с концентрацией 150 г/дм3. Скорость подачи элюента - 1 удельный объем/час, состав элюатов контролировали через 0,2 удельного объема ионита атомно-адсорбционным методом на приборе Percin Elmer «AAnalyst 100». Концентрацию кислоты определяли титрованием.

Результаты и обсуждение

Десорбция ионита соляной кислотой

Рисунок 1. Выходные кривые десорбции ионита Lewatit TP 207 соляной кислотой (I ступень): 1 - цинк; 2 - медь; 3 - кальций; 4 - магний.

 

Рисунок 2. Выходные кривые десорбции ионита Lewatit TP 207 соляной кислотой (II ступень): 1 - цинк; 2 - медь; 3 - кальций; 4 - магний.

Полученные данные (рис. 1, 2) показали рациональность реализации технологии ступенчатой очистки: на первой ступени медь занимает 8,1% емкости ионита, тогда как на второй только 3,2%, что позволяет более полно реализовать емкость ионита для извлечения цинка.

Несмотря на меньшую селективность амино-карбоксильных ионитов к ионам жесткости (в сравнении с ионами цветных металлов) [6], их поглощение идет существенно (особенно ионов кальция). На первой ступени они занимают 29% (11,08 г/дм3) от общей емкости, а на второй 47% (14,7 г/дм3), что свидетельствует о предпочтительной сорбируемости ионов жесткости с последующим их замещением ионами цветных металлов.

Высокие значения обменной емкости по ионам жесткости являются показателем неполного насыщения ионита цветными металлами. Несмотря на это, происходит проскок по цинку в фильтрат, т.е. ионы кальция и магния, хотя и вытесняются цинком, но не достаточно полно.

Десорбция ионов жесткости происходит при пропускании первых 1,5 удельных объемов ионита. После чего из ионита начинают вытесняться ионы цинка и меди, т.е. на стадии регенерации кислотами возможно селективное разделение ценных компонентов от кальция и магния.

Максимальное содержание цинка в регенерате при элюировании соляной кислотой - 12,6 г/дм3. Основная часть цинка концентрируется в 1,6 удельного объема элюата.

«Растянутость» выходных кривых десорбции цинка при элюировании соляной кислотой может объясняться образованием хлоридных комплексов цинка ([ZnCl4]2-, [ZnCl3]-, [ZnCl2]0) и их повторным поглощением амфолитом Lewatit ТР 207 [2].

Увеличение фильтроцикла по цинку возможно достичь при реализации дополнительных ступеней сорбции. Емкость ионита на первых стадиях будет преимущественно занята тяжелыми металлами (цинком), которые будут вытеснять ионы жесткости на последующие ступени [3]. Однако подобная обработка шахтных вод представляется технологически сложной, и ее реализация возможна только в случае значительных концентраций извлекаемых примесей.

Получение слабоконцентрированных элюатов, а также повышенные объемы (более 4,5) удельных объемов элюента свидетельствуют о неэффективности использования соляной кислоты для десорбции амино-карбоксильных ионитов, насыщенных цинком.

Десорбция ионита серной кислотой

Результаты десорбции ионита с первой ступени сорбционной очистки представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Выходные кривые десорбции ионита Lewatit TP 207 серной кислотой: 1 - цинк; 2 - медь.

Всего в процессе десорбции было получено 2,42 удельного объема элюата, который можно разделить на следующие основные порции:

  • первые 0,8 удельного объема - «бедные» элюаты, содержащие включения белого гипсового осадка;
  • 0,8 удельного объема - «богатые» элюаты;
  • последние 0,82 удельного объема - «бедные» элюаты.

Состав получаемых порций элюатов представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав получаемых порций элюатов, г/дм3

Количество,

удельных объемов

Cu

Zn

Fe

H2SO4

первые 0,8

0,001

0,019

0,0015

3,13

0,8

0,72

21,1

0,017

63,8

0,82

0,22

1,75

0,01

132,8

Степень десорбции после пропускания 2 удельных объемов элюента составила 99,42%.

Средняя концентрация цинка в богатом элюате составила 21,1 г/дм3. Возможно его осаждение после нейтрализации раствора известковым молоком и содой.

Ввиду низкой концентрации меди и практически полного отсутствия железа (удаляют на стадии нейтрализации) в исходной воде, их содержание в ионите, и следовательно в элюате, незначительно (максимальная концентрация 0,97 г/дм3 и 0,027 г/дм3 соответственно). При проведении процесса сорбции повышение содержания железа недопустимо ввиду его высокой сорбируемости ионитами. При повышенной концентрации меди она будет эффективно извлекаться на первой ступени сорбции.

В процессе регенерации ионита наблюдали выпадение в слое ионита и в первых 0,8 удельного объема элюата белого осадка следующего химического состава, %: Cu - <0,02; Fe - 0,013; Zn - 0,013; Ca - 19,9; SO42- - 56,17, что близко к формуле гипса CaSO4∙2H2O.

После десорбции произвели отмывку ионита дистиллированной водой. В процессе отмывки происходило растворение белого осадка в слое ионита и переход кальция в промывную воду из-за большей растворимости гипса в подкисленных растворах (СH2SO4<75 г/дм3). Эти наблюдения подтверждены постепенным уменьшением его концентрации в промывной воде (таблица 2). Сообщается [5], что с серной кислотой образуются растворимые продукты присоединения CaSO4∙H24 и CaSО4∙3H24.

Таблица 2 - Состав растворов, получаемых на стадии отмывки ионита, г/дм3

Удельный объем

Cu

Zn

Mg

Ca

H2SO4

2

0,0024

0,0042

0,003

1,24

74,9

4

-

-

-

0,88

9,5

6

-

-

-

0,74

3,9

8

-

-

-

0,5

3,15

17,6

-

-

-

0,45

рН=1,8

При регенерации амино-карбоксильного амфолита, насыщенного из сернокислых сред, серная кислота является наиболее экономичным и удобным элюентом.

Выводы

  1. В условиях проскока по цинку значительную часть емкости ионита занимают ионы кальция, несмотря на низкую селективность амино-карбоксильных амфолитов к ионам жесткости.
  2. В процессе десорбции ионита минеральными кислотами возможно достигнуть разделения ионов жесткости и ионов цветных металлов.
  3. Регенерацию амино-карбоксильных амфолитов целесообразно проводить 15-17%-ным раствором серной кислоты.

Рецензенты:

  • Рычков В.Н., д.х.н., профессор, старший научный сотрудник, директор физико-технического института ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.
  • Чумарев В.М., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов ИМЕТ УрО РАН, г. Екатеринбург.