Сущность ионообменных процессов

На ранних стадиях развития урановой технологии единственным методом выделения урана из растворов после выщелачивания его из руд был осадительный метод, суть которого заключается в осаждении урана в виде труднорастворимых соединений. Основные недостатки, свойственные для этого метода — большой расход химического реагента-осадителя и сравнительно низкое содержание урана в осадке. Позднее в урановой промышленности были внедрены более прогрессивные методы — сорбционный (ионообменный) и экстракционный.

Сорбционный метод извлечения урана из пульп и растворов начал внедряться в промышленность с 1952 г. Сорбция — это поглощение растворённых веществ твёрдыми материалами (сорбентами). Сущность сорбционного метода состоит в следующем. Сорбент контактируется с раствором или пульпой, содержащими извлекаемый металл. При этом происходит сорбция металла на сорбенте. Раствор или пульпа, после извлечения металла (рафинат), сбрасывается. Сорбент, насыщенный извлекаемым металлом, промывается водой для удаления трудносорбируемых ионов и твёрдых механических примесей. После промывки проводится десорбция металла с сорбента. Десорбцию (элюирование) проводят раствором реагента, содержащим катион или анион, который входит в состав исходного сорбента. При десорбции происходит вымывание извлекаемого металла и регенерация сорбента до первоначального его состояния. После десорбции сорбент снова возвращается на сорбцию металла.

Лежащие в основе сорбции ионообменные процессы занимают важное место в атомной технологии. Кроме указанного применения для извлечения урана из растворов (пульп), получаемых при выщелачивании урановых руд, ионообменные процессы используются для полного обессоливания воды на АЭС, для улавливания радиоактивных изотопов из сточных вод атомных предприятий.

Ионообменные процессы извлечения и очистки металлов от примесей основаны на способности ряда твёрдых веществ (ионитов) обмениваться ионами с растворами электролитов.

Иониты — природные или искусственные неорганические или высокомолекулярные органические соединения, практически нерастворимые в воде и водных растворах кислот, щелочей и солей, содержащие ионогенные группы, способные к эквивалентному обмену ионами, растворёнными в электролите. В зависимости от вида ионогенной активной группы иониты подразделяют на классы — катиониты и аниониты. Существуют также биполярные иониты (амфолиты), имеющие и катионообменные и анионообменные группы.

В настоящее время в промышленности в качестве ионитов используют такие соединения как цеолиты, сульфоугли, ионообменные смолы. Смолы получили наибольшее распространение в производстве цветных и редких металлов.

Макромолекула ионообменной смолы состоит из гибких переплетённых нитей полимерных молекул, углеводородные цепи которых имеют поперечные связи, образующие сетчатую структуру, так называемую матрицу. Матрица содержит неподвижные заряженные группы, природу и количество которых можно регулировать при синтезе смол. Заряд фиксированных ионов уравновешивается подвижными ионами противоположного знака (противоионами), способными вступать в ионообменные реакции с ионами, находящимися в электролите (рис.1).

аб.

Рисунок 1 — Трёхмерная модель структуры катионита (а) и анионита (б)

Активными группами в катионитах являются: сульфогруппа (-SO3H), карбоксильная группа (-СООН), гидроксильная группа (-ОН) и другие, более сложные соединения. Аниониты в качестве активных групп содержат аминогруппы разной степени замещения (-NH2), (=NH), (?N), четвертичные аммониевые основания (N+) и др.

В зависимости от назначения в промышленности применяют смолы с частицами размером от 0,3 до 2,0 мм, суммарная поверхность которых изменяется от 0,2 до 300 м 2/г.

Важнейшей характеристикой ионита является так называемая обменная ёмкость ионита. Она выражает количество задержанных ионитом ионов в принятых условиях. Различают три вида обменной ёмкости:

• 1) статическая ёмкость (СОЕ) представляет собой количество ионов, сорбированных единицей смолы, находящейся в равновесии с электролитом;
• 2) динамическая ёмкость (ДОЕ) выражает количество ионов, сорбированных единицей смолы при контактировании электролита со смолой в динамических условиях (фильтрации) до появления (проскока) сорбируемого иона в растворе, прошедшего сквозь слой смолы;
• 3) полная динамическая ёмкость (ПДОЕ) выражает количество сорбированных ионов в динамических условиях до полного насыщения слоя смолы.

Принято считать, что смола достигает ПДОЕ, если концентрация подлежащего поглощению иона в выходящем растворе равняется концентрации этого иона в исходном растворе. На практике ёмкость ионита выражают в единицах массы на единицу объёма набухшей смолы (г/л, кг/м 3).

Обменная ёмкость смол в значительной мере зависит от рН среды. Эта зависимость положена в основу классификации смол, причём по характеру зависимости СОЕ от рН среды все смолы подразделяются на четыре класса (рис. 2).

1 — иониты I класса; 2 — иониты II класса; 3 — иониты III класса; 4 — иониты IV класса.

Рисунок 2 — Зависимость СОЕ смол от рН среды

К I классу относятся иониты, проявляющие свойства сильных кислот или оснований. Их обменная ёмкость остаётся постоянной в широком интервале значений рН. Такие свойства катиониту придаёт группаSO3H, а аниониту группа N+.

Ко II классу относятся иониты, проявляющие свойства слабых кислот или слабых оснований. Их обменная ёмкость достигает максимума только при определённом значении рН раствора, высоким для катионитов и низком для анионитов. Такие свойства катионитов связаны с наличием в них активных групп — СООН и — ОН, которые могут обменивать ионы водорода на другие катионы только в нейтральной или щелочной среде. Для анионитов с активными группами — СООН и — ОН характерен обмен ионов ОНна другие анионы только в нейтральной или кислой среде.

К двум классам (III и IV) относятся иониты смешанного типа. Иониты III класса ведут себя подобно смесям многих кислот или оснований различной силы. Обменная ёмкость их меняется в широком интервале значений рН.