Контрольные вопросы

1. Как распределяется растворимое вещество между двумя нес­мешивающимися растворителями?

2. Что такое экстрагирование, как его осуществляют в лабора­торных, полупромышленных и промышленных условиях?

3. Какие растворители используют для экстрагирования неорга­нических и органических соединений. Выбор экстрагента, селектив­ность, емкость, регенерируемость, реакционная способность, ста­бильность. Регенерация экстрагента. Технологические схемы экс­тракционных процессов, аппаратура.

4. Как можно использовать процесс экстракции для регенерации неорганических и органических соединений в промышленности?

Использованная литература

1.А.Н.Зеликман, Г.М. Вольдман, Л.В. Беляевская. Теория гидроме­таллургических процессов. М., Металлургия, 1975.

2.Р.Трейбал. Жидкостная экстракция. М., Химия, 1966.

Мембранные методы утилизации и рекуперации

В настоящее время начинается процесс перестройки энергетики, химической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности на основе мембранной технологии как наиболее экологически целесообразной. Одним из ее главных методов является электродиализ с ионитовыми мембранами. Этот метод основан на возникновении разности химического потенциала в системе ионитовые мембраны - раствор при наложении на нее градиента электрического потенциала. Область применения электродиализа постоянно расширяется. Его используют для очистки неэлектролитов от электролитов, разделения смесей электролитов, для получения ультрачистой воды в электронной промышленности. Важным моментом в развитии электродиализа стало применение его для деминерализации солоноватых вод. Перспективными сферами применения электродиализа могут стать проводимые с его помощью реакции, позволяющие из солей получать кислоты и основания, растворять малорастворимые соединения. Особенно важным в электродиализе является возможность его проведения без применения химических реагентов, что приводит к отсутствию приращения массы веществ в сточных водах при обработке их данным методом. Извлекаемые при этом примеси вновь возвращаются в технологические циклы (используемый для решения аналогичныхх задач ионный обмен дает многократное приращение массы веществ в стоках).

Экологическая направленность электродиализа обусловлена возможностью данным методом рекуперировать и утилизировать разнообразные промышленные отходы, организовывать замкнутые циклы по воде и извлекаемым компонентам, включать его в технологические цепочки многих производств. С этой целью электродиализ успешно применяется для извлечения меди из отходов производства, очистки молочной сыворотки в пищевой промышленности, удаления солей из биологически активных веществ (например аминокислот), извлечения тяжелых металлов из сточных вод гальванических производств. В атомной промышленности - для получения сверхчистой воды и переработки радиоактивных отходов, в теплоэнергетике - для рекуперации воды. Отличительной особенностью всех мембранных методов, заимствовавших у природы самый совершенный механизм разделения, является их универсальность и возможность защитить окружающую среду от загрязнения.

Мембраны можно разделить на естественные, искусственные и синтетические. Естественные мембраны из животного пузыря, яичного белка, пергамента, агар-агара, а также из природных неорганических материалов (шлифованных цеолитов, обожженной глины) использовались на ранней стадии развития диализа и электродиализа. Шагом вперед стало изготовление искусственных мембран, среди которых наибольшее распространение получили мембраны на основе целлюлозы (коллодиевые и целлофановые). Синтетические ионитовые мембраны были впервые получены в 1950 году, на основе которых стали развиваться электромембранные методы. Ионитовые мембраны различают по функциям и числу фаз. По функциям они делятся на катионитовые (КМ), анионитовые (АМ), биполярные (БМ) и со специфической проницаемостью. По числу фаз мембраны можно разделить на однофазные (гомогенные), двухфазные (гетерогенные) и трехфазные (биполярные гетерогенные мембраны).

Биполярные мембраны предоставляют широкие возможности для создания новых электромембранных процессов. Самым многообещающим свойством биполярных мембран является способность генерировать ионы водорода и гидроксила на биполярных границах. Использование этой функции позволяет получать кислоты и основания из солей, разделять и очищать газы, разделять разнозарядные ионы. Аппараты с биполярными мембранами могут быть использованы в процессах водоподготовки, электрохимического синтеза неорганических и органических кислот и щелочей из их солей. Широкое применение ионного обмена как метода очистки природных вод приводит к необходимости использования для регенерации смол больших количеств кислот и оснований.

Р ис. 1. Схема электродиализа раствора Na₂SO₄ в четырехкамерной ячейке с ионитовыми мембранами.

_______________________

При нейтрализации кислых и щелочных стоков после ионного обмена образуются сточные воды с высоким солесодержанием. Применение электродиализа с биполярными мембранами позволяет решить задачу утилизации этих стоков, получить из них кислоты и основания, пригодные для повторного использования. Подобная задача может возникнуть при переработке шахтных вод, сточных вод заводов минеральных удобрений, морской воды.

Основной процесс, в котором нашли применение биполярные мембраны – это конверсия солей в кислоты и основания. На рис.1 представлена схема электродиализатора для получения серной кислоты и гидроокиси натрия из сульфата натрия с применением биполярной мембраны. Число биполярных мембран в промышленных аппаратах может быть значительно увеличено.

Рассмотрим процессы, протекающие в элементарной ячейке МК-МБ-МА. При наложении на систему градиента электрического потенциала на границе раздела между катионитовой и анионитовой частями биполярной мембраны происходит глубокое обессоливание и разложение воды. Эта граница становится непрерывным генератором водородных и гидроксильных ионов при ориентации катионитовой части по направлению к катоду. Гидроксильные ионы мигрируют от границы контакта катионитовой и анионитовой частей мембраны в раствор, откуда в дальнейшем их миграция ограничена практически непроницаемой для них катионитовой мембраной, разделяющей секции 3 и 4. Из раствора секции 3 через катионитовую мембрану, разделяющую секции 3 и 4, по направлению к катоду мигрируют ионы натрия. В секции 4 они образуют с накапливаемыми там гидроксильными ионами гидроксид натрия. Водородные ионы, образующиеся на внутренней границе биполярной мембраны, мигрируют через катионитовую часть по направлению к катоду в раствор секции 2, из которой дальнейшая их миграция ограничена анионитовой мембраной, разделяющей секции 1 и 2. В секцию 2 и 3 непрерывно подается раствор сульфата натрия. Анионы сульфата мигрируют из раствора секции 2 через анионитовую мембрану, разделяющую секции 1 и 2, в раствор секции 1, где образуют с накапливаемыми в ней водородными ионами серную кислоту. В приэлектродных секциях также происходит конверсия соли в кислоту и основание за счет переноса ионов и электродных процессов.

Лабораторная работа № 16. Применение электродиализа с биполярными мембранами в утилизации промышленных отходов

Цель работы - получить методом ЭД с биполярными мембранами кислоту и щелочь при обработке сточной воды с высоким солесодержанием сульфата (хлорида) натрия. Определить основные электрохимические характеристики процесса в циркуляционном режиме работы ячейки.

Экспериментальная часть

Оборудование и реактивы:

• стабилизированный источник питания постоянного тока Б5-50;

• амперметр, вольтметр, полимерные шланги;

• электрохимическая ячейка с окисно-рутениевыми электродами и мембранами МБ-3, МК-40, МА-40;

• циркуляционный насос;

• pH-метр с микроячейкой;

• раствор сульфата (хлорида) натрия 0,1 н, дистиллированная вода (или растворы NaOH, серной или соляной кислот н, чтобы снизить напряжение на ячейке);

• пипетки для отбора проб на анализ ионов натрия, водорода, гидроксила ионоселективным методом;

• стеклянные стаканы на 25 мл, секундомер, фильтровальная бумага.

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. Объектом исследования является электрохимическая ячейка с поступающим в нее раствором сульфата натрия, имитирующего сточные воды обссоливающих установок по получению сверхчистой воды. Она состоит из 8 мембран, из них 2 - биполярные МБ-3, 3 - катионитовые МК-40 и 3 - анионитовые МА-40.

1. Собрать электрохимическую ячейку (см. рис. 1).

2. В колбы 1, 2, 3 налить следующее: в первую - раствор сульфата (хлорида) натрия , во вторую и третью - дистиллированную воду либо растворы кислоты и щелочи н.

3. Собрать электрохимическую цепь по рис.1, включить насос (на 10-15 минут) для перекачки жидкости по замкнутому контуру, т.е. в циркуляционном режиме работы ЭД. Исключить формирование пузырьков воздуха в полимерных шлангах.

4. Включить источник питания, установив ток 50, 75, 100 мА (по указанию преподавателя). Электродиализ проводить в гальваностатическом режиме, включив одновременно секундомер.

5. Через каждые 10 минут производить отбор проб в микроячейку на анализ ионов натрия (колба 1), гидроксила (колба 2) и водорода (колба 3) ионоселективными электродами с натриевой и водородной функциями.

6. Перед каждым анализом электрод тщательно отмыть дистиллированной водой, лучше использовать 2 pH-метра или непосредственно электроды ввести в исследуемый раствор, или применять ячейки проточного типа.

При отсутствии микроячейки можно производить отбор проб в химические стаканчики, но растворы вновь возвращать в колбы, чтобы объем расствора оставался постоянным.

7. Рассчитать концентрации щелочи, кислоты и соли в процессе электрохимического превращения во всех камерах, а также степень концентрирования кислоты и щелочи, выход по току и энергозатраты от времени электродиализа.

8. Построить экспериментальные зависимости этих характеристик от времени ЭД.