6. Кристаллизация из водных растворов.

Кристаллизация служит средством выделения из растворов целевых продуктов или загрязняющих примесей и является методом разделения и очистки веществ. Выделение кристаллов происходит только из пересыщенных растворов, а насыщенные растворы находятся в динамическом равновесии с выделившейся из них твердой фазой. Насыщенный раствор после выделения твердой фазы называют маточным раствором.

Пересыщение раствора характеризуется:

1) Его абсолютным значением: , где – концентрация пересыщенного раствора, – концентрация насыщенного раствора;

2) Его относительным пересыщением: или степенью (коэффициентом) пересыщения .

7. Кристаллизация солей при изотермическом испарении раствора, при политермическом охлаждении.

Способы кристаллизации различаются приемами, с помощью которых достигается пересыщение растворов. Вещества, растворимость которых существенно возрастает с повышением температуры, кристаллизуют при охлаждении их насыщенных растворов — это политермическая или изогидрическая кристаллизация, идущая при неизменном содержании воды в системе. При этом пересыщение зависит от переохлаждения раствора, т. е. oт разности температур насыщенного и пересыщенного растворов. Если с ростом температуры растворимость уменьшается, кристаллизация будет идти при нагревании системы.

Вещества, мало изменяющие растворимость при изменении температуры, обычно кристаллизуют путем испарения воды при постоянной температуре – это изотермическая кристаллизация. Причем удаление воды может происходить либо при кипении раствора, либо при медленном ее испарении.

8. Методы разделения солей: ионный обмен, экстрагирование органическими растворителями, флотация, сепарация.

ГЕТЕРОГЕННЫЙ ИОННЫЙ ОБМЕН. Ионообменные смолы, называемые ионитами, позволяют извлекать из растворов отдельные ионы и заменять их другими. Ионит состоит из функциональных групп с закрепленными на них неподвижными ионами (матрицы) и эквивалентного им количества ионов с противоположным зарядом (противоионов), которые подвижны и могут обмениваться на ионы из раствора с тем же зарядом.

КАТИОННЫЙ ОБМЕН. С помощью катионитов RH (где R — высокомолекулярный радикал), имеющих кислотные свойства, можно обменивать ионы водорода на другие катионы в результате равновесной реакции типа RH + NaCl ↔ RNa + НСΙ.

АНИОННЫЙ ОБМЕН. Аниониты ROH - имеют основные свойства: обменивают ионы гидроксила ROH + HCl ↔ RCl + Н₂О и далее позволяют осуществлять взаимный обмен анионами RCl + NaNO₃ = RNO₃ + NaCl, RNO₃ + КСl = RCl + KNO₃.

Применение ионитов: очистка воды и водоподготовка, атомная промышленность, металлургия, обесцвечивание сахара, очищение биодизеля, фармацевтика и т.д.

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ. Этот метод позволяет, например, извлекать рассеянные и редкие элементы из растворов, полученных в результате азотно-кислотного разложения природных руд – нитраты трехвалентных редкоземельных элементов хорошо экстрагируются трибутилфосфатом (его растворами в углеводородах, например, в керосине). Экстрагированная соль находится в органическом растворителе обычно в неионизированной форме. С помощью эфиров ортофосфорной кислоты осуществляют селективное извлечение из растворов солей с различными катионами.

Экстракция органическими растворителями дает возможность получать концентрированную фосфорную кислоту (80 % Н₃РО₄ или 58 % Р₂О₅) без выпаривания разбавленных растворов. Например, при разложении природных фосфорных руд соляной или азотной кислотой получается водный раствор фосфорной кислоты и хлорида или нитрата кальция. Из этого раствора Н₃РО₄ извлекается полярным органическим растворителем, который затем отделяется от фосфорной кислоты дистилляцией и возвращается в процесс.

ФЛОТАЦИЯ. Флотационное разделение природных минералов и искусственных солей весьма распространено. Оно основано на различии поверхностных свойств веществ, особенно смачиваемости.

Пенную флотацию осуществляют, вводя пузырьки воздуха в водную суспензию тонкоизмельченных (меньше 0,3 мм, чаще 20 - 100 мкм) разделяемых минералов называемую флотационной суспензией. Гидрофобные (плохо смачивающиеся водой) частицы прилипают к пузырькам и выносятся на поверхность перемешиваемой суспензии, где скапливается минерализованная пена. Ее отводят и разрушают, получая флотационный концентрат. Гидрофильные (хорошо смачиваемые водой) частицы остаются взвешенными в жидкости; выделенный из нее материал называют флотационными хвостами. Для флотации растворимых солей приготовляют их суспензию в насыщенном растворе этих же солей.

С помощью нескольких последовательно используемых реагентов можно осуществлять селективную флотацию, т. е. последовательное выделение из смеси нескольких минералов концентратов каждого из компонентов. Значительно реже, чем пенную флотацию, используют пленочную флотацию. При пленочной флотации тонкоизмельченный материал поступает на поверхность воды — гидрофильные частицы тонут, а гидрофобные остаются на поверхности.

СЕПАРАЦИЯ. Разделение минералов методом гидросепарации основано на различии их плотностей. Частицы неодинаковой плотности с разной скоростью оседают под действием силы тяжести при отстаивании суспензий и с разной скоростью движутся под действием других сил, например центробежной. При обогащении полезных ископаемых разделение производят на подвижных (качающихся, вибрирующих и др.) концентрационных столах в потоке воды, сносящей частицы разной плотности с разной скоростью, или с помощью отсадочных машин— в пульсирующей струе воды (с частотой 300—3000 пульсаций в 1 мин). В технологии минеральных солей и удобрений чаще используют разделение в гидроциклонах и с помощью тяжелых суспензий.

Гравитационная сепарация минералов с помощью тяжелых жидкостей, чаще всего тяжелых суспензий, т.е. суспензий с большой плотностью,заключается в следующем. Разделяемую смесь вводят в суспензию, плотность которой больше плотности одного из минералов и меньше плотности другого. Частицы более легкого минерала всплывают, более тяжелого — тонут.

Флотогравитационное обогащение основано на комбинировании разделения частиц в жидкой среде, вследствие разности плотностей минералов и на способности частиц одного из них всплывать, когда их поверхность в результате обработки пульпы реагентами покрывается гидрофобной пленкой.

Электросепарация основана на способности находящихся в смеси частиц разных минералов приобретать в результате трения, особенно при нагревании, или при других видах обработки электростатические заряды разных знаков. Падая в поле высокого напряжения, частицы с разноименными зарядами отклоняются в разные стороны и собираются в отдельные приемники. Обогащенные таким образом фракции могут подвергнуться подобной обработке последовательно несколько раз для повышения степени разделения.