Изобретение относится к химической технологии, конкретно к способам сорбционной очистки растворов, и может быть использовано для извлечения стронция и кальция из солевых растворов при их совместном присутствии.
Известен содово-известковый метод очистки радиоактивных сточных вод, содержащих изотопы стронция и кальция, с помощью процесса "контактного осаждения". Процесс осуществляют непрерывно в две стадии, сначала обрабатывают воду гашеной известью для удаления временной жесткости, а затем обрабатывают гашеной известью и бикарбонатом натрия для удаления постоянной жесткости. Процесс осуществляют в присутствии катализатора, так называемой контактной массы (зернистый мрамор, морской песок или кальцит), на котором быстро формируется осадок карбоната кальция, с которым соосаждаются изотопы стронция и некоторые другие изотопы.
Недостатком метода является необходимость применения достаточно большого количества реагентов. Кроме того, метод применим для растворов с невысоким содержанием нейтральных солей (Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.Н., Трусов А.Г. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. М.: Атомиздат, 1974, с. 130-137).
Обработка воды или растворов электрохимическим способом позволяет избежать этих недостатков, так как основным "реагентом" в электрохимических методах является электрический ток.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ концентрирования стронция и кальция, в котором стронций и кальций выделяют на поверхности катодно-поляризованного углеродного сорбента. Согласно данному способу активированный уголь с высокоразвитой поверхностью подвергают поляризации постоянным током в боратном буферном растворе, содержащем ионы кальция и стронция. Процесс осуществляют как в статическом режиме в ячейке с разделенными катодным и анодным пространствами, так и в динамическом режиме (Свешникова Д.А., Абакаров А.Н. Электросорбция ионов стронция и кальция на активированном угле. Химия и технология воды, 1993, Т. 15. 4).
К недостаткам прототипа следует отнести то, что в известном способе не достигается полнота осаждения кальция и стронция, поскольку в прототипе выделение кальция и стронция идет как за счет ионного обмена на функциональных группах активированного угля, так и, в основном, за счет осаждения в виде карбонатов (количество которых определяется содержанием присутствующего в растворе СО2) и гидроксидов (в случае недостатка СО2 в приэлектродном слое). Поскольку растворимость гидроксидов выше, чем карбонатов, полнота осаждения стронция и кальция не достигается.
Кроме того, используемый в прототипе режим заряжения постоянным током обеспечивает меньшую селективность выделения, чем выделение при постоянном (контролируемом) потенциале (Игумнов М.С., Белов С.Ф., Дробот Д.В. Электрохимические методы извлечения редких, благородных и цветных металлов из вторичного сырья. Ж. Р.Х.О., 1998, т. 42, 6, с.135-142).
Задачей изобретения является увеличение полноты осаждения стронция и кальция при их совместном присутствии в очищаемых минерализованных водах за счет осаждения на катоде стронция и кальция в виде карбонатов как менее растворимых соединений, чем гидроксиды.
Поставленная задача решается предлагаемым способом очистки минерализованных растворов от стронция и кальция, реализуемым в двух вариантах.
Способ очистки минерализованных растворов от стронция и кальция по первому варианту заключается в их извлечении на объемный электрод с развитой поверхностью в условиях катодной поляризации до достижения постоянного значения потенциала, отстоящего от стационарного потенциала погружения на (-0,1)-(-1,6) В относительно хлорсеребряного электрода (х.с.э.) сравнения из 0,05-0,5 н. раствора NaCl, содержащего стронций в присутствии солей кальция, причем процесс очистки осуществляют при непрерывной аэрации электролита.
В способе по первому варианту в качестве объемного электрода с развитой поверхностью могут быть использованы углеродное волокно, или окисленное углеродное волокно, или гранулированный сорбент на основе оксидов Мn (III, IV), или неорганический сорбент - оксиды Мn (III, IV) на углеродном носителе.
Способ очистки минерализованных растворов от стронция и кальция по второму варианту заключается в их извлечении на объемный электрод с развитой поверхностью в условиях катодной поляризации до достижения постоянного значения потенциала, отстоящего от стационарного потенциала погружения на (-0,1)-(-1,6) В относительно хлорсеребряного электрода сравнения из 0,05-1 н. раствора NaCl, содержащего стронций в присутствии солей кальция и дополнительно двухвалентный марганец с концентрацией не более 1 г/л, причем процесс очистки осуществляют при непрерывной аэрации электролита.
В способе по второму варианту в качестве объемного электрода с развитой поверхностью может быть использовано углеродное волокно или окисленное углеродное волокно.
При осуществлении способа по каждому из вариантов объемный электрод выдерживают при достигнутом постоянном значении потенциала в течение 1-4,5 часов.
Способ осуществляют в стандартной электрохимической ячейке следующим образом.
В способе по первому варианту объемный электрод с развитой поверхностью, в качестве которого могут быть использованы углеродное волокно, или окисленное углеродное волокно, или гранулированный сорбент на основе оксидов Мn (III, IV), или неорганический сорбент - оксиды Мn (III, IV) на углеродном носителе, являющийся рабочим электродом, погружают в 0,05-0,5 н. раствор NaCl, содержащий ионы стронция совместно с ионами кальция, подвергают катодной поляризации до достижения постоянного значения потенциала, отстоящего от стационарного потенциала погружения (потенциал, присущий выбранному электродному материалу в растворе без поляризации) на (-0,1)-(-1,6) В относительно х.с.э. сравнения, и выдерживают при достигнутом потенциале для осаждения карбонатов кальция и стронция на электрод, при этом в течение всего процесса осаждения осуществляют аэрацию очищаемого раствора.
Осуществление способа по второму варианту отличается от первого тем, что в качестве объемного электрода с развитой поверхностью используют углеродное волокно или окисленное углеродное волокно, а подвергаемый очистке минерализованный раствор имеет концентрацию по NaCl 0,05-1 н. и дополнительно содержит двухвалентный марганец в количестве не более 1 г/л.
Потребность в аэрации раствора связана с необходимостью сдвига в некоторых равновесиях карбонатной системы очищаемого раствора. Общее равновесие можно изобразить схемой
Изменение в одной из частей общего равновесия вызывает изменение во всей цепи. С одной стороны, увеличение в воде количества СО2 (поступление СO2 из атмосферы вследствие аэрации) понижает рН, уменьшает концентрацию СО3 2-, в силу чего вода становится насыщенной СаСО3. При наличии твердой фазы часть избыточного СО2 способствует растворению твердой фазы.
С другой стороны, вследствие протекания электродных реакций в приэлектродном слое сдвигается равновесие в другой части карбонатной системы.
В результате восстановления на катоде молекул воды в приэлектродном слое генерируются гидроксид-ионы, вследствие чего рН в приэлектродном слое катода возрастает и обычно имеет значение около 9-11. При таких значениях рН равновесие сдвигается в сторону образования СО3 2-. В этом случае создается пресыщение воды СаСО3, что способствует выделению последнего в осадок (Никаноров А.М. Гидрохимия, -Л.: Гидрометеоиздат, 1989, с.67-72. Дривер Дж. Геохимия природных вод: Перевод с английского. - М.: Мир, 1985, с.45-79).
Таким образом, аэрирование раствора, несмотря на то, что это снижает рН по объему раствора, необходимо для обеспечения такого количества СО3 2-, которое требуется для связывания ионов Са2+, находящихся в приэлектродном слое. При этом осаждение кальция в приэлектродном слое идет в виде карбоната кальция как менее растворимого соединения, чем гидроксид кальция.
Наиболее вероятно, что удаление из раствора стронция происходит как за счет осаждения в виде карбоната стронция, так и за счет соосаждения с карбонатом кальция в зависимости от содержания стронция в растворе.
Во втором варианте способа, когда в состав минерализованного раствора вносят соль марганца (II), в приэлектродном слое, когда рН достигает 5-8, начинается гидролиз соли марганца с образованием взвеси гидроксида и основных солей марганца (II). Одновременно с этими процессами в результате непрерывной аэрации раствора идет процесс окисления марганца (II) в составе кислородсодержащих соединений до марганца (III, IV). Одновременное протекание этих процессов приводит к образованию пленки оксидов марганца (III, IV) на поверхности углеродного носителя.
В этом случае концентрирование стронция и кальция происходит как за счет осаждения в виде карбонатов и соосаждения стронция с карбонатом кальция, так и за счет их соосаждения с образовавшимися оксидами марганца (III, IV).
Равномерное заряжение рабочего электрода до постоянного значения потенциала, отстоящего от стационарного потенциала погружения на (-0,1)-(-1,6) В, достаточное количество CO2 в приэлектродном слое (за счет аэрации очищаемого раствора) и оптимальное время выдержки электрода при достигнутом значении потенциала обеспечивают более полное осаждение стронция и кальция на объемном электроде с развитой поверхностью в предпочтительной карбонатной форме.
Крайние значения сдвига потенциала относительно потенциала погружения обусловлены тем, что при сдвиге потенциала в катодную область до значений менее чем на -0,1 В, процесс идет непроизводительно даже в течение 4,5 часов. Наибольший сдвиг потенциала (на -1,6 В) ограничен значением потенциала, выше которого начинается интенсивное газовыделение на катоде, что препятствует эффективному осаждению на катоде осадка стронция и кальция.
При осуществлении второго варианта способа в пределах заявляемых значений потенциалов в приэлектродном слое идет образование гидроксида Мn (II) с последующим переходом его в оксиды марганца (III, IV).
Количественное содержание двухвалентного марганца в очищаемом растворе не более 1 г/л обосновано опытным путем. При использовании таких растворов с невысокой концентрацией марганца не наблюдается частичного восстановления марганца до металла и выпадения осадка гидроксида марганца по объему раствора и на стенках электрохимической ячейки.
Экспериментально установлено, что очистка по первому варианту способа идет, когда концентрация очищаемого минерализованного раствора по NaCl лежит в пределах 0,05-0,5 н., а для второго варианта - в пределах 0,05-1 н., что определяет область применения вариантов способа очистки на практике.
Таким образом, заявляемый способ очистки минерализованных вод от стронция и кальция при их совместном присутствии обеспечивает их осаждение на катоде в виде малорастворимых соединений (карбонатов), что приводит к увеличению полноты осаждения кальция и стронция в сравнении с известным способом, условия осуществления которого приводят к осаждению кальция и стронция как в карбонатной форме, так и в более растворимой гидроксидной форме.
Возможность осуществления способа подтверждается следующими примерами. Очистку минерализованного раствора от стронция и кальция в условиях, соответствующих технической сущности предлагаемого изобретения, ведут в стандартной электрохимической ячейке. В примерах показатели емкости даны в мг/г электродного материала, а коэффициента распределения (Кd) - в см3/г.
ПРИМЕР 1 (первый вариант). Навеску углеродного волокна марки "Актилен-Б" массой 0,1749 г в качестве рабочего электрода погружают в 0,1 н. раствор NaCl (объем 72 мл), содержащий 140 мкг/мл Са и 13,9 мкг/мл Sr. Затем рабочий электрод равномерно заряжают (скорость заряжения - 0,25 мВ/с) до достижения постоянного значения потенциала -0,7 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -0,708 В) и выдерживают при данном значении потенциала в течение 4 часов при непрерывной аэрации раствора. По завершении процесса определяют емкость волокна по Са и Sr. Емкость по кальцию составляет 52,3, Kd=4357; емкость по стронцию - 3,7, Kd=732.
ПРИМЕР 2 (первый вариант). Навеску углеродного волокна марки "Актилен-Б"-окисленный, массой 0,1270 г в качестве рабочего электрода погружают в 0,1 н. раствор NaCl (объем 57 мл), содержащий 175 мкг/мл Са и 17,5 мкг/мл Sr. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -0,7 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -1,15 В) и выдерживают при этом значении потенциала в течение 4 часов в условиях непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 75,6, Кd=11634; емкость по стронцию - 7,6, Кd=15260.
ПРИМЕР 3 (первый вариант). Навеску сорбента, представляющего собой оксиды марганца (III, IV), нанесенные на окисленное углеродное волокно марки "Актилен-Б", с содержанием Мn 56,1 мг/г носителя, массой 0,0286 г, погружают в качестве рабочего электрода в 0,1 н. раствор NaCl (объем 57 мл), содержащий 160 мкг/мл Са и 17,5 мкг/мл Sr. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -0,5 В (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -0,68 В) и выдерживают при этом значении потенциала в течение 4 часов при непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 215,2, Кd=4139; емкость по стронцию - 20,9; Кd=2989.
ПРИМЕР 4 (первый вариант). Навеску неорганического сорбента (ионообменника) на основе оксидов марганца (III, IV) получают взаимодействием в растворе хлорида марганца с гидроксидом натрия с последующим окислением полученной суспензии перманганатом натрия (по пат. РФ 2094115). Состав такого ионообменника соответствует формуле Na0,25MnO1,94. Навеску данного гранулированного сорбента массой 0,05 г помещают в золотую сетку и используют в качестве рабочего электрода, который погружают в 0,1 н. раствор NaCl (объем 72 мл), содержащий 140 мг/мл Са и 14 мг/мл Sr. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -0,7 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -1,01 В). При данном значении потенциала выдерживают рабочий электрод в течение 4 часов в условии непрерывной аэрации раствора. По завершении процесса определяют содержание Са и Sr в растворе.
Емкость по кальцию составляет 172,8, Kd=8640; емкость по стронцию - 13,8, Kd=3142.
ПРИМЕР 5 (первый вариант). Проверка сорбционных свойств сорбента по примеру 4 в статических условиях (без поляризации).
Навеску гранулированного сорбента на основе оксидов марганца (III, IV) массой 0,05 г встряхивают с 72 мл 0,1 н. раствора NaCl, содержащего 140 мг/мл Са и 14 мг/мл Sr в течение около 5 часов (время, соответствующее времени заряжения и выдержки в примере 4). Затем сорбент отделяют фильтрованием и определяют количество сорбированных кальция и стронция.
Емкость по кальцию составляет 43,2, Kd=393; емкость по стронцию - 7,344, Kd=825.
ПРИМЕР 6 (второй вариант). Навеску углеродного волокна "Актилен-Б"-окисл. массой 0,1712 г в качестве рабочего электрода погружают в 0,05 н. раствор NaCl (объем 71,5 мл), содержащий 140 мкг/мл Са и 7,0 мкг/мл Sr, в который дополнительно вносят 10 мг Мn (содержание ионов Мn в растворе 0,14 г/л). Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -1,7 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -1,15 В) и выдерживают при достигнутом значении потенциала в течение 4 часов при непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 39,1, Кd=853; емкость по стронцию - 1,1, Kd=246.
ПРИМЕР 7 (второй вариант). Навеску углеродного волокна "Актилен-Б"-окисл. массой 0,1463 г в качестве рабочего электрода погружают в 1 н. раствор NaCl (объем 71,5 мл), содержащий 140 мкг/мл Са и 7 мкг/мл Sr, в который дополнительно вносят 10 мг Мn. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -0,7 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -1,15 В) и выдерживают при достигнутом значении потенциала в течение 4 часов при непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 56,7, Kd= 2362; емкость по стронцию - 1,7, Кd=488.
ПРИМЕР 8 (второй вариант). Навеску углеродного волокна "Актилен-Б"-окисл. массой 0,1447 г в качестве рабочего электрода погружают в 0,2 н. раствор NaCl (объем 71,5 мл), содержащий 140 мкг/мл Са и 7 мкг/мл Sr, в который дополнительно вносят 10 мг Мn. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -0,7 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -1,15 В) и выдерживают при достигнутом значении потенциала в течение 4 часов при непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 62,3, Kd= 4447; емкость по стронцию - 2,7, Кd=1808.
ПРИМЕР 9 (второй вариант). Навеску углеродного волокна "Актилен-Б"-окисл. массой 0,1570 г в качестве рабочего электрода погружают в 0,1 н. раствор NaCl (объем 71,5 мл), содержащий 140 мкг/мл Са и 7 мкг/мл Sr, в который дополнительно вносят 10 мг Мn. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала +0,35 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -0,1В) и выдерживают при заданном значении потенциала в течение 4,5 часов при непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 19,9, Kd= 195; емкость по стронцию - 0,46, Kd=76.
ПРИМЕР 10 (второй вариант). Навеску углеродного волокна "Актилен-Б"-окисл. массой 0,1561 г в качестве рабочего электрода погружают в 0,1 н. раствор NaCl (объем 72 мл), содержащий 140 мкг/мл Са и 13,9 мкг/мл Sr, в который дополнительно вносят 10 мг Мn. Затем рабочий электрод равномерно заряжают до достижения постоянного значения потенциала -1,2 В относительно х.с.э. сравнения (сдвиг относительно стационарного потенциала погружения составляет -1,6 В) и выдерживают при достигнутом значении потенциала в течение 1 часа при непрерывной аэрации раствора. Емкость по кальцию составляет 21,6, Кd= 235; емкость по стронцию - 2,7, Кd=340.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОГО СОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МАРГАНЦА (III, IV) | 2002 |
|
RU2218209C1 |
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ БЫЧЬЕГО СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА | 2005 |
|
RU2289588C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ СОРБЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2004 |
|
RU2281160C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОЦИАНИДНЫХ СОРБЕНТОВ | 2007 |
|
RU2345833C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТА, СЕЛЕКТИВНОГО К РАДИОНУКЛИДАМ ЦЕЗИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2009 |
|
RU2412757C1 |
СОРБЕНТ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТА СУРЬМЫ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ | 1999 |
|
RU2219996C2 |
СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД | 2001 |
|
RU2209782C2 |
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД | 2000 |
|
RU2183202C2 |
Способ дезактивации радиоактивных жидкостей | 1971 |
|
SU468446A3 |
СПОСОБ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ОТ СТРОНЦИЯ | 1991 |
|
RU2032626C1 |
Изобретение относится к химической технологии, конкретно к способам сорбционной очистки растворов, и может быть использовано для извлечения стронция и кальция из солевых растворов при их совместном присутствии. Очистка минерализованных водных растворов от стронция и кальция заключается в их извлечении на объемный электрод с развитой поверхностью в условиях катодной поляризации до достижения постоянного значения потенциала, отстоящего от стационарного потенциала погружения на (-0,1)-(-1,6) В относительно хлорсеребряного электрода сравнения из 0,05-1 н. раствора NaCl, содержащего стронций в присутствии солей кальция. Процесс очистки осуществляют при непрерывной аэрации электролита. В качестве объемного электрода с развитой поверхностью могут быть использованы углеродное волокно, или окисленное углеродное волокно, или гранулированный сорбент на основе оксидов Mn (III, IV), или неорганический сорбент - оксиды Mn (III, IV) на углеродном носителе. Технический эффект - увеличение полноты осаждения на катоде совместно присутствующих в очищаемых растворах стронция и кальция за счет осаждения их в виде карбонатов как менее растворимых соединений, чем гидроксиды. 2 с. и 6 з.п. ф-лы.
СВЕШНИКОВА Д.А | |||
и др | |||
Электросорбция ионов стронция и кальция на активированном угле, Химия и технология воды, 1993, т | |||
Прибор для нагревания перетягиваемых бандажей подвижного состава | 1917 |
|
SU15A1 |
СПОСОБ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1993 |
|
RU2083500C1 |
СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОЙ СОРБЦИИ РАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 1997 |
|
RU2110482C1 |
Способ электрохимической очистки сточных вод и устройство для его осуществления | 1988 |
|
SU1583362A1 |
DE 4007127 A1, 25.07.1991. |
Авторы
Даты
2004-02-10—Публикация
2002-12-17—Подача