СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИОНООБМЕННОГО ПРОЦЕССА СОРБЦИИ МОЛИБДЕНА НА АНИОНИТЕ ВП-1 An Российский патент 2011 года по МПК C02F1/42 B01J47/14 

Изобретение относится к химической технологии, а именно к способам адсорбции веществ на полидисперсных гранулированных ионитах, и может быть использовано при извлечении металлов, получении веществ высокой чистоты, в водоподготовке, при инженерной защите атмосферы от загрязнений, очистке промышленных и бытовых стоков.

Известен способ непрерывного контактирования жидкой фазы с зернистой твердой фазой, согласно которому твердую фазу перемещают в цилиндрическом аппарате снизу вверх и контактирование фаз ведут при помощи наложения пульсации [Авторское свидетельство №270696, B01J 8/08, 1969].

Недостатками данного способа являются смешение транспортной влаги, с которой ионит загружают в колонну, с продукционным (товарным) раствором, выводимым из колонны, что приводит к разбавлению последнего и перемешиванию слоя ионита в значительной части объема колонны (в зоне загрузки свежего ионита), которые снижают эффективность ионного обмена.

Известен также способ осуществления ионообменного процесса на гранулированных ионитах, включающий пропускание потока обрабатываемого раствора, пульпы или газа, образующихся при переработке руд цветных и редких металлов, через неподвижный слой ионообменного сорбента, с делением этого сорбента на крупную и мелкую фракции, причем обрабатываемый поток сначала фильтруют через крупную фракцию сорбента, а затем обедненный по целевому компоненту поток фильтруют через оставшуюся мелкую фракцию. При этом средний эффективный диаметр крупной фракции составляет 1,19-2,5 мм, а мелкой 0,63-0,67 мм [Авторское свидетельство №1791393, C02F 1/42, 1984].

К недостаткам известного способа относится неопределенность: является ли данная граница деления ионита на крупную и мелкую фракции оптимальной, так как гранулометрический состав индивидуальных партий сорбентов значимо различен.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа осуществления сорбционного процесса за счет оптимизации границы деления сорбента на мелкую и крупную фракции.

Поставленная задача достигается тем, что в способе осуществления сорбционного процесса на гранулированных ионитах путем пропускания обрабатываемого потока через неподвижный слой ионообменника, классифицированного на крупную и мелкую фракции, в указанной последовательности, в качестве параметра оптимизации выбирают равенство эффективных масс обмена (М) для крупной (Мк) и мелкой (Мм) фракций. Так как масса единичного зерна сорбента в приемлемом приближении пропорциональна кубу его диаметра (d), то эффективные массы отдельных классов (Mi), на которые разделен ионит, будут Mi=m/d³, где m - доля общей весовой массы анионита, которая приходится на каждый класс. То есть, М=М₁+М₂+М₃+…+Mi, а условием равенства эффективных масс будет Мм=Мк=М/2. При этом в случае необходимости граничный класс можно делить между фракциями.

Пример 1 (по прототипу). 20 мл анионита ВП-1An в SO₄ ^2- форме гранулометрического состава (мм):

Класс dc - средневзвешенный диаметр класса, мм m (массова доля класса, мм класса, % мас.)   +0,42-0,5 0,47 3,3   +0,5-0,63 0,58 14,6 мелкая фракция +0,63-0,85 0,75 26,5   +0,85-1,00 0,93 17,8   +1,00-1,3 1,18 22,3   +1,3-1,5 1,41 7,2 крупная фракция +1,5-1,8 1,61 8,3  

разделили на 2 фракции произвольно по классу 0,85 мм. Крупную фракцию поместили в колонку и через нее в течение 14 часов профильтрован 21 объем раствора с концентрацией молибдена 2,0 г/л. Затем этот, частично отработанный, молибденовый раствор профильтрован через оставшуюся мелкую фракцию анионита в течение 3,5 часов. Концентрация молибдена на выходе последнего объема составила 0,019 г/л. Суммарное время сорбции 14+3,5=17,5 ч.

Пример 2. Введем критерий оптимизации сорбционного процесса (равенство эффективных масс Mi мелкой и крупной фракций). Масса единичного зерна ионита пропорциональна кубу его диаметра d. Если доля i-го класса, выраженная в массовых процентах (% мас.), будет m_i, то эффективную массу Mi можно представить как Mi=m*d³. Для сопоставления результатов примеров 1 и 2 используем анионит, аналогичный прототипу (ВП-1An):

d d³ m, % мм M=m/d³ 0,47 0,10382 3,3 31,8 0,58 0,19511 14,6 74,8 0,75 0,42187 26,5 62,8 0,93 0,80436 17,8 22,1 1,18 1,64303 22,3 13,6 1,41 2,80322 7,2 8,6 1,61 4,17288 8,3 2,0

a. Если деление проводить по прототипу, т.е. по классу - 0,85 мм, то эффективные массы фракций будут равны: мелкой (31,8+74,8+62,8)=169,4; крупной (22,1+13,6+8,6+2,0)=46,3 усл.ед.

b. Деление по классу - 0,63 дает для мелкой фракции (31,8+74,8)=106,6, для крупной (62,8+22,1+13,6+8,6+2,0)=109,1 усл.ед.

c. Деление по классу - 0,5 дает Мм=31,8; Мк=183,9 усл.ед.

Из приведенных данных видно, что при делении по классу - 0,63 мм обеспечивается равенство Мм и Мк с точностью 0,25%.

Поэтому 20 мм того же анионита ВП-1An аналогичного состава разделили на две фракции по классу - 0,63 мм. Крупную фракцию (+0,63-1,8 мм) поместили в колонку, и через нее в течение 12 часов был пропущен 21 объем молибденового раствора с концентрацией Мо, равной 2,0 г/л. Затем этот, частично отработанный, молибденовый раствор был пропущен через оставшуюся мелкую фракцию в течение 3 часов. Концентрация молибдена на выходе последнего объема составила 0,017 г/л, суммарное время 15 часов. Выигрыш времени по сравнению с прототипом 17,5-15=2 ч (вариант b).

Аналогичную операцию совершили с мелкой и крупной фракциями в варианте с), т.е. при делении по классу - 0,5 мм: через крупную фракцию в течение 14 часов пропущен 21 объем раствора молибдена с концентрацией 2,0 г/л. Затем этот частично отработанный раствор профильтрован через мелкую фракцию в течение 3,5 часов. Хотя суммарное время процесса было то же, что и в прототипе, однако содержание молибдена на выходе последнего объема составило 0,102 г/л.

Пример 3. Партия анионита ВП-1An в сульфатной форме имеет следующие характеристики:

Класс d d³ m, % мас. М   +0,5-0,63 0,56 0,17562 25,2 143,5 мелкая фракция 143,5 +0,63-0,85 0,74 0,40522 30 74   +0,85-1,0 0,93 0,80436 16,3 22,3 крупная фракция +1,0-1,5 1,30 2,19700 25,3 11,5 108,5 усл.ед +1,5-1,8 1,63 4,33075 3,2 0,7  

От примеров 1 и 2 она отличается отсутствием класса - 0,5 мм и иным долевым составом классов.

20 мл анионита указанного состава разделили на две фракции по классу 0,63 мм. Крупную фракцию (+0,63-1,8) поместили в колонку и через нее в течение 12 часов пропущен 21 объем молибденового раствора концентрации 2,0 г/л. Частично отработанный раствор пропустили через колонку с мелкой фракцией (+0,5-0,63) в течение 2,5 часов. На выходе последнего объема концентрация молибдена была 0,018 г/л. Общее время сорбции составило 12+2,5=14,5 часа.

При вышеприведенном гранулометрическом составе анионита получить равенство эффективных масс фракций не представляется возможным, т.к. М самой мелкой фракции (143,5 усл.ед.) больше суммы долей классов, составляющих крупную фракцию (74+22,3+11,5+0,7=108,5 усл. ед.). Поэтому оптимизацию по крупности проведем за счет мелкой фракции.

Для этого 20 мм того же анионита делим между крупной и мелкой фракциями исходя из следующих соображений. Определим сумму Мм+Мк=143,5+108,5=252 усл.ед. Мм будет равно Мк при М/2=252/2=126 усл.ед.

Из M=m/d³ имеем m=M*d³ и для мелкой фракции получаем m=126*0,17562=22% мас. Т.е. для уравнения Мм и Мк нужно: 25,2-22=3,2% мас. мелкой фракции включить в состав.

Класс d d³ m M=m/d³   +0,5-0,63 0,56 0,17562 22,0 126,0 мелкая фракция +0,5-0,63 0,56 0,17562 3,2 18,5   +0,63-0,85 0,74 0,40522 30 74             крупная +0,85-1,0 0,93 0,80436 16,3 20,3             фракция +1,0-1,5 1,30 2,19700 25,3 11,5   +1,5-1,8 1,63 4,33075 3,2 0,7  

Через крупную фракцию за 10 часов пропустили 21 объем раствора, который затем был пропущен через мелкую фракцию в течение 2,5 часа. Концентрация Мо на выходе последнего объема - 0,018 г/л, суммарное время сорбции 10+2,5=12,5 часа; то есть уравнивание эффективных масс крупной и мелкой фракций позволило оптимизировать сорбционный процесс и сократить за счет этого суммарную стадию ионного обмена с 14,5 до 12,5 часов.

Таким образом, предлагаемый способ ускорения сорбционного процесса для молибдена на ионите ВП-1An путем пропускания обрабатываемого потока через неподвижный слой разделенного по крупности на две фракции анионита, сначала через крупную фракцию, а затем обедненный по молибдену поток - через мелкую, причем граница деления выбирается так, чтобы эффективные массы обеих фракций были равны друг другу, обеспечивает уменьшение общего времени процесса сорбции на 15-40%.

Изобретение может быть использовано при извлечении металлов, получении веществ высокой чистоты, в водоподготовке, очистке промышленных и бытовых стоков. Для осуществления способа исходный сорбент - анионит ВП-1 An, делят по крупности на две фракции, при этом границы деления выбирают таким образом, чтобы эффективные массы крупной и мелкой фракций были равны друг другу. Затем обрабатываемый поток молибденового раствора пропускают сначала через неподвижный слой крупной фракции, а затем обедненный по целевому компоненту поток - через неподвижный слой мелкой фракции. Изобретение позволяет повысить эффективность сорбционного процесса и сократить его продолжительность на 15-40%. 4 табл.

Способ осуществления ионообменного процесса сорбции молибдена на анионите ВП-1 An, разделенном по крупности на две фракции, с пропусканием потока сначала через неподвижный слой крупной фракции, а затем обедненного по целевому компоненту потока - через неподвижный слой мелкой фракции, отличающийся тем, что границы деления выбирают таким образом, чтобы эффективные массы крупной и мелкой фракций были равны друг другу.