Презентация 8 - Томский политехнический университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Процессы и аппараты урановых
производств
Курс лекций
Доцент кафедры
ХТРЭ
Кантаев Александр Сергеевич
1
Лекция №8
Обогащение руд
Химическое обогащение
2
Схема цепи аппаратов выщелачивания
урана
Рисунок – 1 Схема цепи аппаратов
узла выщелачивания урановой
руды:
1 - чаны; 2 - агитаторы;
3 - классификаторы;
4 – гидроциклоны;
5 - сгустительный конус;
6 - сборный чан;
7 - зумпф
3
Ионообменная сорбция урана
из растворов
4
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
Ионообменные
смолы
представляют
собой
высокомолекулярные
материалы,
состоящие
из
трехмерного
каркаса
(матрицы)
–
полимерных
углеводородных цепочек, соединенных между собой
поперечными
связями
и
ионогенных
групп,
присоединенных к каркасу. В зависимости от ионогенной
группы, которую называют также функциональной, или
активной группой, ионообменные смолы делятся на
катиониты, аниониты, полиамфолиты (бинарные, или
амфотерные иониты), комплексообразующие сорбенты и
окислительно-восстановительные полимеры.
5
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
По степени диссоциации ионогенных групп, от которой
зависит способность смолы к ионному обмену, иониты
разделены на четыре группы :
1. Иониты, проявляющие свойства сильных кислот или
оснований.
2. Иониты, проявляющие свойства слабых кислот или
оснований.
3. Иониты, проявляющие свойства смеси сильной и
слабой кислоты, сильного и слабого основания.
4. Иониты, подобные смеси кислот и оснований
различной силы.
6
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
Рисунок – 2
Кривые, характеризующие иониты
четырех типов:
1 - иониты, проявляющие свойства
сильных кислот или оснований;
2 - иониты, проявляющие свойства
слабых кислот или оснований;
3 - иониты, проявляющие свойства
смеси сильной и слабой кислот
(оснований);
4 - иониты, подобные смеси кислот
и оснований различной силы
7
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
Различают полную, статическую и динамическую емкости смолы.
Полная обменная емкость (ПОЕ) определяется количеством функциональных групп
в смоле и соответствует участию в обмене всех ионогенных групп смолы.
Равновесная статическая обменная емкость (РСОЕ) – емкость смолы при
достижении равновесия в статических условиях с раствором определенного объема и
состава.
Полная статическая обменная емкость (ПСОЕ) – равновесная емкость смолы,
определенная при содержании в растворе большого избытка сорбируемого иона.
Динамическая обменная емкость (ДОЕ) соответствует количеству определенного
иона, поглощенного смолой при фильтрации раствора через ее слой до проскока
сорбируемого иона.
Полная динамическая объемная емкость (ПДОЕ) — емкость, аналогичная
динамической, но соответствует количеству сорбируемого иона, поглощенного смолой,
не до проскока, а до момента выравнивания концентраций входящего и выходящего
растворов.
8
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
Рисунок – 3
Выходная кривая сорбции при
содержании в растворе одного
сорта ионов, способных к ионному
обмену
Полная
динамическая
емкость
обычных ионитов по однозарядным
ионам колеблется от 3 до 10 ммоль/г
сухой смолы.
9
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
Для описания равновесия обмена между ионами
Ас + В b ↔ Вс + А b
используют изотермы ионного обмена, т.е. графики зависимости между молярной долей
иона В в ионите и молярных долей его в растворе. Существуют изотермы трех основных
видов (рис. 4): выпуклая (благоприятная, указывающая на преимущественную сорбцию
иона В), линейная (безразличная, сродство ионов одинаковое) и вогнутая
(неблагоприятная).
Рисунок – 4
Изотермы
ионного
обмена
различного типа эквивалентные
доли иона в смоле и растворе
соответственно:
1 - выпуклая (благоприятная)
изотерма;
2 - линейная изотерма;
3 - вогнутая (неблагоприятная)
изотерма
10
Области применения, классификация
сорбентов,
основные понятия и определения
Рисунок – 5 Вытеснительная хроматография
Разделение двух сортов ионов В1+ и В2+: на катионите в А -форме при помощи раствора,
содержащего ионы С+. Сродство к катиониту С+ > В2+ > С+ > В1+ > А
11
Кинетика ионного обмена
В ионообменном процессе можно выделить пять стадий:
1) Диффузия вытесняющего иона через слой (пленку) жидкости,
окружающей зерно ионита, к контурной поверхности ионита;
2) диффузия вытесняющего иона в объеме зерна ионита к точке
обмена;
3) химическая реакция двойного обмена;
4) диффузия вытесненного иона в объеме зерна ионита от точки
обмена к контурной поверхности зерна ионита;
5) диффузия вытесненного иона от контурной поверхности зерна
ионита жидкости в объем раствора.
12
Динамика ионного обмена
Рисунок – 6
Процесс ионного
обмена в колонне к
моменту времени
τ1 (1), τ0 (2) и τ2 (3):
I - ионит,
насыщенный
ионами А;
II - ионит,
насыщенный
ионами В
13
Сорбционно-десорбционные каскады
Рисунок – 7 Работа
сорбционнодесорбцнонного
цикла:
1 цикл сорбция 1 - 2
- 3, десорбция 6 - 5
- 4;
2 - цикл - сорбция 2
- 3 -6, десорбция 5
- 4 - 1;
3 цикл - сорбция 3 –
6 - 5, десорбция 4 1 - 2;
4 цикл - сорбция 6
-5 - 4, десорбция 1 2-3
14
Сорбционно-десорбционные каскады
Рисунок – 8 Каскад непрерывного ионного обмена для извлечения урана из пульпы:
1 - пачуки; 2 - регулятор расхода пульпы; 3 - сепараторы; 4 – колонны КДС для
отмывки сорбента от пульпы; 5 - десорбционно-регенерационная колонна;
15
6 - колонна для отмывки от регенерационного раствора
Сорбционно-десорбционные каскады
Рисунок – 9
Каскад непрерывного действия из
пульсационных колонн для очистки
РЗЭ (а) и извлечения урана из
плотных пульп (6):
1 - колонна отмывки сорбента от
исходного раствора; 2, 3 —
сорбционные колонны; 4 - колонна
отмывки
сорбента
от
регенерационного раствора или
пульпы;
5
десорбционнорегенерационная колонна; 6 —
троммели; 7 - промежуточные
емкости; 8, 9 - аэролифты для смолы;
10 – циркуляционный аэролифт для
пульпы; 11 - напорный бачок со
смолой
16