Получение и производство металлов из природных минерально-сырьевых источников приводит к образованию большого количества жидких, твердых и газообразных отходов разных классов опасности, оказывающих негативное влияние на окружающую среду. В производстве диоксида титана из ильменитового концентрата образуется гидролизная серная кислота, в состав которой входят различные катионы металлов, их основную часть составляют катионы железа (III) и титана (IV). Отходы гидролизной кислоты направляют на хранение в кислотонакопители, которые оказывают высокую экологическую нагрузку на окружающую среду. В статье описана технология ионообменной очистки сточных вод кислотонакопителя от катионов железа (III) и титана (IV), образующих с сульфат-ионами и компонентами органических отходов в кислых средах соединения, которые подвергаются диспергации и пылеуносу при испарении водного техногенного объекта, особенно в летний сезон. Изучен процесс сорбции комплексных катионов железа (III) [FeSO4]+ и катионов титанила TiO2+ из сернокислых растворов на катионитах КУ-2-8, Puromet MTS9580 и Puromet MTS9560. Получены изотермы сорбции как индивидуальных катионов [FeSO4]+ и TiO2+, так и в совместном присутствии. Рассчитаны значения констант равновесия при температуре 298 K и изменения энергии Гиббса. Определены емкостные характеристики сорбента для отдельно взятых катионов и в совместном присутствии.
Вопросы комплексной переработки минерального сырья актуальны вследствие обеднения имеющихся сырьевых запасов и с возможностью использования технологических отходов, которые образуются в процессе переработки сырьевых источников, для получения ценных компонентов. В технологической схеме переработки апатитового концентрата сернокислотным способом образуется большое количество фосфогипса со средним содержанием легких редкоземельных металлов (РЗМ) 0,032-0,45 %. При обработке фосфогипса растворами серной кислоты часть РЗМ переходит в сульфатный раствор, из которого возможно проводить их извлечение с применением ионообменного способа. В работе изучен сорбционный процесс извлечения легких РЗМ (празеодима, неодима и самария) в виде анионных сульфатных комплексов состава [Ln(SO 4 ) 2 ] – на полистирольном анионите АН-31. Исследования проводились в статических условиях при соотношении жидкой и твердой фаз 1:1, рН 2, температуре 298 K и исходной концентрации РЗМ в растворах от 0,83 до 226,31 ммоль/кг. Термодинамическое описание изотерм сорбции проводилось методом, основанным на линеаризации уравнения действующих масс, модифицированным для реакции ионного обмена. В результате проведенных расчетов получены значения констант ионообменного равновесия для Pr, Nd, Sm, а также значения изменения энергии Гиббса для процесса ионного обмена сульфатных комплексов РЗМ на анионите АН-31 и значения полной емкости анионита. Рассчитанные коэффициенты разделения свидетельствуют о низкой селективности анионита АН-31 для легких РЗМ, однако анионит может использоваться для эффективного извлечения суммы легких РЗМ. На основании среднего значения константы ионообменного равновесия легких РЗМ рассчитаны параметры сорбционной установки с псевдоожиженным слоем анионита.
Редкоземельные элементы (РЗЭ) являются ценными и стратегически важными для многих технологических областей, таких как лазерная техника, медицина и металлургия. Основными методами выделения РЗЭ являются осаждение, экстракция и сорбция, в частности ионный обмен с использованием различных сорбентов, которые позволяют проводить селективное извлечение и отделение элементов от сопутствующих компонентов, а также проводить разделение близких по своим химическим свойствам редкоземельных металлов. В работе изучен процесс извлечения иттербия в виде координационных соединений с трилоном Б на слабоосновном анионите D-403 из нитратных растворов. Для определения термодинамических параметров сорбции анионных комплексов иттербия ионообменный процесс проводили из модельных растворов при постоянной ионной силе за счет введения NaNO 3 , оптимальном соотношении масс твердой и жидкой фаз, уровне рН, температурах 298 и 343 К методом переменных концентраций. Описание термодинамического равновесия проводилось с использованием закона действующих масс, записанного для уравнения ионного обмена и математически преобразованного в линейную форму. Рассчитаны значения констант ионообменного равновесия, энергии Гиббса, энтальпии и энтропии сорбционного процесса. На основании рассчитанных значений энергии Гиббса получен сорбционный ряд комплексных ионов РЗЭ с трилоном Б на анионите D-403 из нитратных растворов при температуре 298 К. Получены сорбционные характеристики анионита: полная емкость, предельная сорбция комплексного иона, полная динамическая емкость и динамическая емкость до проскока.
Сложный гетерогенный процесс ионного обмена может быть описан уравнением изотермы-изобары химической реакции, определяющей дифференциальное сродство процесса и его следствия – закона действующих масс. В сферу ионного обмена включаются процессы, сопровождающиеся изменением заряда ионов и функциональных групп вследствие перехода ионной связи в ковалентную. Поэтому уравнения изотермы ионного обмена для этих процессов должны отличаться от известных стехиометрических уравнений, но могут быть получены классическими методами изучения ионообменных равновесий. В работе предложена новая термодинамическая модель, основанная на линеаризации закона действующих масс, модифицированного для уравнения ионного обмена, использование которой позволяет установить стехиометрию ионного обмена и формы сорбируемых ионов твердой фазой ионообменных смол, а также рассчитать значения констант и энергий Гиббса ионообменных процессов. Проведен сравнительный анализ моделей термодинамического описания сорбции церия в виде анионного комплекса с трилоном Б из сложносолевого раствора с ионной силой 1 моль/кг (NaNO 3 ) при рН = 3 и температуре 298 К на экспериментальном образце слабоосновного анионита Cybber EV009. Получена экспериментальная изотерма сорбции. Расчеты термодинамических параметров проводились с использованием моделей Ленгмюра, Фрейндлиха, Дубинина – Радушкевича, Темкина и Флори – Хаггинса и термодинамической модели линеаризованного закона действующих масс, разработанной авторами. Рассчитанные значения константы и энергии Гиббса ионообменного равновесия K = 9,0±0,5 и ΔrG 0 298 = –5,54±0,27 кДж/моль характеризуют протекание сорбционного поглощения ЭДТАцеррат-ионов ионообменной смолой. Установлена форма сорбированного иона в слое Штерна – Гельмгольца СeTr – и значение полной емкости анионита EV009 для ЭДТАцеррат-ионов Г ∞ = 2,0±0,1 моль/кг.
Получены изотермы сорбции церия в виде сульфатного комплекса на анионите D-403 при температуре 298 K и рН = 2÷4 в присутствии сульфата магния различной концентрации. Термодинамическое описание изотермы сорбции сульфатных комплексов церия проведено методом, основанным на линеаризации уравнения закона действующих масс, модифицированного для реакции ионного обмена. Рассчитаны значения кажущейся константы ионного обмена и дифференциальной энергии Гиббса для ионов Ce(SO 4 ) - 2 .
