Термодинамическая модель ионообменных процессов на примере сорбции церия из сложносолевых растворов
- 1 — д-р техн. наук заведующая кафедрой Санкт-Петербургский горный университет
- 2 — д-р техн. наук профессор Горный университет Леобена
- 3 — постдок в области металлургических процессов K1-Met GmbH
- 4 — канд. хим. наук ассистент Санкт-Петербургский горный университет
Аннотация
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.
Литература
- Zelentsev V.I., Datsko T.Ya. The use of adsorption models for describing equilibria in the aluminum oxyhydroxide – fluorine system. EHlektronnaya obrabotka materialov. 2012. N6, р.65-73 (in Russian).
- Luckij D.S. Thermodynamic description of the extraction of lanthanum by oleic acid. Zapiski Gornogo instituta. 2011. Vol.189, p.299-302 (in Russian).
- Markov V.F., Ikanina E.V., Maskaeva L.N.Investigation of ion-exchange properties of composite sorbent based on cation exchanger KU-2x8 and iron (III) hydroxide with respect to copper (II) ions. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2010. Vol.10. Iss.6, p.830-839 (in Russian).
- Mironov I.V. The influence of the environment and complexation in electrolyte solutions. INKH SO RАN. Novosibirsk, 2003, p.240(in Russian).
- Sinegribova O.А. Ion exchange sorption in rare metal technology. RKHTU im. D.I.Mendeleeva. Мoscow, 2016, p.96 (in Russian).
- Tolmachev А.M.Adsorption of gases, vapors and solutions. Мoscow: OOO «Izdatel'skaya gruppa «Granitsa», 2012, p.239 (in Russian).
- Chistyakov А.А., Chirkst D.E., Cheremisina O.V. Sorption of aluminate from alkaline solutions on anion exchanger D-403. Zhurnal fizicheskoj khimii. 2011. Vol.85. N11, p.1-5 (in Russian).
- Shajkhiev I.G., Ovchinnikova А.А. The study of the sorption of iron (III) ions from model solutions using acid-modified sugar beet pulp. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. 2017. Vol.20. N4, p.143-148 (in Russian).
- Shumilova M.А., Petrov V.G. Adsorption models for describing equilibrium in the arsenite-ion-soil system. Teoreticheskaya i prikladnaya ehkologiya. 2017. N4, p.32-38 (in Russian).
- Umpleby II J.R., Baxter C.S., Bode M., BerchJr. K.J., Shah N.R., Shimizu D.K. Application of the Freundlich adsorption isotherm in the characterization of molecularly imprinted polymers. Analytica Chimica Acta. 2001. Vol.435, p.35-42.
- Belton G.R. Langmuir adsorption, the Gibbs adsorption isotherm, and interfacial kinetics in liquid metal systems. Metallurgical transactions: B. 1976. Vol.7B, p.35-42.
- Charles H. Giles., Smith D., Huitson A.A. General Treatment and Classification of the Solute Adsorption Isotherm. Journal of Colloid and Interface Scince. 1974. Vol.47. N3, p.755-765.
- Cochran T.W., Kabel R.L., Danner R.P. Vacancy Solution Theory of Adsorption Using Flory-Huggins Activity Coefficient Equations. AlChe Journal. 1985. Vol. 31. N2, p.268-277.
- Chilton Ng., Losso N.J., Marshall E.W., Rao M.R. Freundlich adsorption isotherms of agricultural by-product-based pow-dered activated carbons in a geosmin-water system. Bioresource Technology. 2002. Vol.85, p.131-135.
- Foo K.Y., Hameed B.H. Insights into the modeling of adsorption isotherm system. Chemical Engineering Journal. 2010. Vol.156, p.2-10.
- Dada A.O., Olalekan A.P., Olatunya A.M., Dada O. Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich Isotherms Studies of Equilibrium Sorption of Zn2+ Unto Phosphoric Acid Modified Rice Husk.Journal of Applied Chemistry. 2012. Vol.3. N1, p.38-45.
- Martinez S. Inhibitory mechanism of mimosa tannin using molecular modeling and substitutional adsorption isotherms. Materials Chemistry and Physics. 2002. Vol.77, p.97-102.
- Recep Akkaya. Separation of uranium and thorium in aqueous solution using polyhydroxyethylmethacrylate-hydroxyapatite novel composite. Desalination and Water Treatment. 2012. N50, p.180-188.
- Recep Akkaya. Terbium adsorption onto polyhydroxyethylmethacrylate-hydroxyapatite composite and its modified com-position by phytic acid. Desalination and Water Treatment. 2013, p.1-8.
- Shumilova Yu.B., Gelis V.M., Milyutin V.V., Kharitonov O.V., Firsova L.A. Separation of Rare-Earth and Transplu-toniumelements by Displacement Chromatography on S-957 Phosphonic Ion Exchanger. Radiochemistry. 2012. Vol.54. N2, p.164-167.