Сорбция координационных соединений редкоземельных элементов
- 1 — д-р техн. наук заведующий кафедрой Санкт-Петербургский горный университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus ▪ ResearcherID
- 2 — Ph.D. постдок в области металлургических процессов K1-Met GmbH ▪ Scopus
- 3 — канд. хим. наук ассистент Санкт-Петербургский горный университет ▪ Orcid ▪ Elibrary ▪ Scopus ▪ ResearcherID
- 4 — ассистент Санкт-Петербургский горный университет
Аннотация
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.
Введение. Редкоземельные металлы являются неотъемлемой частью многих высокотехнологичных отраслевых секторов, таких как лазерная промышленность, военная техника, медицина, электроника, металлургия и автомобилестроение.
В результате анализа рынка добычи редкоземельных металлов (РЗМ) можно сделать вывод, что в 2014-2017 гг. объем добычи РЗМ сохранялся на достаточно стабильном уровне, а с 2018 г. значительно увеличился с 132 до 170 тыс.т [3]. По ресурсам основным лидером в последнее десятилетие остается Китай с долей 37,89 %, за ним следуют Бразилия и Вьетнам с равными долями в 18,94 %. Россия занимает не последнюю позицию в данном списке с долей 10,33 %. Также стоит отметить такие страны как Австралия, США, Малайзия и Индия, в которых также оцениваются запасы РЗМ [3].
В настоящее время Россия является не производителем редкоземельных элементов (РЗЭ), а импортером, что отрицательно влияет на экономику страны и производственный сектор в частности
Основной целевой источник РЗЭ в России расположен в Мурманской области на Ловозерском месторождении. Также имеется попутная добыча РЗМ в виде компонента других руд и из отходов производств [6, 15, 16]. Однако в РФ отсутствуют производства по глубокой переработке, что делает невозможным получение конечной продукции в виде индивидуальных РЗМ. В связи с этим добываемые РЗМ экспортируются в виде дешевых коллективных концентратов.
Основными способами получения РЗЭ являются осаждение, экстракция и сорбция [5, 8, 12, 13, 18]. Сорбционные процессы – наиболее перспективный метод селективного извлечения РЗМ из растворов сложносолевого состава, который позволяет проводить отделение элементов от сопутствующих компонентов, а также проводить разделение близких по химическим свойствам РЗМ [10].
Авторами работы [7] изучено извлечение Nd, Gd и Ho на синтезируемых смолах, имеющих функциональную группу в виде первичных аминогрупп (primary amine surface groups) с лигандами, имеющими сродство к РЗМ: фосфоноуксусная кислота (PAA), N,N-бис (фосфонометил), глицин (BPG) и диэтилентриаминпентауксусный диангидрид (DTPADA). Для определения термодинамических характеристик проводили серию экспериментов с растворами, содержащими 0,3-300 мг/л РЗЭ при постоянной концентрации HCl 0,5 моль/л и фиксированном значении рН. Растворы перемешивали при 300 об/мин в течении 24 ч с ионообменной смолой 10 г/л при трех значениях температуры: 20, 60 и 100 °С. Изотермы сорбции получали при постоянном присутствии NaCl 0,5 моль/л и фиксированных значениях рН в зависимости от синтезируемого анионита: 6,5 – для амина, PAA, BPG или 2,5 – для DTPADA при температурах 20, 60 и 100 °С. Термодинамическое описание проводилось моделями Ленгмюра и Фрейндлиха. В результате авторами были рассчитаны значения констант равновесия, энергии Гиббса, энтальпии и энтропии процесса извлечения Nd, Gd и Ho.
В работе [14] изучалось разделение металлов на основе ионообменного вытеснения ионов металлов (Se, Re, Mo, La, Sc, Ce (IV)) из твердой фазы на ионообменных смолах Purolite A170, Lewatit M500 и Lewatit SP112. Эффективное разделение церия (IV) и лантана наблюдалось на Lewatit MonoPlus SP 112 (Na+). Насыщение ионита проводилось в динамических условиях раствором нитрата лантана. Далее проводилось элюирование раствором нитрата церия (IV). В ходе эксперимента было отмечено, что церий (IV) вытеснил лантан из твердой фазы смолы на 96-97 %. Процесс фронтально-градиентного вытеснения лантана церием (IV) является частью разработанной технологии. Общий коэффициент разделения церия и лантана с использованием разработанного метода разделения составил 4300. Коэффициенты распределения для церия и лантана составляли 1000 и 0,23 соответственно. Данный метод позволяет получать церий (IV) с чистотой 99,99 %.
Также для извлечения таких металлов как торий (IV) и уран (IV) в работе [17] применялись твердые сорбенты с матрицей смолы в виде мономера 2, 4, 6-триформилфлороглюцин и 2,5-диаминобензолсульфоновая кислота (COF) и функциональными группами COF-SO3H и \(\mathrm{[NH_4]^+[COF-SO_3^-]}\). В работе оценивали влияние рН на сорбционную емкость тория (IV) в интервале 1-2,8. Сделан вывод, что для сорбента \(\mathrm{[NH_4]^+[COF-SO_3^-]}\) при увеличении рН значение емкости увеличилось с 98,8 (рН = 1) до 168 мг/г (рН = 2,8). Похожая тенденция наблюдалась и для сорбента COF-SO3H, однако при понижении рН наблюдается уменьшение значения емкости. При исследовании кинетических зависимостей отмечено, что при проведении процесса в течение 10 мин. значение емкости достигло величины 232 мг/г из раствора с концентрацией тория (IV) 125 ppm при рН = 2,8 на сорбенте \(\mathrm{[NH_4]^+[COF-SO_3^-]}\) и 100 мг/г на сорбенте COF-SO3H. Изотермы сорбции, полученные в интервале концентраций 50-400 ppm, были проанализированы с использованием модели Ленгмюра. Полученное значение емкости для сорбента \(\mathrm{[NH_4]^+[COF-SO_3^-]}\) выше, чем для сорбента COF-SO3H. Авторами было проведено разделение тория (IV), урана (IV), церия (III) и европия (III) и получены следующие коэффициенты разделения элементов: STh/U = 9,4, STh/Eu = 9,4 и STh/Ce = 10,3.
Постановка проблемы. Анализируя содержание литературных источников, можно сделать вывод, что извлечение РЗМ из сложносолевых систем [11] в силу комплексного характера редкоземельных источников является актуальным. Значения полученных термодинамических характеристик процесса сорбции, в частности ионного обмена, определяют как условия проведения процесса, так и технологические параметры ионообменных установок для разделения РЗЭ и отделения их от примесных компонентов. На основании величин энергии Гиббса ионообменного процесса возможен прогноз эффективности извлечения лантаноидов из водно-солевых растворов. Учитывая, что извлечение РЗЭ, как правило, проводят из растворов минеральных неорганических кислот, используемых в качестве растворов выщелачивания фосфогипса или иного сырья, содержащего РЗМ, в работе изучено извлечение иттербия в виде анионных комплексов с трилоном Б на слабоосновном анионите D-403 из растворов азотной кислоты.
Методология эксперимента. Исследование сорбции в статических условиях. Исследование процесса сорбции РЗЭ проводилось из модельных растворов, содержащих анионные комплексы иттербия с трилоном Б (ЭДТАиттербиат-ионов), полученных добавлением раствора трилона Б к раствору нитрата иттербия в точном мольном соотношении 1:1 по стехиометрии реакции [9].
В работе [14] изучалось разделение металлов на основе ионообменного вытеснения ионов металлов (Se, Re, Mo, La, Sc, Ce (IV)) из твердой фазы на ионообменных смолах Purolite A170, Lewatit M500 и Lewatit SP112. Эффективное разделение церия(IV) и лантана наблюдалось на Lewatit MonoPlus SP 112 (Na+). Насыщение ионита проводилось в динамических условиях растворомнитрата лантана. Далее проводилось элюирование раствором нитрата церия (IV). В ходе экспе-римента было отмечено, что церий(IV) вытеснил лантан из твердой фазы смолы на 96-97%. Процесс фронтально-градиентного вытеснения лантана церием (IV) является частью разработан-ной технологии. Общий коэффициент разделения церия и лантана с использованием разработанного метода разделения составил 4300. Коэффициенты распределения для церия и лантана составляли1000 и 0,23 соответственно. Данный метод позволяет получать церий (IV) с чистотой 99,99%.
Применялся метод переменных концентраций при соотношении ж:т = 5 (раствора – 20, анионита – 4 см3), рН = 3 и постоянной ионной силе I, равной 1 моль/кг (NaNO3). Сорбцию проводили при температурах T, равных 298 и 343 К в интервале концентраций иттербия 0,1082-0,0056 моль/кг.
В качестве ионообменной смолы применялся анионит D-403 в нитратной форме (Китай), являющийся полистирольным хелатным анионитом с дивинилбензолстирольной матрицей и функциональной группой в виде третичного атома азота с оксигидрильными группами в β, γ, δ положениях, снижающими подвижность неподеленной пары электронов азота вследствие отрицательного индуктивного эффекта [9]:
Раствор с анионитом перемешивали со скоростью 120 об/мин в термостатированном шкафу GFL (Германия) в течение 5-6 ч до наступления равновесия. Концентрацию иттербия в исходных и равновесных растворах определяли спектрофотометрическим методом с арсеназо (III) и рентгенофлуорисцентным методом на приборе Epsilon 3 производства PANalytical.
Исследование сорбции в динамических условиях. Для подтверждения значения предельной сорбции проводилось насыщение анионита D-403 ЭДТАиттербиат-ионами в динамических условиях. Эксперимент осуществлялся в сорбционной колонке диаметром 1,2 и высотой слоя анионита 31,5 см, масса анионита составляла 11,3 г. Раствор, содержащий ЭДТАиттербиат-ионы концентрацией 0,0398 моль/л, пропускали через колонку со скоростью 1 мл/мин с использованием перистальтического насоса LOIP LS-301 (АО «Лабораторное оборудование и приборы», Россия). На выходе из колонки отбирали порции раствора по 5 до проскока и 10 мл после проскока до достижения значения исходной концентрации.
Результаты эксперимента. Расчет константы ионообменного равновесия, энергии Гиббса ионного обмена и полной емкости анионита. Полученные данные процесса сорбции при температурах 298 и 343 К представлены в табл.1. Значение сорбции рассчитывали по формуле
где \(C\)0 и \(C\)∞ – исходные и равновесные концентрации комплексных ионов в растворе, моль/кг; \(V\) – объем, мл; m – масса сухого анионита, г.
Таблица 1
Экспериментальные данные сорбции ЭДТАиттербиат-ионов на анионите D-403 в нитратной форме при рН = 3
298 К | 343 К | ||||
C0, моль/кг | С∞, моль/кг | Г, моль/кг | C0, моль/кг | С∞, моль/кг | Г, моль/кг |
0,1082 | 0,0901 | 0,2786 | 0,1082 | 0,0822 | 0,4066 |
0,0947 | 0,0768 | 0,2642 | 0,0947 | 0,0690 | 0,3950 |
0,0863 | 0,0722 | 0,2587 | 0,0863 | 0,0634 | 0,3893 |
0,0749 | 0,0607 | 0,2442 | 0,0749 | 0,0544 | 0,3791 |
0,0678 | 0,0522 | 0,2322 | 0,0678 | 0,0425 | 0,3624 |
0,0525 | 0,0392 | 0,2111 | 0,0525 | 0,0302 | 0,3392 |
0,0433 | 0,0303 | 0,1936 | 0,0433 | 0,0225 | 0,3195 |
0,0311 | 0,0204 | 0,1697 | 0,0311 | 0,0131 | 0,2838 |
0,0173 | 0,0094 | 0,1311 | 0,0173 | 0,0040 | 0,2120 |
0,0110 | 0,0048 | 0,1267 | 0,0110 | 0,0010 | 0,1784 |
0,0079 | 0,0020 | 0,0778 | 0,0079 | 0,0004 | 0,1110 |
0,0056 | 0,0009 | 0,0590 | 0,0056 | 0,0002 | 0,0853 |
Изотермы сорбции приведены на рис.1.
Для получения термодинамических данных проводилось математическое преобразование закона действующих масс
используемого для уравнения ионного обмена
где \(K\) – константа ионообменного равновесия; и \(\Large{\mathrm{\Gamma_{YbTr^–}}}\), \(\Large{\mathrm{\Gamma_{{NO^3}^{–}}}}\) – значение концентрации ионов в твердой фазе анионита,моль/кг; \(\Large{\mathrm{a_{{NO^3}^{–}}}}\), \(\Large{\mathrm{{a_{YbTr^-}}}}\) – активности нитрат- и ЭДТАиттербиат-ионов, моль/кг; \(\mathrm{[NO{_3^-}]}\), \(\mathrm{[YbTr^-]}\) – активности нитрат- и ЭДТАиттербиат-ионов, моль/кг; \(\Large{\mathrm{\gamma_{[NO{_3^-}]}}}\), \(\Large{\mathrm{\gamma_{[YbTr{_3^-}]}}}\) – коэффициенты активности нитрат- и ЭДТАиттербиат-ионов; \(R\) – органическая матрица ионитов.
Считая, что предельная сорбция складывается из величин равновесной сорбции нитрат- и ЭДТАиттербиатионов:
закон действующих масс привели к линейному виду, аналогичному изотерме сорбции Ленгмюра
где \(\Large{f(C)=\frac{\mathrm{[NO{_3^-}]}\gamma{_{\pm\mathrm{NaNO_3}}^2}}{[\mathrm{YbTr^-}]\gamma{_{\pm\mathrm{NaYbTr}}^2}}}\) – концентрационная абсцисса; \(\Large{\frac{1}{\Gamma_{\mathrm{YbTr^-}}}}\) – ордината обратной сорбции; \(\Large{\gamma{_{\pm}}}\) – среднеионные коэффициенты активности электролитов, выраженные через коэффициенты активности индивидуальных ионов:
Среднеионные коэффициенты активности рассчитывали с использованием справочных данных и математического описания зависимостей коэффициентов активности от ионной силы раствора. Для соединения \(\mathrm{NaYbTr}\ \gamma\pm\) принимали равными для CH3COONa при данной ионной силе из-за основной зависимости коэффициентов активности от заряда ионов и ионной силы раствора, а также слабой зависимости от индивидуальной природы аниона, в том числе комплексного иона. Известно, что комплексные ионы не проявляют каких-либо особенностей в поведении коэффициентов активности по сравнению с простыми электролитами [4].
С учетом влияния температуры коэффициенты активности пересчитывали по формуле
где γ±,343 и γ±,298 – значение среднеионных коэффициентов активности при соответствующих температурах; A343 и А298 – коэффициенты уравнения Дебая – Хюккеля для температур 343 и 298 К, соответственно (А343 = 0,5562, А298 = 0,5107 [1]).
Расчетные и полученные экспериментальные данные для математического описания линейных форм изотерм сорбции иттербия на анионите D-403 из нитратных растворов при температурах 298 и 343 К представлены в табл.2.
Таблица 2
Данные для построения линейных форм изотерм сорбции ЭДТАиттербиат-ионов на анионите
1/Г, кг/моль | I, моль/кг | \(\mathrm{[NO{_3^-}]}\), моль/кг | \(\mathrm{[YbTr^-]}\), моль/кг | γ±NaYbTr | γ±NaNO3 | \(f(C)\) |
298 К | ||||||
3,5890 | 1,1082 | 1,3328 | 0,0901 | 0,7677 | 0,5183 | 6,7415 |
3,7856 | 1,0947 | 1,2923 | 0,0768 | 0,7670 | 0,5214 | 7,7740 |
3,8652 | 1,0863 | 1,2654 | 0,0722 | 0,7666 | 0,5234 | 8,1758 |
4,0942 | 1,0749 | 1,2312 | 0,0607 | 0,7660 | 0,5261 | 9,5645 |
4,3064 | 1,0678 | 1,2105 | 0,0522 | 0,7656 | 0,5278 | 11,0200 |
7,8927 | 1,0110 | 1,0358 | 0,0048 | 0,7628 | 0,5431 | 110,3377 |
12,8593 | 1,0079 | 1,0262 | 0,0020 | 0,7627 | 0,5440 | 262,7363 |
343 К | ||||||
2,4594 | 1,1082 | 1,3520 | 0,0822 | 0,7474 | 0,4880 | 7,014542 |
2,5318 | 1,0947 | 1,3111 | 0,0690 | 0,7462 | 0,4912 | 8,23391 |
2,5689 | 1,0863 | 1,2831 | 0,0634 | 0,7455 | 0,4935 | 8,871151 |
2,6380 | 1,0749 | 1,2463 | 0,0544 | 0,7446 | 0,4965 | 10,1794 |
2,7592 | 1,0678 | 1,2299 | 0,0425 | 0,7440 | 0,4979 | 12,95437 |
2,9477 | 1,0525 | 1,1810 | 0,0302 | 0,7427 | 0,5021 | 17,89694 |
5,6054 | 1,0110 | 1,0434 | 0,0010 | 0,7393 | 0,5150 | 495,4003 |
9,0053 | 1,0079 | 1,0313 | 0,0004 | 0,7391 | 0,5162 | 1125,44 |
Линейные формы изотерм сорбции представлены на рис.2
По уравнениям аппроксимации линейных форм (рис.2) рассчитали значения констант ионообменного процесса, энергии Гиббса, полной емкости анионита, а также предельной сорбции комплексного ЭДТАиттербиат-иона (рис.3).
Термодинамические и сорбционные характеристики:
Т, К | Уравнение аппроксимации | Коэффициент корреляции R 2 | K | \({\Delta_r{G{_T^0}}}\), кДж/моль | Г∞, моль/кг | \(Г_{YbTr^-}\), моль/кг |
298 | y = 0,0355x + 3,6573 | 0,9956 | 103,02 ± 5,15 | –11,48 ± 5,74 | 0,27 ± 0,01 | 0,28 ± 0,01 |
343 | y = 0,0058x + 2,6024 | 0,9961 | 448,69 ± 22,43 | –17,42 ± 8,71 | 0,38 ± 0,02 | 0,41 ± 0,02 |
Расчет значений энтальпии и энтропии сорбции. По полученным значениям констант ионообменного равновесия в интервале температур 298-343 К рассчитали значение энтальпии ионного обмена по уравнению изобары
где Т1 и Т2 – температуры проведения процесса сорбции, К1 и К2 – константы ионообменного равновесия при соответствующих температурах и значение энтропии ионного обмена
Получены значения:
Расчет полной динамической обменной емкости (ПДОЕ) и динамической обменной емкости (ДОЕ). Значение предельной сорбции комплексного иона в статических условиях при 298 К согласно результатам, представленным на рис.2, составило 0,279 ± 0,014 моль/кг. Кривая сорбции в динамических условиях представлена на рис.3.
Значения ПДОЕ и ДОЕ рассчитываются по формулам:
где m – масса сорбента, г; С0 и Сn – исходная и текущая концентрации иттербия на выходе из колонки, мг/мл; Vn+1, Vn – объем раствора, соответствующий концентрации иттербия на выходе из колонки Сn+1 и Сn, мл; Спр – объем раствора до проскока.
ПДОЕ и ДОЕ составили 0,12 ± 0,01 и 0,09 ± 0,01 моль/кг соответственно.
Обсуждение экспериментальных результатов. Согласно полученным значениям энергии Гиббса ионообменного процесса при температуре 298 К ЭДТАиттербиат-ионы имеют большее химическое сродство к твердой фазе ионообменной смолы по сравнению с РЗЭ легкой группы:
ЭДТАРЗМ-ион | [CeTr]– | [YTr]– | [ErTr]– | [YbTr]– |
\({\Delta_rG_{298}^{0}}\), кДж/моль | 0,15±0,01 | 4,82±0,15 | 9,24±4,62 | 11,48±5,74 |
Это обусловлено специфической особенностью координации лиганда относительно иона РЗЭ легкой и тяжелой групп [2]. Внутренняя сфера комплексов [YbTr]–, [ErTr]– образуется из двух атомов азота и четырех карбоксильных групп, в то время как комплексы [CeTr]– и [YTr]– содержат по два атома азота и только три карбоксильные группы (рис.4). Повышение эффективного отрицательного заряда комплексного иона эрбия и иттербия приводит к увеличению электростатических взаимодействий с матрицей ионообменной смолы. И, как следствие, с уменьшением атомного радиуса и увеличением эффективного заряда комплекса возрастает химическое сродство к твердой фазе анионообменной смолы.
Уменьшение энергии Гиббса в ряду церий-эрбий-иттербий коррелирует с лантаноидным сжатием, уменьшением атомного радиуса и увеличением эффективного заряда комплекса, что приводит к большему сродству и усилению электростатических взаимодействий с анионитом и повышению селективности.
Значение предельной сорбции комплексного иона совпало со значениями полной емкости анионита при обеих температурах. С увеличением температуры величина сорбции увеличивается в соответствии со смещением равновесия в сторону вытеснения нитрат-ионов из матрицы ионообменной смолы ЭДТАиттербиат-ионами.
Величина энтальпии составила положительное значение, однако определяющим фактором понижения энергии Гиббса \({\Delta{G_{T}^{0}}}\lt0\) процесса ионного обмена с ростом температуры является энтропийный критерий. Полученные термодинамические данные характеризуют избирательность процесса ионного обмена ЭДТАиттербиат-ионов в ряду РЗЭ на \(\mathrm{{NO_{3}^{-}}}\) с поверхности ионита. Недостижение значения сорбции комплексного иона величины предельной сорбции объясняется большим геометрическим размером ЭДТАиттербиат-иона.
Заключение. В работе изучен процесс сорбции иттербия в виде анионных комплексов с трилоном Б из нитратных растворов при постоянной ионной силе, равной 1 моль/кг, рН = 3, ж:т = 5 и температурах 298 и 343 К на слабоосновном анионите D-403.
Получены значения предельной сорбции комплексного ЭДТАиттербиат-иона, равные 0,28 ± 0,01 при температуре 298 и 0,41 ± 0,02 моль/кг при 343 К в статических условиях, а также ПДОЕ 0,12 ± 0,01 и ДОЕ 0,09 ± 0,01 моль/кг в динамических условиях.
Рассчитаны значения полной емкости анионита при температурах 298 и 343 К: Г∞ = 0,27 ± 0,01 и Г∞ = 0,38 ± 0,02 моль/кг соответственно.
Проведено математическое преобразование закона действующих масс, приведенного к линейной форме, аналогичной уравнению Ленгмюра, графическое решение которого позволило рассчитать термодинамические параметры ионообменного процесса.
Значения констант ионообменного равновесия и энергии Гиббса ионного обмена при температурах 298 и 343 К составили K298 = 103,02 ± 5,15; \(\Delta_r{G_{298}^{0}}\) = 11,45 кДж/моль; K343 = 448,69±22,43 и \(\Delta_r{G_{343}^{0}}\) = –17,42±8,71 кДж/моль.
По значениям энергий Гиббса рассчитали энтальпию и энтропии процесса ионного обмена: \(\Delta{G_{T_{2}-T_{1}}^{0}}\) = 13,88±6,94 кДж/моль, \(\Delta{S_{298}^{0}}\) = 85,08±4,25, \(\Delta{S_{343}^{0}}\) = 91,23±4,56 Дж/моль∙К. Полученные термодинамические данные характеризуют эффективность использования анионообменной смолы D-403 для извлечения РЗЭ и разделения на индивидуальные компоненты.
Литература