Способ разделения растворов электролитов с одноименными ионами

 

Изобретение относится к химии, в частности к способам разделения электролитов с одноименными ионами с использованием ионообменных смол. Способ позволяет проводить разделение без стадии регенерации и предусматривает пропускание смеси растворов электролитов через ионообменную смолу при использовании в качестве элюента воды или одного из компонентов разделяемой смеси. Способ основан на различной гидрофильности электролитов в заданной системе. 3 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к области химии и химической технологии, в частности, к процессам разделения смесей электролитов, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства.

Известен способ хроматографического разделения электролитов из водноорганических смесей с применением ионитов в качестве неподвижных фаз, так называемая хроматография с высаливанием. Способ осуществляют путем пропускания водноорганического раствора разделяемых электролитов через ионит с последующим вытеснением электролитов водно-органическим раствором элюента. Способ основан на различии коэффициентов распределения неорганических электролитов между фазой ионита и водно-органической смесью, зависящих от мольной доли органического компонента и его природы [1] Известен, например, способ разделения двухвалентных переходных элементов (от Mn до Zn) на анионите с помощью раствора HCl.

Ионит: Dowex-1 в хлоридной форме (-200+230 mesh); температура комнатная; колонка 26 х0,29 см; в колонку помещали маленький объем (примерно 0,025 мл) раствора солей металлов, содержащий 6 мг солей металлов; элюирование проводили раствором HCl различной концентрации; скорость раствора HCl 0,5 см/мин.

Разделение возможно из-за сильных различий в адсорбционных свойствах различных солей металлов в солянокислых растворах (+анионит). Это связано с различной устойчивостью отрицательно заряженных комплексов переходных металлов. Например, Ni (II) практически не сорбируется из концентрированных HCl-растворов, а Со (II) проявляет сильное сродство к аниониту [2] Известен способ элюативной ионообменной хроматографии. Этот метод основан на поглощении анализируемой смеси ионов в верхней части колонки в виде тонкого слоя и разделения с помощью соответствующего элюирующего раствора при продвижении его по колонке сверху вниз. В процессе перемещения раствора состав поглощенной пробы непрерывно меняется: ионы, имеющие более низкое сродство к ионообменнику, двигаются вниз быстрее. После пропускания достаточного количества элюента индивидуальные компоненты смеси распределяются вдоль колонки в виде отдельных зон [3] Недостатком вышеописанных способов разделения является их сложность за счет использования водно-органических растворов или использование дополнительных реагентов на стадии элюированию.

Задача изобретения упрощение процесса разделения электролитов за счет разделения смеси на индивидуальные компоненты без использования дополнительных реагентов и органических растворителей, что делает способ экологически чистым и более экономичным и позволяет исключить из процесса стадию регенерации.

Задача решается описываемым способом разделения электролитов с одноименными ионами, включающим пропускание раствора смеси разделяемых электролитов через ионообменную колонну, заполненную ионитом, и вытеснение электролитов из колонки раствором элюента, при этом предварительно ионообменную колонну с ионитом заполняют водой или водным раствором одного из разделяемых электролитов, а в качестве элюента используют воду или водный раствор второго из разделяемых электролитов. Причем при предварительном заполнении ионообменной колонны водным раствором одного из разделяемых электролитов, берут электролит, обладающий меньшей относительно второго электролита гидрофильностью в данной системе.

Кроме того, при использовании в качестве элюента одного из разделяемых электролитов берут электролит, обладающий большей относительной гидрофильностью в данной системе.

Следует отметить, что процесс ведут при подаче более плотного раствора в направлении снизу вверх ионообменной колонны, а менее плотного в направлении сверху вниз.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При заполнении ионообменной колонки ионитом и водным раствором электролита раствор находится не только между гранулами ионита, но и внутри гранул. Ионит представляет собой полимерную цепь, сшитую для жесткости, например, дивинилбензолом, на которой привиты ионообменные группы. Так как эти группы (помимо ионообменных) обладают и гидрофильными свойствами, вокруг каждой из них ориентированы несколько молекул воды, как и около молекул обычных электролитов.

Используя такой подход, строение (структуру) системы ионит-раствор можно представить следующим образом.

Так как общий объем системы ионит-раствор, то есть объем колонки const и Vr тоже const, то объем V*, приходящийся на раствор, может изменяться только за счет V- объема, занимаемого водой, характеризующего гидрофильность соответствующего электролита.

В зависимости от концентрации и природы электролита, находящегося в колонке, величина V может изменяться в довольно широких пределах (не надо путать с набухаемостью зерен ионита), причем при заданной концентрации раствора, каждый электролит имеет только ему присущее удельное значение величины V Поэтому, если поочередно заполнять колонку растворами разных электролитов, то при одинаковой концентрации полученные значения величины V* будут различаться. Это связано с изменением величины V характеризующей гидрофильность электролита. Если же смешать два каких-либо раствора, то часть ионообменных групп придет в равновесие с одним, а другая часть с другим электролитом. Отношение этих групп такое же, как и отношение электролитов в растворе.

Если объемы, занимаемые растворами электролитов в колонке, разные, а скорость их прокачки через колонку одинаковая, то тот электролит, V* которого меньше, выйдет из колонки первым, затем будет выходить смесь и, если ее вымывать водой, в конце выйдет раствор, содержащий только второй электролит.

Относительную гидрофильность любого электролита можно просто определить путем измерения объемов.

П р и м е р 1. Разделение хлорида и нитрата калия из 2,6 н. водного раствора их смеси. В предварительных опытах установлено, что гидрофильность КСl в данной системе ниже, чем гидрофильность KNO₃.

Ионообменную колонку диаметром 40 мм и высотой 800 мм, наполненную ионитом КУ-2х8 в К-форме, заполняют раствором KCl с концентрацией 2,6 н. а затем пропускают через нее снизу вверх со скоростью 5 мл/мин 0,7 л раствора хлорида и нитрата калия с суммарной концентрацией 2,6 н. и соотношением Cl^- NO₃^- 1:1.

Вытеснение электролитов из колонки проводят водой, пропуская ее в количестве 550 мл со скоростью 5 мл/мин в направлении сверху вниз через ионообменную колонку. Периодически на выходе из колонки отбирают пробы раствора.

Получено: 10,0 г очищенного КСl и 13,0 г очищенного KNO₃; осталось 0,6 л смеси, которую можно вновь пускать на разделение.

П р и м е р 2. Разделение хлорида и бромида калия из 4,0 н. раствора их смеси. В предварительных опытах установлено, что гидрофильность KCl в этой системе ниже, чем гидрофильность KBr.

Ионообменную колонку диаметром 40 мм и высотой 800 мм, наполненную ионитом КУ-2х8 в К-форме, заполняют раствором КСl с концентрацией 4,0 н. а затем пропускают через нее снизу вверх со скоростью 5 мл/мин 0,7 л раствора хлорида и бромида калия с суммарной концентрацией 4,0 н. и соотношением Cl^- Br^- 50:1.

Вытеснение электролитов из колонки проводят водой, пропуская ее в количестве 550 мл со скоростью 5 мл/мин в направлении сверху вниз через ионообменную колонку. Периодически на выходе из колонки отбираются пробы раствора.

Получено: около 100 мл очищенного раствора КСl и около 50 мл сконцентрированного вдвое раствора KBr.

П р и м е р 3. Разделение хлоридов натрия и кальция из 3,04 н раствора их смеси. В предварительных опытах установлено, что гидрофильность NaCl в этой системе ниже, чем гидрофильность СаСl₂.

Ионообменную колонку диаметром 40 мм и высотой 800 мм, наполненную ионитом АВ-17х8 в Сl-форме, заполняют раствором NaCl с концентрацией 3,4 н. а затем пропускают через нее снизу вверх со скоростью 4 мл/мин 0,7 л раствора смеси хлоридов кальция и натрия с суммарной концентрацией 3,4 н. и соотношением Са²⁺ Na⁺ 1:9.

Вытеснение электролитов из колонки проводят раствором СаСl₂ с концентрацией 3,4 н. пуская его в количестве 500 мл со скоростью 4 мл/мин в направлении снизу вверх через ионообменную колонку. Периодически на выходе из колонки отбираются пробы раствора.

Получено: 3 г очищенного СаСl₂ и 26 г очищенного NaCl; осталось 550 мл раствора смеси, которую можно пускать на разделение.

П р и м е р 4. Разделение хлоридов калия и кальция из 3,4 н. раствора их смеси. В предварительных опытах установлено, что гидрофильность КСl в этой системе ниже, чем гидрофильность СаСl₂.

Ионообменную колонку диаметром 17,8 мм и высотой 4 м, заполненную ионитом АВ-17х8 в Сl-форме, заполняют раствором KCl с концентрацией 3,4 н. а затем пропускают через нее сверху вниз со скоростью 0,5 мл/мин 0,8 л раствора смеси хлоридов кальция и калия с суммарной концентрацией 3,4 н. и соотношением Ca²⁺ K⁺ 1:1.

Вытеснение электролитов из колонки проводят раствором СаСl₂ с концентрацией 3,4 н. пуская его в количестве 650 мл со скоростью 0,5 мл/мин в направлении сверху вниз через ионообменную колонку. Периодически на выходе из колонки отбираются пробы раствора.

Получено: 10 г очищенного СаСl₂ и 13 г очищенного КСl; осталось 0,7 л раствора смеси, которую можно пускать на разделение.

П р и м е р 5. Разделение хлорида кальция и соляной кислоты из 3,5 н. раствора их смеси. В предварительных опытах установлено, что гидрофильность СаСl₂ в этой системе ниже, чем гидрофильность HCl.

Ионообменную колонку диаметром 17,8 мм и высотой 4 м, заполненную ионитом АВ-17х8 в Cl-форме, заполняют водой, а затем пропускают через нее снизу вверх со скоростью 0,5 мл/мин 0,9 л раствора смеси хлорида кальция и соляной кислоты с суммарной концентрацией 3,5 н. и соотношением Са²⁺ Н⁺ 1:1.

Вытеснение электролитов из колонки проводят раствором НСl с концентрацией 3,5 н. пуская его в количестве 750 мл со скоростью 0,5 мл/мин в направлении сверху вниз через ионообменную колонку. Периодически на выходе из колонки отбираются пробы раствора.

Получено: 29 г очищенного СаСl₂ и 19 г очищенной НСl; осталось 600 мл раствора смеси, которую можно пускать на разделение.

Таким образом, как видно, из вышеуказанных примеров, технический результат данного способа заключается в том, что при пропускании водного раствора, содержащего смесь электролитов через колонку с ионитом, происходит разделение смеси на индивидуальные компоненты, что позволяет получать каждый из электролитов в чистом виде. Особенностью способа является то, что при разделении не происходит изменения ионной формы ионита. Это позволяет исключить из технологического процесса стадию регенерации. Для элюирования не используются другие химические соединения и растворители, что делает способ экологически чистым и более экономичным.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ С ОДНОИМЕННЫМИ ИОНАМИ, включающий пропускание раствора смеси разделяемых электролитов через ионообменную колонну, заполненную ионитом, и вытеснение электролитов из колонки раствором элюента, отличающийся тем, что предварительно ионообменную колонну с ионитом заполняют водой или водным раствором одного из разделяемых электролитов, а в качестве элюента используют воду или водный раствор второго из разделяемых электролитов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при предварительном заполнении ионообменной колонны водным раствором одного из разделяемых электролитов, берут электролит, обладающий меньшей относительно второго электролита гидрофильностью в данной системе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве элюента одного из разделяемых электролитов берут электролит, обладающий большей относительной гидрофильностью в данной системе.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что процесс ведут при подаче более плотного раствора в направлении снизу вверх ионообменной колонны, а менее плотного - в направлении сверху вниз.