Сорбция урана на гидроксиапатите

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Физико-технический Институт

Кафедра  «Химическая технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов »

 

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ

по производственной практике

Предприятие: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов

         название предприятия

 

 

Выполнил студент  гр. 0471 Пасынкова А.В..

 

(подпись)

 

Проверил:

 

Ассистент  каф.ХТРЭ, к.т.н    Леонова Л.А.

(должность руководителя от кафедры)   (ф. и. о)

_________________         

(оценка)    (подпись) (дата) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2011

Национальный  исследовательский Томский политехнический  университет

Кафедра   Химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных  элементов

 «УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой _____________ Дьяченко А.Н.

 

 

З А Д А Н И Е

НА     ПРОИЗВОДСТВЕННУЮ ПРАКТИКУ

Студенту  группы 0471 Пасынковой Анастасии Владимировне     

 

1. Тема работы «Сорбция урана на гидроксиапатите»

2. Место прохождения практики: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов

3. Сроки прохождения практики:  01.11.2010-26.03.2011, утверждены приказом  по ФТИ от  г.  №

4. Исходные  данные к работе Исследовать процесс обмена ионами между гидроксиапатитом и уранилнитратом в статических условиях во временном интервале от 1 минуты до 1 суток. Содержание урана в сорбенте и жидкой фазе определять оптическими методами анализа (с использованием ферроцианида калия). Установить изменение оптической плотности (содержания урана в растворе и сорбенте) с течением времени. Оптимизация времени процесса ионного обмена.

5. Содержание отчета:

1. Введение. Обзор литературных данных

2. Экспериментальная  часть (методика эксперимента, результаты  и их обсуждение)

3. Заключение

4. Список  использованной литературы

6. Дата выдачи задания 01 ноября 2010 г.

 

 

Научный руководитель      ____________   Леонова Л. А.

Задание принял к исполнению (студент)   ____________   Пасынкова А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема научно-исследовательской  работы

«Сорбция  урана на гидроксиапатите»

 

ПЛАН 

производственной  практики (01.11.2010 - 26.03.2011  , 288 часов)

Студенток гр. 0471ПАСЫНКОВОЙ АНАСТАСИИ ВЛАДИМИРОВНЫ

 

Недели	Сроки	Объем работы, ч	Запланированные мероприятия
1	01.11.–06.11.	18	Поиск литературы по заданной теме, патентный  поиск
2	08.11 – 13.11	18	Работа с иностранной литературой, работа с периодикой
3	15.11 – 16.11	9	Подготовка рабочего места, вводный  инструктаж, изучение методики исследования
4	17.11 – 20.11	15	Отработка методики на практике, проведение экспериментов по сорбции урана
5	22.11 – 27.11	18	Обработка результатов экспериментов, построение графиков зависимости, описание и обсуждение результатов
6	29.11 – 04.12	18	Перевод статей японский, американских ученых по сорбции урана
7	06.12 – 11.12	18	Подготовка и написание итоговой работы по теме исследования на русском, английском языке
8	17.01 – 22.01	18	Эксперименты по ионному обмену
9	24.01 – 29.01	18	Отработка методики спектрофотометрического  определения урана
10	31.01 – 05.02	18	Определение урана в присутствии  пероксида водорода, ферроцианида калия и арсеназоIII, сравнение результатов
11	07.02 – 12.02	18	Расчет статической обменной емкости
12	14.02 – 19.02	18	Эксперименты по определению полной обменной емкости
13	21.02 – 26.02	18	Обработка результатов, построение изотерм  сорбции
14	28.02 – 05.03	18	Сведение данных в общие таблицы (обобщение данных)
15	07.03 – 12.03	18	Обработка данных, подготовка отчета по работе
16	14.03 – 19.03	18	Подготовка экспериментального материала  к публикации
17	21.03 – 26.03	18	Перевод статей с английского языка  по теме работы
18	26.03 – 29.08		каникулы
Итого:288 часов

 

 

Руководитель практики    ассистент каф. ХТРЭ, к.т.н., Л.А. Леонова

 

 

Содержание:

Введение…………………………………………………………….………..5

1. Теория ионного обмена......................................................................6
2. Экспериментальная часть..................................................................9

Вывод……………….....……………………………………….........………13

Список литературы…………………………………………………………14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее  время разработка эффективных сорбционных  материалов для извлечения радионуклидов  из водных растворов актуальна в  связи с важностью радиоэкологических проблем, вызванных накоплением и захоронением жидких отходов урановых производств.

В литературе встречаются работы по использованию  синтетического гидроксиапатита (ГА) в  качестве сорбента для извлечения или  связывания радионуклидов [1-4]. ГА Са10(РО4)6(ОН)2, основной фосфат кальция, встречающийся в природе минерал и преобладающий минеральный компонент костной и зубной ткани человека. ГА имеет свойства  изоморфного замещения [5] и обладает сорбционными свойствами к целому ряду катионов и анионов, в том числе к тяжелым металлам и радионуклидам представляет научный интерес, имеющий хорошие перспективы для промышленного использования и решения экологических проблем. Поэтому исследования в области синтеза ГА и разработки технологии получения сорбентов на его основе, являются актуальными задачами.

Целью данной работы является синтез ГА и исследование его сорбционных свойств по отношению к урану. Данные исследования были проведены на основе научно-исследовательской работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теория ионного обмена

Сорбционные методы извлечения урана основаны на использовании процесса ионного  обмена на ионообменных смолах – ионитах.

Ионный  обмен − процесс, при котором  происходит стехиометрический обмен  ионов одного знака между ионитом  и раствором.

Иониты  − твердые высокомолекулярные вещества, способные поглощать из раствора электролита положительные или  отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество других ионов того же знака. Они имеют трехмерную пространственную структуру макромолекул. Этим объясняется их низкая растворимость.

По знаку  заряда обменивающихся ионов иониты разделяются на катиониты и аниониты.

Каждый  ионит состоит из каркаса (матрицы), связанного валентными силами или силами кристаллической решетки. В матрице закреплены фиксированные ионы, которые создают на ней положительный или отрицательный заряд, компенсирующийся зарядом подвижных ионов противоположного знака (противоионов). Противоионы свободно перемещаются в порах ионита и могут быть заменены другими противоионами.

Катионит  представляет полианион с подвижными катионами, а анионит – поликатион с подвижными анионами.

Существуют  также биполярные иониты (амфолиты), имеющие и катионо- и анионообменные группы.

Для наглядности  ионит можно сравнить с губкой, на нитях которой в отдельных  точках имеется избыточный электрический  заряд (фиксированные ионы), в порах губки циркулируют противоионы. Если губка погружается в раствор, подвижныепротивоионы могут ее покинуть и перейти в раствор. Для сохранения электронейтральности в губку обязательно должно войти эквивалентное число других ионов того же знака.

Модель губки правильно отражает ряд свойств ионита. Она объясняет эквивалентность ионного обмена, независимость максимальной емкости от природы противоиона, которая зависит от заряда матрицы, числа активных групп в ионите (под активной группой понимают совокупность фиксированного иона и противоиона).

Кроме того, модель губки дает правильное представление  о кинетике процесса: ионный обмен является диффузионным процессом, скорость которого зависит от подвижности противоионов и степени диссоциации исходной активной группы.

Но эта  модель совсем не объясняет селективности  ионитов, в соответствии с ней ионный обмен – только статистическое распределение противоионов между ионитом и раствором, которое должно обусловить одинаковые соотношения обменивающихся противоионов в ионите и растворе после установления равновесия [6].

 

1. Термодинамика процесса ионного обмена

Определение физико-химических характеристик ионообменников

 

При выполнении сорбции в статических условиях ионообменник встряхивают с исследуемым  раствором (до установления равновесия), раствор отделяют от сорбента и анализируют  либо раствор, либо ионообменник.

Ионообменные  смолы в воде нерастворимы, но при  погружении в воду поглощают ее, т. е. набухают. Их набухание протекает  по-разному в

зависимости от свойств смолы и водного  раствора, в который она погружена. Чем больше в структуре смолы  гидрофильных ионогенных групп, тем более склонен ионообменник к набуханию.

Набухание также зависит от природы ионогенных групп – их ионизации, заряда противоиона и т.д. Имеет значение и размер противоионов: противоион, имеющий в гидратированном состоянии большой радиус, будет вызывать и большее набухание. Заряд противоионов также оказывает влияние на набухание: оно уменьшается с увеличением заряда. Наконец, набухание зависит и от концентрации внешнего раствора электролита: чем меньше концентрация, тем больше набухание.

 

2.  Кинетика ионного обмена

Для определения  кинетических свойств сорбента существует несколько методов: статический, динамический, полярографический. Наиболее простым и удобным является статический метод. Другие методы точнее, но требуют более сложного аппаратурного оформления, поэтому для массовых испытаний статический метод нашел наиболее широкое применение. Статический метод основан на определении количества поглощенного элемента сорбентом за различные промежутки времени при встряхивании. О кинетике процесса сорбции иона ионитом судят по данным кинетических кривых. На рисунке 2.4 изображены кинетические кривые сорбции элемента на ионитах, обладающих высокими (1) (продолжительность установления равновесия составляет 4-5 ч), средними (2) (16-17 ч) и низкими (3) (двое – трое суток) кинетическими свойствами. Предпочтение следует отдать иониту (1) с высокими кинетическими свойствами.[7]

Рис. 1 –  Зависимость сорбции элемента от времени на ионитах с высокими (1), средними (2) и низкими (3) кинетическими  свойствами.

 

 

2. Экспериментальная часть

Объектами изучения сорбционных свойств по отношению к урану служили  суспензия ГА, полученная в результате проведения экспресс-синтезаи порошок, полученный в результате дальнейшей обработки суспензии.

      Получение гидроксиапатита:

1. Трилон Б: 0,05 моль/л;
2. Ca(NO₃)₂: 0,5 моль/л;
3. (NH₄)₂HPO₄: 0,4 моль/л;
4. pH = 10

Суспензию получали следующим образом: к смеси  водных растворов нитрата кальция  и трилона Б (ЭДТА) при постоянном перемешивании приливали по каплям водный раствор гидрофосфата аммония.  Для поддержания постоянного рН=8-9 по каплям добавляли гидроксид аммония.

Далее суспензию  выдерживали при 40–60 °С, непрерывно перемешивая на магнитной мешалке 10–20 минут и оставляли далее осадок стариться при комнатной температуре. После этого осадок высушивали на фильтре при 100–150 °С в муфельной печи, а затем нагревали до 250 °С в течение часа для удаления остатков NH₄NO₃. Полученные порошки прокаливали при 800 °С  в течение часа до образования белого кристаллического вещества. Синтезированный таким образом гидроксиапатит был использован для исследования сорбции урана.