Синтез неорганических сорбентов

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...4

1 Литературный обзор……………………………………………………………5

1.1Синтез неорганических сорбентов…………………………………………...5

1.2 Метод направленного синтеза……………………………………………….6

1.3 Основные характеристики сорбентов  7

1.4 Области применения неорганических ионитов……………………………..9

2 Экспериментальная  часть  10

2.1 Синтез сорбента ГЖ-Х-0,03……………………………………………..….10

2.2 Анализ исходного  раствора K₂CrO₇  11

2.3  Расчет  количества исходного раствора  K₂CrO₇ для синтеза сорбента ГЖ-Х-0,03 11

2.4 Определение  оптимального значения рН раствора при сорбции бихромат-ионов сорбентом ГЖ-Х-0,03 12

2.5 Определение  статической обменной емкости  сорбента ГЖ-Х-0,03 13

2.6 Определение ДОЕ, ПДОЕ, сорбента марки “Апплицид ГЖ-Х-0,03” по бихромат-ионам………………………………………………………………….20

Приложения А…………………………………………………………………..

Список использованной литературы  21 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

    Неорганические  сорбенты необходимы для всех отраслей промышленности и охраны окружающей среды. Они используются в процессах, не допускающих загрязнения растворов (вод) органическими соединениями, в тех случаях, когда необходимы сорбенты дешевые, простые с точки зрения их синтеза и регенерации, а также устойчивые к облучению. Наиболее полно отвечают этим требованиям оксигидраты ввиду высокой сорбционной активности и относительной простоты их синтеза, прежде всего – оксигидраты железа, титана, циркония, алюминия, олова. Железо, алюминий и титан весьма распространены в природе и поэтому особенно предпочтительны с экономической точки зрения. Широкая вариация свойств оксигидратов в зависимости от способа их получения порождает непрерывный поток исследований, посвященных сорбции на оксигидратах.  

      Цель  работы: синтез сорбента  марки “Апплицид ГЖ-Х-0,03” и изучение его эксплуатационных характеристик

     Задачи  исследования:

1.Изучить способы  синтеза неорганических сорбентов  на основе оксигидрата Fe

2.Синтез сорбента  марки “Апплицид ГЖ-Х-0,03” методом  ионного модифицирования

3.Определение  оптимального значение pH раствора при сорбции бихромат ионов сорбентом ГЖ-Х-0,03

4.Определение  СОЕ сорбента марки “Апплицид  ГЖ-Х-0,03” по Cr₂O₇^2- ионом

5.Определение  ДОЕ, ПДОЕ, сорбента марки “Апплицид  ГЖ-Х-0,03” по бихромат-ионам

6.Исследовать  зависимость ДОЕ сорбента марки  “Апплицид ГЖ-Х-0,03” по бихромат-ионам  от концентрации исходного раствора K₂Cr₂O₇ 

1. Литературный обзор

1.1 Синтез неорганических  сорбентов

    При рассмотрении синтеза кристаллических  оксигидратных сорбентов можно  выделить следующие основные приёмы получения: растворение соответствующего металла в кислоте, являющейся окислителем, например в азотной, получение солеобразного соединения на основе, например, титана, ниобия в расплаве или при спекании с последующей его обработкой кислотой и переводом в Н – форму; гидролиз (кислый или щелочной) либо пирогидролиз растворимой соли соответствующего металла с последующим созреванием осадка в маточнике (обычно при повышенной температуре), отделением и высушиванием геля, его прокалкой (при необходимости); осаждение гидроксидов щелочью из растворов солей с промежуточной степенью окисления матрицеобразующего элемента с последующим его окислением при созревании осадка в маточнике.

    Метод растворения в окислительных  кислотах (концентрированной HNO₃) разработан для синтезе β-оловянной кислоты. Аналогично методом растворения порошкообразной металлической сурьмы в смеси концентрированных кислот HCl и HNO₃ (4:1) можно синтезировать гидратированный пентаоксид сурьмы ГПС^к следующего состава: Sb₂O₅·3,75H₂O. Однако уже в этой методике синтеза прослеживается необходимость гидролиза полученного раствора щелочью, а также выдержки геля в маточном растворе для созревания.

    Гидролиз  и созревание осадка – основные приёмы синтеза  кристаллических  оксигидратных сорбентов. При изучении осаждения и формирования сорбентов  на основе ГДТ^к из растворов TiCl₄, установлен существенный рост кристалличности осадков, полученных из 9M TiCl₄, по сравнению с сорбентами, осаждёнными из растворов меньшей концентрации. Причём оксигидрат кристаллизовался в данном случае в анатазной модификации. Образование кристаллической структуры в концентрированной хлоридной системе объясняется сильным разогреванием суспензии при синтезе, т.е. щелочной гидролиз осложняется термическим. Именно поэтому к аналогичным результатам приводит нагрев маточника с осадком при 383K. Однако ГДТ^к в этом случае кристаллизуется в иной модификации – рутильной.

    Осадок  ГПС^к, полученный гидролизом при 298К (рН=1), начинает кристаллизоваться только после продолжительного (не менее 10 суток) контакта осадка с маточником при 298-302К. Кристаллизация существенно облегчается при повышении кислотности маточника и температуры. Кроме того, при обработке наблюдается уменьшение мольного соотношения моль H₂O/моль Sb₂O₅  в твёрдой фазе и приближение его к стехиометрическому (примерно 4).

    Кристаллизация  осадка зачастую ускоряется при переводе оксигидратов в Н–форму. Наоборот, ионы аммония, введённые в полимерную матрицу, затрудняют появление кристаллической фазы, препятствуя конденсации гидроксильных групп при созревании.

    Факторами, определяющими свойства феррогелей, являются: рН осаждения гидроксида, природа аниона исходной соли, а также природа осадителя ( сила щелочи, разбавление и т.д.). 

      1.2 Метод направленного синтеза

      Оксигидраты железа в качестве сорбентов используются как в гранулированной форме, так и в виде свежеосажденных осадков. Для очистки локального стока промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов целесообразно применять гранулированные продукты ГОЖ. Оксигидрат железа как сорбент имеет недостаток, а именно – растворяется в кислых средах. Поэтому его можно использовать для сорбции катионов только в слабокислых и щелочных средах. Анионообменные свойства этих сорбентов проявляются в кислой области  рН. Поэтому повышение химической устойчивости оксигидратных гелей, улучшение ионообменных (анионообменных) характеристик представляются необходимым. Для достижения этих целей созданы сорбенты на основе ГОЖ, модифицированных нитрилотриметилфосфоновой кислотой (НТФ) и апплицированных бихромат-ионами.

      Синтез  модифицированного  ГОЖ проводят осаждением геля оксигидрата из 1 М раствора хлорида железа 10 %-ым раствором аммиака (до рН=6,0-7,0).  Добавляют расчетное количество 0,02 М калия двухромокислого. Готовый сорбент высушивают на воздухе при комнатной температуре, гранулируют и отмывают бихромат-ионы растворами аммиака (1:10). По разности концентраций в исходном и равновесном растворах определяют мольное отношение хрома к железу в твердой фазе геля. 

       1.3 Основные характеристики сорбентов

       Полная  обменная емкость (ПОЕ) характеризует максимальное количество ионов, которое может быть поглощено смолой при ее насыщении. Это постоянная для данной смолы величина, которую можно определить либо в статических, либо в динамических условиях. При сорбции в статических условиях навеску смолы перемешивают с раствором определенного объема, содержащего большой избыток сорбируемого иона. При сорбции в динамических условиях раствор пропускают (фильтруют) через слой смолы, находящийся в колонке.

       Обменная  емкость колеблется от 3 до 10 мг-экв/г  смолы (сухой или набухшей). Обменную емкость выражают также в процентах (г/100 г смолы).

       Статическая (равновесная) обменная емкость (СОЕ) - емкость смолы при достижении равновесия в статических условиях с раствором определенного объема и состава. Таким образом, статическая емкость -непостоянная величина.

       Для установления равновесия необходим  длительный контакт смолы с раствором (от 4 до 20 ч и более в зависимости  от типа и размеров зерен смолы), поскольку большей частью скорость сорбции лимитируется диффузией ионов в зерне смолы.

       Динамическая (рабочая) обменная емкость (ДОЕ) - количество ионов, поглощенных смолой при фильтрации раствора через слой ее до достижения "проскока" сорбируемого иона, т.е. появления в фильтрате некоторой небольшой концентрации иона (например, 1,0% от исходной концентрации). ДОЕ не является постоянной величиной - она зависит от скорости пропускания раствора через смолу, величины зерен смолы, состава раствора и температуры.Процесс десорбции поглощенного на смоле иона называют элюированием. В результате элюирования поглощенных ионов в случае, если смола достаточно "нагружена", получают элюаты с концентрацией металла в 100 и более раз выше, чем в исходных растворах. Так, например, при исходной концентрации молибдена 0,2-0,3 г/л получают элюаты с содержанием 80-100 г/л Мо (т.е. концентрирование в 300-500 раз). Из растворов, содержащих 0,5-2 г/л U, получают растворы с содержанием 60-70 г/л U.

       Катиониты и аниониты обычно первоначально "заряжают" (насыщают) противоионами определенного  знака. Поэтому принято говорить о катионитах в H⁺-, NH₄^-, Nа⁺- форме и т.д.; об анионитах в SO₄^2-, Сl^-, ОН^- -форме и т.д.

      

      Рисунок 1. Выходные кривые сорбции (а) и элюирования (б).

      1.4 Области применения неорганических ионитов

      Основные  области применения неорганических ионитов определяются их особыми свойствами. Селективностью, термической и радиационной  стойкостью.

      Высокая термостойкость многих неорганических ионитов позволяет применять  их для сорбции из растворов при  высоких температурах.

      Практическое  применения нашли неорганические иониты в процессах ионообменного упрочнения  стекла, для очистки упрочняющего стекло расплава от различных примесей и вытесняемых из стекла катионов.

      Высокая селективность сорбции позволяет  рекомендовать неорганические иониты  для глубокой очистки растворов от примесей электролитов.

      В производстве особо чистых веществ, для очистки реактивов, используемых в варке стекол для волоконной оптики: карбонатов бария и кальция, нитратов бария, кальция и магния.

      Накоплен  большой опыт в применении неорганических ионитов и особенно дешевых природных сорбентов для очистки воды от радиоактивных загрязнений.

      Перспективны  неорганические иониты для извлечения ценных и рассеянных элементов из природных вол, рассолов, морской  воды: урана, бора, стронция, мышьяка, хрома.

      Используются для разделения близких по свойствам элементов, а также для разделения сложных систем, например, для отделения Cu²⁺ от Zn ²⁺ и Co²⁺,  Al ³⁺ от Cr³⁺.

      Важное  практическое применение могут найти  мембраны из неорганических ионитов  в электрохимических процессах, как твердые электролиты с  униполярной ионной проводимостью  и низким электрическим сопротивлением. Мембраны можно получать прессованием тонкодисперсных порошков неорганических ионитов, иногда с последующей термической обработкой.

      Мембраны  применяют в электродиализных установках и электролизерах  (из неорганических ионитов и модифицированных органических мембран).

      Исследование  электрохимических свойств неорганических ионообменных материалов представляет интерес для понимания механизма переноса ионов в твердых электролитах, связи электрохимических и ионообменных характеристик. Твердые электролиты с ионной проводимостью – это материалы необходимые для создания новых источников тока, ионоселективных электродов, преобразователей, запоминающих устройств. 

      2 Экспериментальная  часть

      2.1 Синтез сорбента ГЖ-Х-0,03

      Перед проведением синтеза необходимо определить исходные концентрации растворов  FeCl₃  и K₂CrO_7.

      2.2 Анализ исходного раствора K₂CrO₇

      Отобрали  пипеткой пробу исходного раствора K₂CrO₇ объемом 5 мл, поместили в колбу на 25 мл, разбавили до 100 мл дистиллированной водой. Подкислили анализируемый раствор небольшим количеством соляной кислоты. Добавили KI и несколько капель крахмала. Провели титрование тиосульфатом натрия до исчезновения синей окраски. Результаты анализа представлены в таблице 1.