Методы получения особо чистых неорганических веществ - Степин Б.Д.
Скачать (прямая ссылка):
В технологии неорганических веществ предложено использовать экстракцию главным образом как метод разделения близких по свойствам металлов:редкоземельных элементов, циркония и гафиия, ниобия и тантала, хрома и ванадия, никеля и кобальта. Однако наибольшее развитие экстракция получила в многочисленных технологических схемах, используемых в производстве материалов для ядерной энергетики. Приготовление основных исходных веществ и вспомогательных материалов, а также процессы регенерации продуктов распада, образующихся в атомном реакторе, в значительной мере основываются на экстракции.
Ввиду того, что к чистоте ряда материалов, используемых в ядерной энергетике, предъявляются достаточно высокие требования, понадобилось разрабатывать экстракционные процессы таким образом, чтобы они обеспечивали не только разделение близких по свойствам элементов, но и эффективное удаление из выделяемых продуктов достаточного числа микропримесей. Следовательно, производство атомного горючего и вспомогательных материалов — первый пример промышленного применения экстракции как метода получения неорганических веществ особой чистоты.
Бурное развитие атомной энергетики и комплекса всех связанных с этой проблемой вопросов, в том числе экстракционных процессов разделения и очистки, послужило причиной фундаментальных исследований как в области технологии экстракции*, так и в области общих основ процесса — прежде всего,
* По общим вопросам технологии экстракции, а также описаниям отдельных экстракционных процессов можно рекомендовать книги [2, 3].
. 295
294
математической и инженерной теориях экстракции*. Видная роль в развитии этой области химической технологии принадлежит советским ученым А. М. Розену, Б. Н. Ласкорину, В. В. Фомину, В. И. Кузнецову и др.
Несмотря на широкие возможности экстракционного метода, число примеров использования этого процесса при получении веществ особой чистоты сравнительно невелико. По-видимому, это связано со спецификой получения особо чистых веществ, которая предъявляет дополнительные требования к экстраген-там и условиям проведения экстракционных процессов. Прежде всего, очищая целевой продукт от одних примесей, необходимо избежать внесения каких-либо иных загрязнений. Растворенный экстрагент должен легко и полностью удаляться. Необходимо также, чтобы его можно было легко получить в достаточно чистом состоянии. Далее, если при процессах разделения или извлечения, осуществляемых с использованием экстракционных методов, ценность экстрагента обусловливается прежде всего его селективностью по отношению к целевому соединению, то при экстракционных способах очистки веществ следует отдать предпочтение более универсальным экстрагентам, которые обеспечивают удаление из продукта большинства присутствующих примесей.
Следствием того, что экстракция еще не нашла должного применения среди других методов ультраочистки, является известный пробел в теории поведения микропримесей при экстракционном процессе. Так проблемам соэкстрагирования следов элементов, исследованиям факторов, влияющих на степень извлечения микропримесей, изучению взаимного влияния совместно присутствующих микропримесей на их распределение в экстракционных системах посвящено лишь незначительное количество работ. Развитие исследований в этой области поможет теоретически обосновать технологические изыскания с целью широкого внедрения экстракции в промышленную и препаративную практику получения веществ особой ЧИСТОТЫ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ
Механизм экстракционного процесса определяется диффузией молекул растворенного вещества в одной из фаз к поверхности раздела, через поверхность раздела и во второй фазе. При этом у поверхности контакта фаз существует диффузионный пограничный слой, в котором происходит резкое изменение концентрации извлекаемого элемента. Перенос молекул растворенного вещества продолжается до установления равновесия.
* Теории экстракции, проблемам аппаратурного оформления и расчета экстракционных процессов посвящены монографии [4—6].
296
Важнейшей величиной, характеризующей экстракционное равновесие, является коэффициент распределения. Коэффициентом распределения Б называется отношение концентрации вещества в органической фазе к его концентрации в водной фазе в равновесных условиях независимо от формы существования этого вещества в той или другой фазе. Как известно, условие любого фазового равновесия — равенство химических потенциалов распределяемого вещества в обеих фазах:
1*води = [*орг
Так как химический потенциал \х = Цр,Т, с), то при неизменных первых двух факторах, а также при постоянном содержании прочих компонентов будет справедливо соотношение ?0рг = /(Своди), которому отвечает так называемая изотерма экстракции, изображающая зависимость концентрации вещества в органической фазе от концентрации его в водной фазе.
Знание изотермы экстракции позволяет проводить процесс в наивыгоднейших условиях, т. е. при достаточно приемлемых значениях коэффициента распределения в области высоких концентраций, что дает возможность при заданной производительности уменьшить расход экстрагента и повысить производительность установки. В связи с этим большое значение может иметь попытка количественного расчета изотерм экстракции на основании теоретического расчета коэффициентов активности и констант равновесия химической реакции взаимодействия экстрагируемого вещества с экстрагентом или реагентом, находящимся в органической фазе. Для этого с успехом могут быть использованы термодинамические методы, а также теория растворов [7].
