Выщелачивание (химия)
Выщелачивание – это процесс отделения или извлечения растворенного вещества из вещества-носителя с помощью растворителя . [1]
Выщелачивание — это естественный процесс, который ученые адаптировали для различных применений с помощью различных методов. Конкретные методы экстракции зависят от характеристик растворимости по отношению к материалу сорбента , таких как концентрация, распределение, природа и размер. [1] Выщелачивание может происходить естественным путем из растительных веществ (неорганических и органических), [2] [3] выщелачивание растворенных веществ в почве, [4] и при разложении органических материалов. [5] Выщелачивание также можно эффективно применять для улучшения качества воды и удаления загрязнений. [1] [6] а также для утилизации опасных отходов , таких как летучая зола , [7] или редкоземельные элементы (РЗЭ). [8] Понимание особенностей выщелачивания важно для предотвращения или стимулирования процесса выщелачивания и подготовки к нему в случае, когда оно неизбежно. [2]
На идеальной стадии равновесия выщелачивания все растворенное вещество растворяется растворителем, оставляя носитель растворенного вещества неизменным. [1] Однако процесс выщелачивания не всегда идеален и может быть довольно сложным для понимания и воспроизведения. [6] и часто разные методологии дают разные результаты. [9]
Процессы выщелачивания
[ редактировать ]Существует много типов сценариев выщелачивания; следовательно, масштабы этой темы огромны. [1] [3] [9] Однако в целом эти три вещества можно охарактеризовать как:
Вещества А и В в некоторой степени гомогенны в системе до введения вещества С. [10] В начале процесса выщелачивания вещество C будет растворять поверхностное вещество B с довольно высокой скоростью. [1] Скорость растворения существенно снизится, как только ему потребуется проникнуть через поры вещества А, чтобы продолжить воздействие на вещество Б. [1] Это проникновение часто может привести к растворению вещества А, [1] или продукт более чем одного растворенного вещества, [10] оба варианта неудовлетворительны, если желательно специфическое выщелачивание. следует учитывать физико-химические и биологические свойства носителя и растворенного вещества При наблюдении за процессом выщелачивания , причем некоторые свойства могут быть более важными в зависимости от материала, растворителя и их доступности. [9] Эти конкретные свойства могут включать, помимо прочего:
- Размер частиц [1]
- Растворитель [1]
- Температура [1]
- Агитация [1]
- Площадь поверхности [9]
- Гомогенность носителя и растворенного вещества [9]
- микроорганизмов Активность [9]
- Минералогия [10]
- Промежуточные продукты [10]
- Кристаллическая структура [10]
Общий процесс обычно разбивается на три части: [1]
- Растворение поверхностного растворенного вещества растворителем
- Диффузия внутреннего растворенного вещества через поры носителя для достижения растворителя.
- Перенос растворенного вещества из системы
Процессы выщелачивания биологических веществ
[ редактировать ]Биологические вещества могут подвергаться выщелачиванию самостоятельно, [2] а также использоваться для выщелачивания в составе веществ-растворителей для восстановления тяжелых металлов . [6] Многие растения испытывают выщелачивание фенольных соединений, углеводов и аминокислот , а потеря массы в результате выщелачивания может достигать 30%. [5] только из источников воды, таких как дождь , роса , туман и туман . [2] Эти источники воды считаются растворителями в процессе выщелачивания, а также могут привести к выщелачиванию из растений органических питательных веществ, таких как свободные сахара , пектиновые вещества и сахарные спирты . [2] Это, в свою очередь, может привести к большему разнообразию видов растений, которые могут иметь более прямой доступ к воде. [2] Этот тип выщелачивания часто может привести к удалению нежелательного компонента из твердого вещества водой, этот процесс называется промывкой. [11] Серьезную проблему, связанную с выщелачиванием растений, вызывает пестицидов выщелачивание и их перенос с ливневыми стоками ; [3] это необходимо не только для здоровья растений, но и важно контролировать ситуацию, поскольку пестициды могут быть токсичными для здоровья человека и животных. [3]
Биологическое выщелачивание — это термин, который описывает удаление катионов металлов из нерастворимых руд посредством процессов биологического окисления и комплексообразования . [6] Этот процесс осуществляется в основном для извлечения меди , кобальта , никеля , цинка и урана из нерастворимых сульфидов или оксидов . [6] Процессы биовыщелачивания также можно использовать для повторного использования летучей золы путем восстановления алюминия с помощью серной кислоты . [7]
Процессы выщелачивания летучей золы
[ редактировать ]Угольная зола представляет собой продукт, который при утилизации подвергается сильному выщелачиванию. [7] Хотя повторное использование летучей золы в других материалах, таких как бетон и кирпич, поощряется, большая ее часть в Соединенных Штатах выбрасывается в пруды, лагуны , свалки и отвалы шлака. [7] Все эти свалки содержат воду, промывание которой может вызвать выщелачивание многих различных основных элементов , в зависимости от типа летучей золы и места ее образования. [7] Выщелачивание летучей золы имеет значение только в том случае, если летучая зола не была утилизирована должным образом, как, например, в случае с Кингстонским заводом по производству ископаемых в округе Роан , штат Теннесси. [12] Структурный отказ Кингстонского завода по добыче полезных ископаемых в долине Теннесси привел к массовым разрушениям на всей территории и серьезным уровням загрязнения ниже по течению как рек Эмори , так и рек Клинч . [12]
Процессы выщелачивания в почве
[ редактировать ]Выщелачивание в почве сильно зависит от характеристик почвы, что затрудняет моделирование. [4] Большая часть выщелачивания происходит в результате инфильтрации воды, эффект промывания очень похож на тот, который описан для процесса выщелачивания биологических веществ. [4] [11] Выщелачивание обычно описывается моделями переноса растворенных веществ, такими как закон Дарси , выражениями массового расхода и диффузии -дисперсии. понятиями [4] Выщелачивание в основном контролируется гидравлической проводимостью почвы, которая зависит от размера частиц и относительной плотности , до которой почва уплотнилась под действием напряжения. [4] Диффузия контролируется другими факторами, такими как размер пор и скелет почвы, извилистость пути потока и распределение растворителя (воды) и растворенных веществ. [4]
Выщелачивание для добычи полезных ископаемых
[ редактировать ]Выщелачивание иногда можно использовать для извлечения ценных материалов из продукта/сырья сточных вод. В области минералогии кислотное выщелачивание распространено для извлечения таких металлов, как ванадий, кобальт, никель, марганец, железо и т. д., из сырья/повторно используемых материалов. [13] [14] [15] В последние годы больше внимания уделяется выщелачиванию металлов с целью извлечения драгоценных металлов из отходов. Например, извлечение ценных металлов из сточных вод. [15]
Механизмы выщелачивания
[ редактировать ]Из-за разнообразия процессов выщелачивания существует множество вариаций данных, которые необходимо собрать с помощью лабораторных методов и моделирования, что затрудняет интерпретацию самих данных. [10] Важен не только указанный процесс выщелачивания, но и цель самого эксперимента. Например, основное внимание может быть сосредоточено на механизмах, вызывающих выщелачивание, минералогии в целом или по отдельности или на растворителе, вызывающем выщелачивание. [10] Большинство тестов проводится путем оценки потери массы из-за реагента , нагревания или простого промывания водой. [1] Краткое описание различных процессов выщелачивания и соответствующих им лабораторных испытаний можно просмотреть в следующей таблице:
| Процесс выщелачивания | Лабораторные испытания |
|---|---|
| Удаление фильтрата отходов | Пакетный тест или тест на колонке [9] |
| Выщелачивание из растений | t-тест или тест перестановок [5] |
| Мобилизация катионов металлов | Биологическое выщелачивание [6] |
| Выщелачивание летучей золы | Испарение из пруда-отходника [7] |
| Клеточная экстракция | Легкие нефтяные фракции, растворитель трихлорэтилен или растворитель ацетон/эфир [1] |
| Выщелачивание грубых твердых частиц | Периодический завод [1] |
| Выщелачивание мелких твердых частиц | Перемешивание механической мешалкой или сжатым воздухом [1] |
Экологически чистое выщелачивание
[ редактировать ]Недавняя работа была проведена с целью выяснить, можно ли с некоторым успехом использовать органические кислоты для выщелачивания лития и кобальта из отработанных батарей . Эксперименты, проведенные с различными температурами и концентрациями яблочной кислоты, показывают, что оптимальными условиями являются 2,0 м/л органической кислоты при температуре 90 °С. [16] Реакция имела общую эффективность, превышающую 90%, без вредных побочных продуктов.
- 4 LiCoO 2 (твердый) + 12 C 4 H 6 O 5 (жидкий) → 4 LiC 4 H 5 O 5 (жидкий) + 4 Co(C 4 H 6 O 5 ) 2 (жидкий) + 6 H 2 O (жидкий) ) + O 2 (газ)
Тот же анализ с лимонной кислотой показал аналогичные результаты при оптимальной температуре и концентрации 90 °C и 1,5-молярном растворе лимонной кислоты. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р Ричардсон, Дж. Ф.; Харкер, Дж. Х.; Бэкхерст, младший (2002), Ричардсон, Дж. Ф.; Харкер, Дж. Х.; Бэкхерст, младший (ред.), «ГЛАВА 10 - Выщелачивание» , « Химическая инженерия» (пятое издание) , серия «Химическая инженерия», Butterworth-Heinemann, стр. 502–541, номер документа : 10.1016/b978-0-08-049064-9.50021- 7 , ISBN 9780080490649
- ^ Jump up to: а б с д и ж Тьюки, HB (1970). «Выщелачивание веществ из растений». Ежегодный обзор физиологии растений . 21 (1): 305–324. дои : 10.1146/annurev.pp.21.060170.001513 . ISSN 0066-4294 .
- ^ Jump up to: а б с д Дубус, И.Г.; Бёльке, С.; Браун, компакт-диск (2002). «Калибровка моделей выщелачивания пестицидов: критический обзор и рекомендации по отчетности». Наука борьбы с вредителями . 58 (8): 745–758. дои : 10.1002/ps.526 . ISSN 1526-4998 . ПМИД 12192898 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Аддискотт, ТМ; Вагенет, Р.Дж. (1985). «Концепции выщелачивания растворенных веществ в почвах: обзор подходов к моделированию». Журнал почвоведения . 36 (3): 411–424. дои : 10.1111/j.1365-2389.1985.tb00347.x . ISSN 1365-2389 .
- ^ Jump up to: а б с Барлохер, Феликс (2005), Граса, MAS; Барлохер, Феликс; Гесснер, Миссури (ред.), «ГЛАВА 5 – Выщелачивание», Методы изучения разложения подстилки: Практическое руководство , Springer Нидерланды, стр. 33–36, doi : 10.1007/1-4020-3466-0_5 , ISBN 9781402034664
- ^ Jump up to: а б с д и ж Ровердер, Т.; Герке, Т.; Кинцлер, К.; Сэнд, В. (2003). «Обзор биовыщелачивания, часть A: Прогресс в области биовыщелачивания: основы и механизмы бактериального окисления сульфидов металлов». Прикладная микробиология и биотехнология . 63 (3): 239–248. дои : 10.1007/s00253-003-1448-7 . ISSN 1432-0614 . ПМИД 14566432 . S2CID 25547087 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Айер, Р. (2002). «Поверхностная химия золы выщелачивания угля». Журнал опасных материалов . 93 (3): 321–329. дои : 10.1016/S0304-3894(02)00049-3 . ISSN 0304-3894 . ПМИД 12137992 .
- ^ Jump up to: а б Пилман, С.; Солнце, ЖИ; Ситсма, Дж.; Ян, Ю. (2016), «ГЛАВА 21 — Выщелачивание редкоземельных элементов: обзор прошлых и современных технологий» , Rare Earths Industry , Elsevier, стр. 319–334, doi : 10.1016/b978-0-12-802328- 0.00021-8 , ISBN 9780128023280 , получено 17 октября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Перкет, CL; Вебстер, WC (1981). «Обзор литературы по процедурам периодического лабораторного выщелачивания и экстракции». В Конвее, Р.; Маллой, Б. (ред.). Тестирование опасных твердых отходов: Первая конференция . (Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 1981): ASTM. стр. 7–7–21. дои : 10.1520/stp28826s . ISBN 978-0-8031-0795-3 . ISSN 1040-3094 – через «Испытание опасных твердых отходов: Первая конференция».
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помощь ) CS1 maint: расположение ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д и ж г Проссер, АП (1996). «Обзор неопределенности при сборе и интерпретации данных о выщелачивании». Гидрометаллургия . 41 (2): 119–153. дои : 10.1016/0304-386X(95)00071-N . ISSN 0304-386X .
- ^ Jump up to: а б Геанкоплис, Кристи (2004). Транспортный процесс и принципы разделения . Нью-Джерси: Притворный зал. стр. 802–817. ISBN 978-0-13-101367-4 .
- ^ Jump up to: а б «Разлив шлама угольной летучей золы на заводе Kingston Fossil Plant» , Arc.Ask3.Ru , 18 ноября 2019 г. , получено 21 ноября 2019 г.
- ^ Сюн, Ютинг; Ван, Линг; Ван, Лонг; Ли, Шен; Ян, Гохуа; Цао, Чонг; Лю, Шусянь; Не, Имяо; Цзя, Ланбо (01 июля 2023 г.). «Оптимизация и кинетический анализ прямого кислотного выщелачивания ванадия из конвертерных ванадиевых шлаков при атмосферном давлении» . Минеральное машиностроение . 198 : 108091. doi : 10.1016/j.mineng.2023.108091 . ISSN 0892-6875 . S2CID 258423709 .
- ^ Балаж Иллес, Иштван; Кекеси, Тамаш (01 октября 2023 г.). «Извлечение чистых соединений Co, Ni, Mn и Fe из отработанных литий-ионных аккумуляторов методом восстановительного выщелачивания и комбинированного окислительного осаждения в хлоридных средах» . Минеральное машиностроение . 201 : 108169. doi : 10.1016/j.mineng.2023.108169 . ISSN 0892-6875 .
- ^ Jump up to: а б Гу, Куньхун; Чжэн, Вэйпэн; Дин, Бодонг; Хан, Цзюньвэй; Цинь, Вэньцин (01 августа 2022 г.). «Комплексное извлечение ценных металлов из отходов тройных литиевых аккумуляторов методами обжига и выщелачивания: термодинамические и кинетические исследования» . Минеральное машиностроение . 186 : 107736. doi : 10.1016/j.mineng.2022.107736 . ISSN 0892-6875 . S2CID 250639975 .
- ^ Ли, Ли; Цзин Гэ; Ренджи Чен; Фэн Ву; Ши Чен; Сяосяо Чжан (2010). «Экологически чистый реагент для выщелачивания для извлечения кобальта и лития» . Международный журнал комплексного управления отходами, науки и технологий . Управление отходами. 30 (12): 2615–2621. дои : 10.1016/j.wasman.2010.08.008 . ПМИД 20817431 . Проверено 22 декабря 2011 г.
- ^ Ли, Ли; Цзин Гэ; Фэн Ву; Ренджи Чен; Ши Чен; Боронг Ву (2010). «Восстановление кобальта и лития из отработанных литий-ионных аккумуляторов с использованием органической лимонной кислоты в качестве выщелачивателя». Журнал опасных материалов . 176 (1–3): 288–293. дои : 10.1016/j.jhazmat.2009.11.026 . ПМИД 19954882 . S2CID 17075350 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
