Способ разделения смесей веществ
. l
О П И С А И И Е 657834
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДВТИЛЬСТВУ
Со1оз Советсиин
Социалистически»
Республик (61) Дополнительное к авт. свил-ву и 37301 (22) Заявлено 10. 08. 76 (21) 2396171/23-26 с присоединением заявки №вЂ” (23) ПриоритетОпубликовано25.04.79. Бюллетень №15
Дата опубликования описания 25.04.79. г (5l) М. Кл.
В О! J 1/04
Государственный квинтет
СССР нв делам нзабретеннй н аткрытнй (SS) УДК 54 .183. 4 (088.8) (72} Авторы изобретения
В. И. Горшков, М. В. Иванова и В. А. Иванов
P l) Заявитель
Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет имени М. В. Ломоносова (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ ВЕЩЕСТВ
Изобретение относится к способам разделения смесей веществ, очистки веществ и извлечения ценных компонентов из смесей ионным обме-. ном и может быть использовано для разделения смесей близких по свойствам веществ и извлечения ценных элементов из растворов.
Известен способ разделения смесей веществ ионным обменом в установке из двух противоточных колонн, в одной из которых осуществляют фронтальное разделение раствора смеси с получением слабее сорбируемого компонента, а в другой -- вытеснение разделяемых ионов из полученного в первой колонне ионнта с накоплением сильнее сорбируе мого компонента 11) .
Недостатком этого способа является необходимость применения вспомогательных ионов для обеспечения циркуляции обогащенных потоков, что приводит к затратам реактивов, к дополнительным операциям регенерации ионита и вспомогательного электролита, к циркуляции в системе дополнительного количества ионита, Кроме того, в ряде случаев трудно или невозможно подобрать подходящие вспомогательные ионы.
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разделения смесей веществ по авт.св. N 373012.ионным обменом, заключающийся в том, что разделяемую смесь последовательно пропускают через вспомогательную и разделительную секции колонны противотоком к циркулирующему иониту, насыщенному разделяемыми ионами, в условиях, при которых селективность ионита по отношению к извлекаемому компоненту во вспомогательной секции меньше, чем в разделительной, причем с целью одновременного получения двух крайних по сорбируемости. компонентов смеси раствор после извлечения одного компонента в первой колонне подают во вторую колонну н выходящий из нее раствор после извлечения другого компонента вместе с дополнительным количеством питающего раствора подают в первую колонну.
Недостатками известного способа является необходимость создания в секциях колонн ychoвий, обеспечивающих значительные различия в величинах однократных коэффициентов разделения (д--, — A-), так как эта разность опреде3S ляет производительность, и необходимость поддержания постоянства скоростей движения фаз с высокой точностью, TBK как разделение достигается в достаточно узком интервале соотношений потоков разделяемых ионов с рас1вором L u ионитом $, который в случае линейной изотермы равновесия о предел я ется соотно шени ем к
А- (— (оС- (7)
У где oL= —, N u n — эквивалентные доли сильй 30 нее сорбируемого компонента смеси в ионите и растворе.
Целью изобретения является усовершенствование способа разделения смесей веществ по авторскому свидетельству И 373012, обеспечиваю- щее увеличение производительности процесса и расширение интервала соотношений потоков фаз, при которых происходит эффективное разделение.
Поставленная цель достигается способом, вклю20 чающим разделение смесей веществ с использованием полифункционального ионита, преимущественно катионита или анионита, содержащего разделяемые ионы при рН раствора, обеспечивающем в одной колонне вытестение разделяе25 мых ионов из части обменных групп ионита, а: в другой — дополнительную сорбцию разделяемых ионов.
Предпочтительным является осуществление вытеснения разделяемых ионов в одной колонне, при рН 5-1 (в случае: использования катионита) и рН 9-14 (в случае анионита) и осуществление сорбции в другой колонне при рН 11-14 (в случае использования катионита) и при рН 0,1 — 3,0 (в случае использования анионита); при этом ионит после первой колонны направляют во вторую, а после второй — в первую, а часть раствора (преимущественно 0,5-0,9), выходящего из колонны, в которой получают слабее сорбируемый компонент, возвращают для питания этой же колонны.
Дпя осуществления предложенного способа целесообразнее использовать из полифункциональных ионитов (например, из сульфофеноль-. ных катионитов КУ вЂ” 1, вофатита F, амберлита
JR — 100 и др.) отечественный катионит КУ вЂ” 1, который при одинаковой обменной емкости более избирателен к ионам R6 и Cs. Ha чертеже изображена схема разделения смесей веществ, по которой осуществляют предложенный спо50 соб, где 1 и 2 — противоточные ионообменные колонны;о и о -равновесные коэффициенты однократного разделения компонентов смеси при использовании полной сорбционной способности и сорбционной способности только по сильнодиссоциирующим группам соответственно; — поток разделяемой смеси с подаваемым в колонну 1; L<0 — поток.разделяемой смеси с выходящим из колонны 1 раствоLg ц поток j33эделясмои ОМЕоН с полаF яаемым н колонну 2 раствором; L> — поток
1разделяемой смеси с выходящим из колонны 2 раствором; Б;, . поток разделяемой смеси с подаваемой в колонну ионитом; S1 — поток разделяемой смеси с подаваемым в колонну 2 ионитом, В колонну 1 сверху подают НоННТ, насьпцснный только по сильнодиссоциирующим группам, снизу — щелочной (в случае катионита) .или кислотный (в случае анионита) раствор разделяемой смеси, Скорости движения фаз подбирают так, чтобы граница между щелочным (кислотным) и нейт. ральным растворами удерживалась в середине колонны. На зтой границе происходит сорбция разделяемых ионов слабодиссоциируюшими группами ионита. Вблизи границы происходит концентрирование слабее сорбируемого компонента смеси.
Выходящий из колонны 1 нейтральный раствор, в котором отношение концентраций разделяемых ионов близко к отношению в подаваемом растворе, подкисляют в случае разделения катионов: (или подщелачивают при разделении анионов) и направляют в колонну 2, в которую сверху подают ионит, вышедший из колонны 1.
Скорость движения фаз подбирают так, чтобы граница между зонами с кислотным и щелочным растворами, на которой осуществляют десорбцию разделяемых ионбв из слабодиссоциированных групп ионита, оставалась неподвижной относительно стенок колонны. Вблизи этой границы происходит накопление сильнее сорбируемого компонента смеси.
Выходящий из колонны 2 ионит направляют в колонну 1. Выходящий из колонны 2 раствор после подщелачивания (при разделении катионов) или подкисления (при разделении анионов) направляют в колонну 1. Операции подщелачивания или подкисления выходящего из колонны
2 раствора удобно осуществлять, пропуская часть раствора через анионит в 0Н-форме или катионит в Н-форме.
Накопленные и сконцентрированнь1е компоненты смеси отбирают из средней части колонн, а дополнительное количество исходной смеси добавляют либо к раствору, подаваемому в первую колонну (как показано на схеме), либо к раствору, подаваемому во вторую колонну.
Скорость накопления каждого из вьщеляемых компонентов и производительность определяются наряду с величиной потока разделяемой смеси и содержанием в нем выделяемого компонента выражением (K < — 1) — (oL< — 1) Ia, где сь- отношение полной сорбционной емкос1и ионита к емкости по сильнодиссоциируюшим группам, oL. -, — однократный равновесный коэффициент разделения смеси при обмене с участием всех
657834
> руин >«>!<>
11<>ск<»и,ку<з =1, <о производительность предлагаемого сиособа больше производительности известии<о.
11риа(>1 различия вА-> l (>1 обязательным условием, определяющим возможность и эффективность разделения. Основными факторами становятся величинь<сь-и <Х. Так как А-и Сьотличаются от единицы, то разделение < происходит и при ф;=о ;,. Область соотношений подаваемых в колонну потоков, при которых возможно эффективное разделение, определяется при получении слабее сорбируемого компонента неравенствами о<.-„4" (й -1)g 4, А.-,4 (Я) L„-„ S.а при получении сильнее сорбируемого компонента неравенствами "<>(< -= Л>. с5 Сравнение неравенств (2) и (1) показывает, что в предлагаемом способе область соотношений потоков значительно увеличивается ио сравнению с известным. Пример. Разделение цезия и рубидия. Используют две противоточные колонны диаметром 25 мм и высотой 200 см, в которых нонит движется сверху вниз под действием силы тяжести навстречу потоку раствора. Разделение проводят на сульфофенольйом катионите КУ вЂ” 1 (зернение 0,08 — 0,25 мм). Выходящий из нижней части каждой колонны ионит направляют в верхнюю часть другой колонны. В колонну поступает ионит, насыщенный по сульфогруппам ионами цезия и рубидия (1:1) . Снизу подают эквинормальный раствор солей и щелочей цезия и рубидия с общей концентрацией нитратов 0,207 н. и щелочей 0316 н. Для обмена из нейтральных (и кислых) растворов .a(>- =1,6, для обмена из щелочных <>(- =1,9. Отношение сорбционных емкостей для использованных условий а=2,9. При скоростях подачи раствора 70 мл/ч и ионита 22 мл/ч в средней части колонны на границе между зонами с щелочным и нейтральным растворами концентрация рубидия увеличивается, а концентрация цезия уменьшается. Через 190 ч обогащенная зона занимает всю нижнюю часть колонны. Концентрация рубидия в отбираемом из этой эоны растворе 0,46 и., концентрация цезия менее 0,01 н. I<," выходящему из колонны 1 нейтральному раствору, суммарная концентрация которого 0,207 н., а отношение концентраций цезия и рубидия близко к единице, добавляют уксусную 5 кислоту (CK ты=2,25 н.). После этого раствор подают в колонну 2 со скоростью 10 мл/ч. Скорость подачи нонита 28 мл/ч. В средней части колонны происходит увеличение концентрации цезия и уменьшение концентрации,рубидия. Мак10 симальный коэффициент обогащения цезием через I50 ч около 40. Выходящий из колонны 2 слабошелочной раствор после добавления к нему части выходящего из колонны 1 раствора (16мл/ч) и доведения концентраций соли и щелочи до 15 указанных величин направляют в колонну 1. Таким образом, предложенный способ позволяет непрерывно извлекать и концентрировать оба компонента смеси. При этом производительность его выше, чем производительность извест20 ного метода; интервал соотношений потоков, в котором можно получать эффективное разделение, шире, чем в известном методе, Формула изобретения 1 Способ разделения смесей веществ по авт. св, И 373012, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности и расширения интервала соотношений потоков фаз, при которых происходит эффективное разделение, раствор разделяемой смеси пропускают через полифункциональный ионит, преимущественно катионит или анионит, содержащий разделяемые ионы, при рН раствора, обеспечивающем в одной колонне вьпеснение разделяемых ионов из час-. ти обменных групп ионита, а в другой — дополнительную сорбцию разделяемых ионов. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что вытеснение разделяемых ионов в одной колонне осуществляют при рН 5 — l (в случае использования катионита) и рН 9 — 14 (в случае— анионита), а сорбцию в другой колонне осуществляют при рН 11 — 14 (в случае использования катионита) и рН 0,1 — 3,0 (в случае анионита) . 4 3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что ионит после первой колонны направляют во вторую, а после второй направляют в первую. 4. Способ по п. 1, о т и и ч а ю ш и и с я тем, что часть раствора (преимущественно 0,5— 50 0,9), выходящего из колонны, в которой получают слабее сорбируемый компонент, возвращают для питания этой же колонны. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Горшков В.И. и др. Непрерывныи противоточный ионообменный метод разделения. Доклады АН СССР, т. 193, I>I 3, с. 643 645, 1962. Полностью. ндсыщенный ионигп Составитель С. Якунин Редактор О. Стенина . Т . ехред Н.Бабурка Корректор В.Синицкая Заказ !928/5 Тираж 876 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретениЯ и открытиЯ 1!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "П "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
