stringtranslate.com

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 образом из-за растительных веществ (неорганических и органических), [2] [3] выщелачивания растворенных веществ в почве, [4] и при разложении органических материалов. [5] Выщелачивание также может эффективно применяться для улучшения качества воды и удаления загрязнений, [1] [6] , а также для удаления опасных отходов , таких как летучая зола , [7] или редкоземельные элементы (РЗЭ). [8] Понимание характеристик 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]

Выщелачивание, происходящее в цементной стене из-за естественных погодных явлений.

Процессы выщелачивания

Существует много типов сценариев выщелачивания; следовательно, масштабы этой темы огромны. [1] [3] [9] Однако в целом эти три вещества можно охарактеризовать как:

Вещества A и B в некоторой степени гомогенны в системе до введения вещества C. [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 вещества Б. [1] Это проникновение часто может привести к растворению вещества А, [1] или продукта более одного растворенного вещества, [10] оба неудовлетворительны, если желательно специфическое выщелачивание. При наблюдении за процессом выщелачивания следует учитывать физико-химические и биологические свойства носителя и растворенного вещества , причем некоторые свойства могут быть более важными в зависимости от материала, растворителя и их доступности. [9] Эти конкретные свойства могут включать, помимо прочего:

Общий процесс обычно разбивается на три части: [1]

  1. Растворение поверхностного растворенного вещества растворителем
  2. Диффузия внутреннего растворенного вещества через поры носителя для достижения растворителя.
  3. Перенос растворенного вещества из системы

Процессы выщелачивания биологических веществ

Биологические вещества могут подвергаться выщелачиванию сами [2] , а также использоваться для выщелачивания в составе веществ-растворителей для извлечения тяжелых металлов . [6] Многие растения испытывают выщелачивание фенольных соединений, углеводов и аминокислот и могут испытывать потерю до 30% массы в результате выщелачивания, [5] только из таких источников воды, как дождь , роса , туман и туман . [2] Эти источники воды считаются растворителем в процессе выщелачивания, а также могут привести к выщелачиванию органических питательных веществ из растений, 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] Основная проблема, связанная с вымыванием растений, заключается в том, что пестициды выщелачиваются и переносятся через ливневые стоки ; [3] это необходимо не только для здоровья растений, но и важно контролировать, 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 проводится 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

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 часть ее в Соединенных Штатах утилизируется в прудах, лагунах , свалках и отвалах 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 по всей территории и серьезному уровню загрязнения ниже по течению как реки Эмори, так и реки Клинч . [12]

Процессы выщелачивания в почве

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 понятиями диффузии -дисперсии. [4] Выщелачивание в основном контролируется гидравлической проводимостью почвы, которая зависит от размера частиц и относительной плотности , до которой почва консолидировалась 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

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 для извлечения драгоценных металлов из отходов. Например, извлечение ценных металлов из сточных вод. [15]

Механизмы выщелачивания

Из-за разнообразия процессов выщелачивания существует множество различий в данных, которые необходимо собрать с помощью лабораторных методов и моделирования, что затрудняет интерпретацию самих данных. [10] Важен не только указанный процесс выщелачивания, но и направленность самого эксперимента. Например, основное внимание может быть направлено на механизмы, вызывающие выщелачивание, минералогию в целом или по отдельности или на растворитель, вызывающий 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:

Экологически чистое выщелачивание

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 °С и 1,5-молярном растворе лимонной кислоты. [17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdefghijklmnopqr 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
  2. ^ abcdef Тьюки, HB (1970). «Выщелачивание веществ из растений». Ежегодный обзор физиологии растений . 21 (1): 305–324. doi : 10.1146/annurev.pp.21.060170.001513. ISSN  0066-4294.
  3. ^ abcd 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/пс.526. ISSN  1526-4998. ПМИД  12192898.
  4. ^ abcdef Аддискотт, ТМ; Вагенет, Р.Дж. (1985). «Концепции выщелачивания растворенных веществ в почвах: обзор подходов к моделированию». Журнал почвоведения . 36 (3): 411–424. doi :10.1111/j.1365-2389.1985.tb00347.x. ISSN  1365-2389.
  5. ^ abc Bärlocher, Феликс (2005), Граса, MAS; Барлохер, Феликс; Гесснер, Миссури (ред.), «ГЛАВА 5 – Выщелачивание», Методы изучения разложения подстилки: практическое руководство , Springer Нидерланды, стр. 33–36, номер документа : 10.1007/1-4020-3466-0_5, ISBN 9781402034664
  6. ^ abcdef Ровердер, Т.; Герке, Т.; Кинцлер, К.; Сэнд, В. (2003). «Обзор биовыщелачивания, часть A: Прогресс в биовыщелачивании: 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. PMID  14566432. S2CID  25547087.
  7. ^ abcdef 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.
  8. ^ Аб 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.
  9. ^ abcdefg 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 )
  10. ^ abcdefg Проссер, AP (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.
  11. ^ аб Геанкоплис, Кристи (2004). Транспортный процесс и принципы разделения . Нью-Джерси: Притворный зал. стр. 802–817. ISBN 978-0-13-101367-4.
  12. ^ ab «Разлив шлама угольной золы на заводе по производству ископаемых в Кингстоне», Википедия , 18 ноября 2019 г. , получено 21 ноября 2019 г.
  13. ^ 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.
  14. ^ 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.
  15. ^ Аб Гу, Куньхун; Чжэн, Вэйпэн; Дин, Бодонг; Хан, Цзюньвэй; Цинь, Вэньцин (01 августа 2022 г.). «Комплексное извлечение ценных металлов из отходов тройных литиевых батарей путем обжига и выщелачивания: термодинамические и кинетические исследования». Минеральное машиностроение . 186 : 107736. doi : 10.1016/j.mineng.2022.107736. ISSN  0892-6875. S2CID  250639975.
  16. ^ 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. doi :10.1016/j.wasman.2010.08.008. ПМИД  20817431 . Проверено 22 декабря 2011 г.
  17. ^ 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. PMID  19954882. S2CID  17075350.