stringtranslate.com

Выщелачивание (химия)

Выщелачивание – это процесс отделения или извлечения растворенного вещества из его носителя с помощью растворителя . [1]

Выщелачивание — это естественный процесс, который ученые адаптировали для различных применений с помощью различных методов. Конкретные методы экстракции зависят от растворимых характеристик относительно сорбирующего материала, таких как концентрация, распределение, природа и размер. [1] Выщелачивание может происходить естественным образом из растительных веществ (неорганических и органических), [2] [3] выщелачивание растворенных веществ в почве, [4] и при разложении органических материалов. [5] Выщелачивание также может применяться для улучшения качества воды и удаления загрязняющих веществ, [1] [6], а также для утилизации опасных отходов , таких как летучая зола , [7] или редкоземельные элементы (РЗЭ). [8] Понимание характеристик выщелачивания важно для предотвращения или поощрения процесса выщелачивания и подготовки к нему в случае, если он неизбежен. [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 методики дают разные результаты. [9]

Выщелачивание, происходящее в цементной стене из-за естественных выветривания.

Процессы выщелачивания

Существует много типов сценариев выщелачивания, поэтому объем этой темы огромен. [1] [3] [9] Однако в целом эти три вещества можно описать следующим образом:

Вещества A и B в некоторой степени однородны в системе до введения вещества C. [10] В начале процесса выщелачивания вещество C будет работать над растворением поверхностного вещества B с довольно высокой скоростью. [1] Скорость растворения существенно снизится, как только ему потребуется проникнуть через поры вещества A, чтобы продолжить нацеливание на вещество B. [1] Это проникновение часто может приводить к растворению вещества A, [1] или продукта более чем 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 , и некоторые свойства могут быть более важными в зависимости от материала, растворителя и их доступности. [9] Эти специфические свойства могут включать, но не ограничиваются:

Общий процесс обычно разбивается и обобщается на три части: [1]

  1. Растворение поверхностного раствора 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 сами подвергаться выщелачиванию [2] , а также использоваться для выщелачивания в качестве части растворяющего вещества для восстановления тяжелых металлов . [6] Многие растения подвергаются выщелачиванию фенолов, углеводов и аминокислот и могут испытывать до 30% потери массы от выщелачивания [5] только из таких источников воды, как дождь , роса , туман и дымка . [2] Эти источники воды будут считаться растворителем в процессе выщелачивания и также могут приводить 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 испытывать более прямой доступ к воде. [2] Этот тип выщелачивания часто может приводить к удалению нежелательного компонента из твердого вещества водой, этот процесс называется промывкой. [11] Основная проблема выщелачивания 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]

Биовыщелачивание — это термин, который описывает удаление катионов металлов из нерастворимых руд с помощью процессов биологического окисления и комплексообразования . [6] Этот процесс в основном применяется для извлечения меди , кобальта , никеля , цинка и урана из нерастворимых сульфидов или оксидов . [6] Процессы биовыщелачивания также могут использоваться для повторного использования летучей золы путем восстановления алюминия с помощью серной кислоты . [7]

Процессы выщелачивания летучей золы

Летучая зола угля — это продукт, который подвергается сильному выщелачиванию во время утилизации. [7] Хотя повторное использование летучей золы в других материалах, таких как бетон и кирпичи, поощряется, большая ее часть в Соединенных Штатах все еще утилизируется в прудах-отстойниках, лагунах , свалках и шлаковых кучах. [7] Все эти места утилизации содержат воду, где эффекты промывки могут вызвать выщелачивание многих различных основных элементов , в зависимости от типа летучей золы и места ее возникновения. [7] Выщелачивание летучей золы вызывает беспокойство только в том случае, если летучая зола не была утилизирована должным образом, как, например, в случае с заводом по производству ископаемых в Кингстоне в округе Роан , штат Теннесси. [12] Разрушение конструкции завода по производству ископаемых в Кингстоне, организованное Управлением долины Теннесси, привело к масштабным разрушениям по всей территории и серьезным уровням загрязнения ниже по течению как рек Эмори , так и рек Клинч . [12]

Процессы выщелачивания в почве

Выщелачивание в почве сильно зависит от характеристик почвы, что затрудняет моделирование. [4] Большая часть выщелачивания происходит из-за инфильтрации воды, промывочного эффекта, очень похожего 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 пониманием диффузии -дисперсии. [4] Выщелачивание в значительной степени контролируется гидравлической проводимостью почвы, которая зависит от размера частиц и относительной плотности , до которой почва была консолидирована посредством 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 извлечения полезных ископаемых

Выщелачивание иногда может использоваться для извлечения ценных материалов из сточных вод/сырья. В области минералогии кислотное выщелачивание является обычным для извлечения металлов, таких как ванадий, кобальт, никель, марганец, железо и т. д. из сырья/повторно используемых материалов. [13] [14] [15] В последние годы все больше внимания уделяется выщелачиванию металлов для извлечения драгоценных металлов из отходов. Например, извлечение ценных металлов из сточных вод. [15]

Механизмы выщелачивания

Из-за ассортимента процессов выщелачивания существует множество вариаций 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 фокус самого эксперимента. Например, фокус может быть направлен на механизмы, вызывающие выщелачивание, минералогию как группу или индивидуально, или растворитель, который вызывает выщелачивание. [10] Большинство испытаний проводятся путем оценки потери массы из-за реагента , тепла или просто промывки водой. [1] Сводка различных процессов выщелачивания и соответствующих им лабораторных испытаний представлена ​​в следующей таблице:

Экологически безопасное выщелачивание

Недавно была проведена некоторая работа, чтобы выяснить, можно ли использовать органические кислоты для выщелачивания лития и кобальта из отработанных батарей с некоторым успехом. Эксперименты, проведенные с различными температурами и концентрациями яблочной кислоты, показывают, что оптимальными условиями являются 2,0 м/л органической кислоты при температуре 90 °C. [16] Реакция имела общую эффективность, превышающую 90%, без вредных побочных продуктов.

4 LiCoO2 ( твердое тело) + 12 C4H6O5 ( жидкость ) → 4 LiC4H5O5 ( жидкость ) + 4 Co( C4H6O5 ) 2 ( жидкость ) + 6H2O ( жидкость ) + O2 ( газ )

Тот же анализ с лимонной кислотой показал схожие результаты при оптимальной температуре и концентрации 90 °C и 1,5-молярном растворе лимонной кислоты. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmnopqr Ричардсон, Дж. Ф.; Харкер, Дж. Х.; Бэкхерст, Дж. Р. (2002), Ричардсон, Дж. Ф.; Харкер, Дж. Х.; Бэкхерст, Дж. Р. (ред.), "ГЛАВА 10 - Выщелачивание", Химическая инженерия (пятое издание) , Серия «Химическая инженерия», Баттерворт-Хайнеманн, стр. 502–541, doi :10.1016/b978-0-08-049064-9.50021-7, ISBN 9780080490649
  2. ^ abcdef Tukey, HB (1970). «Выщелачивание веществ из растений». Annual Review of Plant Physiology . 21 (1): 305–324. doi :10.1146/annurev.pp.21.060170.001513. ISSN  0066-4294.
  3. ^ abcd Дубус, IG; Белке, S.; Браун, CD (2002). «Калибровка моделей выщелачивания пестицидов: критический обзор и руководство по отчетности». Pest Management Science . 58 (8): 745–758. doi :10.1002/ps.526. ISSN  1526-4998. PMID  12192898.
  4. ^ abcdef Addiscott, TM; Wagenet, RJ (1985). «Концепции выщелачивания растворенных веществ в почвах: обзор подходов к моделированию». Journal of Soil Science . 36 (3): 411–424. doi :10.1111/j.1365-2389.1985.tb00347.x. ISSN  1365-2389.
  5. ^ abc Bärlocher, Felix (2005), Graça, MAS; Bärlocher, Felix; Gessner, MO (ред.), "ГЛАВА 5 - Выщелачивание", Методы изучения разложения подстилки: практическое руководство , Springer Netherlands, стр. 33–36, doi :10.1007/1-4020-3466-0_5, ISBN 9781402034664
  6. ^ abcdef Rohwerder, T.; Gehrke, T.; Kinzler, K.; Sand, W. (2003). "Обзор биовыщелачивания, часть A: Прогресс в биовыщелачивании: основы и механизмы бактериального окисления сульфидов металлов". Applied Microbiology and Biotechnology . 63 (3): 239–248. doi :10.1007/s00253-003-1448-7. ISSN  1432-0614. PMID  14566432. S2CID  25547087.
  7. ^ abcdef Айер, Р. (2002). «Поверхностная химия летучей золы выщелачивания угля». Журнал опасных материалов . 93 (3): 321–329. doi :10.1016/S0304-3894(02)00049-3. ISSN  0304-3894. PMID  12137992.
  8. ^ ab Peelman, S.; Sun, ZHI; Sietsma, J.; Yang, Y. (2016), «ГЛАВА 21 — Выщелачивание редкоземельных элементов: обзор прошлых и настоящих технологий», Rare Earths Industry , Elsevier, стр. 319–334, doi :10.1016/b978-0-12-802328-0.00021-8, ISBN 9780128023280, получено 2019-10-17
  9. ^ abcdefg Perket, CL; Webster, WC (1981). "Обзор литературы по процедурам выщелачивания и экстракции в периодической лаборатории". В Conway, R.; Malloy, B. (ред.). Hazardous Solid Waste Testing: First Conference . (West Conshohocken, PA: ASTM International 1981): ASTM. стр. 7–7–21. doi :10.1520/stp28826s. ISBN 978-0-8031-0795-3. ISSN  1040-3094 – через Тестирование опасных твердых отходов: Первая конференция. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )CS1 maint: местоположение ( ссылка )
  10. ^ abcdefg Проссер, А. П. (1996). «Обзор неопределенности в сборе и интерпретации данных по выщелачиванию». Гидрометаллургия . 41 (2): 119–153. doi :10.1016/0304-386X(95)00071-N. ISSN  0304-386X.
  11. ^ ab Geankoplis, Christie (2004). Принципы процесса транспортировки и разделения . NJ: Pretence Hall. стр. 802–817. ISBN 978-0-13-101367-4.
  12. ^ ab "Разлив угольной летучей золы на заводе по переработке ископаемых в Кингстоне", Википедия , 18.11.2019 , получено 21.11.2019
  13. ^ Сюн, Юйтин; Ван, Лин; Ван, Лонг; Ли, Шэнь; Ян, Гохуа; Цао, Чун; Лю, Шусянь; Ни, Имяо; Цзя, Ланьбо (2023-07-01). "Оптимизация и кинетический анализ прямого кислотного выщелачивания ванадия из конвертерного ванадиевого шлака при атмосферном давлении". Minerals Engineering . 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 путем восстановительного выщелачивания и комбинированного окислительного осаждения в хлоридных средах». Минеральное машиностроение . 201 : 108169. doi : 10.1016/j.mineng.2023.108169 . ISSN  0892-6875.
  15. ^ ab Gu, Kunhong; Zheng, Weipeng; Ding, Bodong; Han, Junwei; Qin, Wenqing (2022-08-01). "Комплексное извлечение ценных металлов из отходов тройных литиевых батарей путем обжига и выщелачивания: термодинамические и кинетические исследования". Minerals Engineering . 186 : 107736. doi : 10.1016/j.mineng.2022.107736. ISSN  0892-6875. S2CID  250639975.
  16. ^ Ли, Ли; Цзин Гэ; Жэньцзе Чэнь; Фэн У; Ши Чэнь; Сяосяо Чжан (2010). «Экологически чистый выщелачивающий реагент для восстановления кобальта и лития». Международный журнал по комплексному управлению отходами, науке и технологиям . Управление отходами. 30 (12): 2615–2621. doi :10.1016/j.wasman.2010.08.008. PMID  20817431. Получено 22 декабря 2011 г.
  17. ^ Ли, Ли; Цзин Гэ; Фэн Ву; Жэньцзе Чен; Ши Чен; Боронг Ву (2010). «Восстановление кобальта и лития из отработанных литий-ионных батарей с использованием органической лимонной кислоты в качестве выщелачивающего агента». Журнал опасных материалов . 176 (1–3): 288–293. doi :10.1016/j.jhazmat.2009.11.026. PMID  19954882. S2CID  17075350.