CHEMICKÉ TECHNOLOGIE PRO PROCESNÍ INŽENÝRSTVÍ N409059 Obecné principy Procesní aspekty Chemismus Činidla Zařízení Příklady použití Výroba uranu Výroba kobaltu Zdroje informací
Obecné principy Většina průmyslových procesů souvisí se zpracováním kovů Cílem je jejich zakoncentrování nebo separace Získávání a čištění kovů: U, In, Tl, Ge, Te, V, W, Cu Vzájemná separace: Zn Hf, Co Ni, Mo Re, Eu Y Nemetalurgickým příkladem je extrakce kyseliny fosoforečné OBECNÝ PRINCIP: 1: Extrakce 2: Reextrakce 3: Regenerace extrakčního činidla F: Vstupující roztok (vodný) V0: Extrakční činidlo (organické) V1: Extrakt (organický) V2: Ochuzený extrakt (organický) L0: Reextrahující vodná fáze (obvykle specifické ph) L2: Koncentrát (vodný)
Procesní aspekty Rozpouštědlo je tvořeno vlastním reaktivním činidlem rozpuštěným v nosné fázi nemísitelné s vodou, typicky v uhlovodících (kerosín) Do rozpouštědla se přidávají látky podporující rozpustnost reakčních produktů Surovinou je vodná fáze, obvykle silně kyselá (jejím základem jsou minerální kyseliny), kovy jsou zde proto přítomny ve formě chloridů, dusičnanů, síranů Do suroviny se přidávají vysolovací činidla, snižující naopak rozpustnost reakčních produktů
Chemismus I Reaktivní činidlo tvoří s kationem kovu komplexní sloučeninu nebo sůl, která je rozpustná v organické fázi a nerozpustná ve vodné fázi, k reakci tedy dochází na fázovém rozhraní 1) Reakce s tvorbou sloučeniny (organická fáze, vodná fáze): souhrnná chemická reakce M n+ + nrh K R MR n + nh + RH K RH RH K D R + H + K R = c MR n c M n + c H + n K RH = D M = c MR n c M n + = K R c H + n = K R c H + log D M = log K R + n log + n ph kov se v organické fázi vyskytuje výhradně ve formě komplexu, ve vodné fázi výhradně ve formě kationtů n K D = c R c H + D i = c i c i D RH = + c R K RH D RH = + K D c H + = K RH 1 + K D c H + K RH K D D RH KR D RH D M rozdělovací poměr činidla disociační konstanta činidla úhrnný rozdělovací poměr činidla rovnovážná konstanta reakce úhrnný rozdělovací poměr činidla úhrnný rozdělovací poměr kovu
Chemismus II Extrakce a reextrakce se liší použitým ph Výtěžek kovu v organické fázi je modulován ph vodné fáze (organická fáze, vodná fáze): f VM = VcM VcM + Vc M D M f VM = D M + V V Rovnovážná konstanta reakce je ovlivněná rozpustností činidla a jeho disociací V koncentrovaných případech by měly být používány aktivity f VM D M V výtěžek kovu v organické fázi úhrnný rozdělovací poměr kovu objem fáze
Reaktivní činidla Typickými činidly jsou: oximy, hydroxyoximy, chinoliny, beta-diketony aldoxim, ketoxim chinolin 1,3-diketon Organické deriváty kyseliny fosoforečné, amíny Organo fosforečná kyselina, Organo fosforitá kyselina, thiofosforečná kyselina, sulfonová kyselina, atd. jejich soli kovů jsou rozpustné v organice slouží k zakoncentrování kationtů, nejsou specifické pro kation tributylfosfát trioktylamín
Zařízení Jako modelový případ je vybrána extrakce zinku z vodného roztoku pomocí kyseliny di-2-ethyl-hexylfosforečné Tvorba komplexu je obvykle pomalá a proto se používají spíše zařízení typu mísič usazovák, než kolony Kolona s rotujícími disky Karrova kolona s vibrujícími patry Oldshueova-Rashtonova kolona Kuhni - kolona Scheibelova kolona Zařízení typu mísič usazovák (může pracovat i v kaskádě více stupňů)
URAN ELUEX proces dvojstupňový proces 1. stupeň separace na iontoměniči: dochází k zakoncentrování uranylových kationů (z koncentrace 0,02 0,5 g/l U 3 O 8 na 9-12 g/l, nevadí přítomnost dalších kationů, nevadí slabý zákal roztoku (není tak náročné na předchozí filtraci). Zařazení předkoncentrování zmenšuje snížením objemu velikost následujícího stupně až 30x! Iontoměnič je klasický pryskyřičný katex. 2. stupeň reaktivní extrakce: obvykle se provádí v kaskádě mísič usazovák, lze použít i kolon s rotujícími disky, nebo Scheibelovu kolonu. Činidla jsou organické estery kyseliny fosforečné rozpuštěné v kerosínu, nebo silně zásadité amíny.
KOBALT Zakoncentrování rudy (sulfidy, arsenidy, oxidy) fyzikálními postupy (flotace s činidly, sedimentace) na několik % Rudy neobsahující arzén lze běžným způsobem redukovat, obvykle se získává slitina kobaltu, mědi a železa Extrakční činidlo: triisooktylamín Reextrakčníčinidlo: Trioktylamín
Výroba neželezných kovů REAKTIVNÍ EXTRAKCÍ Průmyslově zajímavé případy Měď 40 % Oddělení kobaltu od niklu (90 % produkce kobaltu) LICENSOR Surovina Extrakční činidlo Reextrakční činidlo Nippon Mining / Hitachi Amoniakalní Síran Alkylfosfoniová kyselina Re-reextrakční činidlo Falconbridge, Societe le Nickel Vodný roztok chloridu Tri-isoktylamín Sumitomo Metal Minings Vodný roztok Versatic acid (kyselina neodekanová) Extrahuje se nikl i kobalt Kyselina chlorovodíková Tri-n-oktylamín
Zdroje informací Ullman encyclopedia: hesla Liquid-Liquid Extraction, Cobalt and Cobalt Compounds, Rare Earth Elements, Uranium, Uranium Alloys and Uranium Compounds Hanson: Recent Advances in Liquid-Liquid Extraction Nekovář: Difuzní procesy Wikipedia: jednotlivé chemikálie