Гидрометаллургия

ЭЛЮИРОВАНИЕ И РЕГЕНЕРАЦИЯ
Под элюированием понимается промывка смолы, обеспечивающая перевод сорбированных ионов в раствор. Когда разделение ионов осуществляется на стадии поглощения (например, при разделении анионов и катионов), смысл элюирования состоит в регенерации смолы, т. е. в вытеснении сорбированных ионов и переводе в исходное состояние. В этом случае для элюирования применяют раствор, содержащий тот же ион, который был адсорбирован на смоле до обмена.
Если ионитом поглощена смесь ионов, то на стадии элюирования можно добиться их разделения. Рассмотрим для примера разделение ионов Na+ и Li+. Анализируемый раствор вводят в колонку, содержащую большой избыток сульфокатионита в Н+-форме. Ионы Li+- и Na+ поглощаются в верхней части колонки. Выделяющуюся при этом кислоту можно удалить промыванием водой. Затем проводят элюирование ионов, пропуская через колонку разбавленную НС1 (например, 0,2—0,6 М). Когда в колонку вводится первая порция кислоты, ионы Li+ и Na+ частично вытесняются из катионита и перемещаются вместе раствором вниз. Затем в соприкосновение с верхним слоем катионита приходит новая порция кислоты, и вытеснение продолжается. В это время первая порция раствора вступает в контакт с новым слоем катионита, что приводит к новым изменениям в составе раствора и ионита. Ионы Na+ обладают большим сродством к сульфокатиониту, чем Li+. Поэтому ионы Na+ как бы отстают в продвижении по колонке, относительные концентрации ионов Na+ и Li+ изменяются до тех пор, пока (прд достаточной длине колонки и достаточном количестве ионита) не образуются' отдельные полосы, движущиеся вниз с различными скоростями. Поэтому ионы Li+ обнаруживаются в элюате в течение некоторого интервала времени, а ионы натрия — в течение последующего интервала времени.
Когда способные к. обмену ионы элюента (Н+) имеют меньшее сродство к иониту, чем разделяемые ионы (Na+ и Li+), в элюате в течение всего процесса элюирования обнаруживаются ионы элюента (Н+). Поэтому важно выбирать элюент так, чтобы его ионы легко отделялись от разделяемых ионов. В этом особенность элюентной хроматографии — когда все разделяемые ионы можно в принципе получить в виде отдельных фракций (в отличие от метода фронтального анализа). Однако полосы некоторых элементов могут быть сильно размытыми, и чистыми такие элементы можно получить лишь в виде очень разбавленного раствора. В этом случае полезно применять ступенчатое элюирование. Так как наибольшее «размазывание» наблюдается для -наиболее сорбируемых ионов смеси, сначала элюируют несколько ионов одним элюентом, а затем завершают элюирование другим раствором, более эффективно выделяющим ионы, оставшиеся в колонке. Можно применять непрерывное повышение концентрации элюента (градиентное элюирование).
Особая разновидность элюентного анализа — селективное элюирование: когда специфические вещества в элюенте образуют устойчивые, не способные к обмену комплексы с одним или несколькими компонентами разделяемой смеси. Описанный метод элюентного разделения часто называют «проявительным».
На процесс элюирования влияют различные факторы. Так, необходимый для элюирования объем кислоты возрастает с увеличением размера зерна ионита. Показано также, что эффективность элюирования определяется не скоростью протекания и не объемом использованной кислоты, а временем контакта. Поэтому бесполезно пытаться ускорить процесс элюирования, повышая скорость протекания' сверх некоторого оптимального значения.
В тех случаях, когда разделению подлежат ионы, сродство которых к смоле различается значительно, элюирование производится раствором кислоты. Установлено, что минимальный расход элюента достигается при некоторой оптимальной концен­трации кислоты. При высоких скоростях протекания оптимум выражен более четко. С повышением концентрации кислоты скорость элюирования возрастает вследствие смещения ионообменного равновесия. С другой стороны; высокая концентрация кислоты вызывает усадку ионита, что ведет к уменьшению коэффициентов диффузии ионов в матрице ионита и снижает скорость элюирования. Так же действует и увеличение вязкости раствора с ростом концентрации кислоты.
В расчете ионообменных колонок в настоящее время часто применяют «тарелочную» теорию, которая основана на представлении, что колонка состоит из большого числа отдельных слоев/называемых теоретическими тарелками. Концентрация вещества в обеих фазах в таких слоях принимается постоянной.
При наличии нескольких растворенных веществ они движутся вниз по колонке независимо друг от друга, если только их количества достаточно малы. Кривая элюирования для каждого растворенного вещества подобна по форме гауссовой кривой. Окончательная форма кривой элюирования устанавливается не сразу, а лишь после прохождения зоной вытеснения данного вещества 20—25 теоретических тарелок от нижнего конца зоны загрузки.
Следует отметить два важных правила, вытекающих из тарелочной теории: а) высота максимума кривой элюирования обратно пропорциональна квадратному корню из длины колонки; б) ширина кривой элюирования прямо пропорциональна квадратному корню из длины колонки.
Вычисления, проделанные с применением тарелочной теории, позволяют правильно выбирать, условия разделения, не производя большого числа экспериментов. Следует, однако, отметить, что этот метод вычислений приближенный, так как допущения, лежащие в основе теории, обычно не полностью соответствуют действительности.
На колонке с равномерным заполнением при очень малой скорости протекания высота теоретической тарелки приблизительно равна диаметру зерна ионита.
В технологии редких элементов ионный обмен используют не только для разделения, но также и для выделения их из растворов после вскрытия (осветленных и из пульп), для очистки сбросных вод. При этом колонка используется до проскока, после чего исходный раствор переключается на другую колонку, а пер­вая регенерируется. Время работы колонки до проскока называется временем защитного действия.
При ориентировочных расчетах количества смолы можно принять емкость до проскока 0,5—0,6 полной емкости для сильнокислотного или сильноосновного ионита и 0,8 слабокислотной, или слабоосновной смолы.