Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

СВОЙСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

Зелинская Е.В., Воронина Е.Ю., Вершинина В.П.

Изучение гидрогеохимических свойств химических элементов, находящихся в подземных водах, является одним из важнейших вопросов, так как это предопределяет знание о состоянии и формах нахождения элементов, а следовательно их способность выделяться в технологических процессах в те или иные продукты.

Одним из перспективных методов извлечения металлов из растворов является ионный обмен. Рассолы, представляющие собой раствор нескольких солей, имеют достаточно сложный физико-химический состав и структуру (гл.3). Высокая минерализация и поликомпонентность обуславливают ряд особенностей поведения данных вод, как в процессе добычи, так и, в особенности, в процессе переработки. Применение ионообменного метода для извлечения микрокомпонентов из рассола возможно в связи с наличием в составе рассолов компонентов в ионной форме. Разница в процентном содержании ионных форм различных компонентов предопределяет вероятность их селективного выделения при использовании   ионообменной технологии. Однако высокая концентрация солей требует развития положений ионного обмена, разработанных в большинстве случаев для разбавленных растворов, в направлении применимости их к концентрированным системам.

На основании анализа теоретических закономерностей процесса ионного обмена, изучения условий извлечения щелочных и щелочно-земельных металлов и рассмотрения высокоминерализованных вод, как специфичной физико-химической системы, установлен ряд факторов, оказывающих значительное влияние на процесс ионообменного выделения металлов. Структура воды в таких системах изменена по сравнению с чистой водой, а, исходя из положений теории ионного обмена, гидратация обменивающихся ионов играет большую роль.

Факторы, влияющие на обмен металлов, по нашему мнению, разделяются на внутренние (свойства минерализованных вод) и внешние факторы системы (т.е. факторы процесса).

К важнейшим внутренним факторам системы относятся химический состав рассолов; общая минерализация; водородный показатель ( рН); концентрация микро- и макрокомпонентов в рассоле; формы нахождения компонентов в рассоле; структурно-химические свойства рассолов; термодинамические свойства компонентов системы; зависимость сорбционного поведения ионов от их положения в Периодической системе.

К важнейшим внешним факторам системы относятся время процесса; тип и свойства катионитов; метод элюирования; тип и концентрация элюента.

В рамках данной работы, опираясь на значительный объем проведенных совместно с коллегами исследований по извлечению микрокомпонентов из природных рассолов и определению оптимальных условий ионного обмена, необходимо выявить наиболее важные закономерности ионного обмена из высококонцентрированных рассолов, обладающих специфическими физическими и структурно-химическими свойствами. Следует также определить границы применимости и эффективности ионообменного метода с учетом исходных характеристик природных рассолов. При этом основной задачей остается селективное выделение микрокомпонентов из рассолов, в частности стронция, с получением дополнительной продукции.

Объектами исследования ионообменных процессов являлись хлоридно-натриевые рассолы Коршуновского ГОКа и хлоридно-кальциевые рассолы, изливающиеся из эксплуатационной скважины №322 в районе Удачнинского ГОКа, а также моделирующие их состав растворы.

Процесс ионного обмена складывается из ряда подпроцессов: извлечения ионов металлов из фазы рассола; их сорбции на смоле путем обмена с ионами смолы; извлечения ионов металлов из фазы ионита, т.е. десорбции. При ионообменном выделении металлов из поликомпонентных рассолов важным является выявить, на какой стадии возможно эффективное разделение макро- и микрокомпонентов, а также микрокомпонентов между собой

Равновесие является важным вопросом теории и практики ионного обмена. Обмен ионов представляет собой строго стехиометрическую реакцию. Равновесие определяется свойствами и концентрациями присутствующих в системе компонентов, но не зависит от пути обмена. При обмене из системы, включающей более двух обменивающихся противоионов равновесие обмена уже не может быть независимым от третьего компонента. В связи со сложностью протекающих в данном случае процессов, вопросы равновесия в реальных системах с тремя и большим числом ионов, взаимодействующих с ионитом, приходится учитывать другие процессы, сопутствующие обмену ионов. В некоторых системах важную роль играют такие явления, как набухание, адсорбция, изменение степени диссоциации электролитов в фазе ионита и в растворе.

Для выявлений условий равновесия были проведены кинетические исследования в статических условиях сорбции на одно-, двух- и трехкомпонентных растворах, моделирующих по содержанию ионов рассолы Удачнинского ГОКа. На основании полученных результатов удалось установить, что состав системы оказывает значительное влияние на процесс достижения равновесия. Время установления равновесия увеличивается при переходе от одно-двух- к трехкомпонентным системам, константа скорости реакции уменьшается.

Скорость установления состояния равновесия в рассолах будет зависеть, в том числе, от состава рассолов, форм и состояния находящихся в нем компонентов. Это обусловлено сложностью системы и комплексом протекающих в ней процессов.

Рассматривая ионообменные процессы в концентрированных растворах, необходимо исходить из представления об этих процессах, как о конкуренции за гидратацию двух и более обменивающихся противоионов, в которой участвуют молекулы воды, коионы и фиксированные группы ионита.

Состояние равновесия определяется противоионом, наименее склонным к гидратации. Однако в случае многокомпонентных рассолов, различия гидратируемости различных ионов и взаимное влияние компонентов системы и растворителя настолько велики, что возникают определенные осложнения, приводящие к изменению значимости различных частиц как гидратирующих агентов, а именно:

  • чем выше концентрация ионов, тем сильнее нарушается структура воды в области дальней гид
    ратации. Однако различные ионы по разному влияют на ближнюю гидратацию, а именно, в области
    ближней гидратации происходит взаимодействие ионов раствора с функциональными группами ионита;
  • число ионов противоположного знака в непосредственной близости от данного иона с увеличением концентрации быстро возрастает. Поэтому случаи сближения катионов с анионами становятся
    более частыми и взаимодействие между ними в обеих фазах приобретает большее значение. Иными
    словами, гидратация ионов частично заменяется комплексообразованием между ними. Роль этого
    фактора тем существеннее, чем меньше ионы защищены гидратными оболочками и чем ниже ди
    электрическая постоянная среды. По этим причинам ионообменное равновесие отклоняется от закона действия масс;
  • в непосредственной близости к поверхности ионита структура воды в рассоле упорядочена, что
    приводит к ослаблению гидратации иона, и снижению растворяющей способности раствора;
  • по сравнению с разбавленными, в концентрированных растворах активность воды изменяется в
    зависимости от концентрации раствора. Характер гидратации ионов также неоднозначен при разных
    минерализациях рассолов. Таким образом, выявление характера влияния сопутствующих эффектов на равновесие ионного обмена в такой сложной системе может быть достигнуто только на основании сравнения опытных данных с информацией, касающейся состояния системы и входящих в нее элементов (растворителя ионов и других частиц).

Исследования кинетических и селективных свойств катионитов в многокомпонентных системах послужили основой для изучения закономерностей кинетики (установления времени, необходимого для контакта «катионит - рассол» и определения равновесного состояния системы) на рассолах Коршуновского и Удачнинского месторождений, выбора наиболее перспективных сорбентов и оптимальных условий процесса.

Полученные результаты указывают на различия кинетики обмена стронция и кальция из дренажных вод карьера УГОКа на катионитах Ку2х8 и КБ-4Пх2. После достижения определенного максимума примерно на 60 минуте насыщение ионита стронцием начинает снижаться, вследствие замещения стронция на кальций. Состав рассолов также влияет на кинетику обмена. В более концентрированных рассолах скважины время установления равновесия для стронция выше, чем в дренажных водах.

На основании приведенных результатов по изучению кинетических свойств изучаемых катио-нитов можно сделать выводы, что для извлечения стронция из данных вод ( с учетом их состава и форм нахождения элементов в рассолах) лучше использовать КБ-4Пх2.

На основании результатов исследований для дренажных вод была предложена схема, включающая фильтрацию с целью удаления взвешенных веществ; коллективную сорбцию в течение 2 часов на сорбенте КБ4П2; десорбцию компонентов на основе метода вытеснительной хроматографии: десорбцию кальция раствором HCl 6n концентрации в течение 10 минут (извлечение стронция при этом составляет 26 %); десорбцию стронция раствором HCl 4n концентрации в течение 10 минут (извлечение стронция при этом составляет 52,72 % ); кристаллизацию с разделением стронция и кальция.

Исследования проведены при поддержке Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2006-2008 годы. Мероприятие 1. Тематический план». Программа Федерального Агентства по образованию РФ. (Науки о ЗЕМЛЕ. Горное дело).

Работа представлена на VII научную конференцияю с международным участием «Успехи современного естествознания» , Дагомыс (Сочи), 4-7 сентября 2006г. Поступила в редакцию 04.09.2006г.


Библиографическая ссылка

Зелинская Е.В., Воронина Е.Ю., Вершинина В.П. СВОЙСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ УТИЛИЗАЦИИ // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 10. – С. 75-76;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=5499 (дата обращения: 14.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074