Метод удерживания кислоты и его модифицированные варианты для разделения компонентов в многокомпонентных кислых растворах (Обзор)
Аннотация
В обзорной статье описан метод удерживания кислоты (AcidRetardation) для переработки концентрированных многокомпонентных растворов с разделением солей и кислот в нанопористых сорбционных материалах. Проанализирован механизм разделения. Концентрированные кислоты в фазе сорбционного материала с низкой диэлектрической проницаемостью образуют молекулы или слабогидратированные ионные пары малого размера, которые легко проникают в нанопоры и удерживаются там за счет сил молекулярной сорбции. Соли, образующие более гидратированные и слабосвязанные ионные пары, проходят через пористую среду без торможения. Стандартные циклические AR-процессы применимы только в том случае, когда отделяемые от кислоты соли хорошо растворимы. В реальных многокомпонентных растворах сульфатного или фосфатного типа, содержащих железо, щелочноземельные металлы, стандартный метод бесполезен. Описан новый вариант метода, актуальный для химической технологии. Этот вариант основан на закономерностях стабилизации пересыщенных растворов и коллоидных систем в высокопористых средах. Отличительной особенностью варианта является использование разбавленных кислотных растворов вместо воды на стадиях вытеснения концентрированной кислоты в каждом цикле AR-процесса. Приведены примеры переработки промышленных растворов с одновременным получением чистых кислот и выделением ценных компонентов, описан также другой вариант метода AR, в котором разделение осуществляется в сорбционной колонке с двумя несмешивающимися жидкими фазами. Модифицированные AR-процессы перспективны для использования в химической технологии и пробоподготовке для химических анализов.
Скачивания
Литература
Hatch M.J., Dillon J.A., Acid retardation. A simple physical method of separation of strong acids from their salts, I&EC Process Design and Development,1963; 2(4): 253-263.
Gotzelmann W., Hartinger L., Gulbass M. Stofftrennung und Stoffruckgewinnung mit dem Retardation-Verfaren. Teil.1, Metalloberflache,1987; 41(5): 208-212.
Brown C.J. US Patent no. 4673507,1987.
Ferapontov N.B., Gorshkov V.I., Trobov H.T., Parbuzina L.R., Gavlina O.T., Strusovskaja N.L., Bezreagentnoe razdelenie jelektrolitov na ionitah, Zhurnal fizicheskoj himii, 1996; 70(5): 840-843. (In Russ.)
Ferapontov N.B., Gorshkov V.I., Trobov H.T., Parbuzina L.R., Gavlina O.T., Strusovskaja N.L., Sorbcionnye svojstva sil'noosnovnyh anionitov pri ravnovesii s rastvorami jelektrolitov, Zhurnal fizicheskoj himii,1996; 70(12): 2072-2077. (In Russ.)
Ferapontov N.B., Gorshkov V.I., Parbuzina L.R., Trobov H.T., Strusovskaya N.L., Heterophase model of swollen cross-linked polyelectrolyte, Reactive and Functional Polymers, 1999; 41(1-3): 213-225. https://doi.org/10.1016/S1381-5148(99)00027-9
Ferapontov N. B., Parbuzina L.R., Gorshkov V.I., Strusovskaya N.L., Gagarin A.N., Interaction of cross-linked polyelectrolytes with solutions of low-molecular-weight electrolytes, Reactive and Functional Polymers, 2000; 45(2): 145-153. https://doi.org/10.1016/S1381-5148(00)00023-7
Gruzdeva A.N., Gorshkov V.I., Gagarin A.N., Ferapontov N.B., Sorbcionnoe razdelenie jelektrolitov na poperechnosshitom polivinilovom spirte. Zhurnal fizicheskoj himii, 2005; 79(7): 1150-1152. (In Russ.)
Ferapontov N.B., Gorshkov V.I., Parbuzina L.R., Strusovskaya N.L., Gagarin A.N., Thermodynamics of interphase equilibrium in system ion exchanger-solution of low molecular weight electrolyte, Reactive and Functional Polymers. 2006; 66(12): 1749-1756. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2006.08.005
Gorshkov V.I., Ferapontov N.B., Razdelenie smesej sil'nyh jelektrolitov sorbciej na ionitah i opredelenie kojefficienta odnokratnogo razdelenija, Zhurnal fizicheskoj himii, 2007; 81(8): 1490-1495. (In Russ.)
Tsyurupa M.P., Tarabaeva O.G., Pastukhov A.V., Davankov V.A., Sorption of ions of heavy metals by neutral hypercrosslinked polystyrene, International Journal of Polymeric Materials, 2003; 52(5): 403-414. https://doi.org/10.1080/00914030304926
Davankov V.A., Tsyurupa M.P., Alexienko N.N., Selectivity in preparative separations of inorganic electrolytes by size-exclusion chromatography on hypercrosslinked polystyrene and microporous carbons, J. Chromatography A, 2005; 1100(1): 32-39. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2005.09.007
Davankov V., Tsyurupa M., Chromatographic resolution of a salt into its parent acid and base constituents, J. Chromatography A, 2006; 1136(1): 118-122. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2006.10.046
Laatikainen M., Sainio T., Paatero E., Davankov V., Tsyurupa M. Blinnikova Z., Modeling of size-exclusion chromatography of electrolytes on non-ionic nanoporous adsorbents, J. Chromatography A, 2007; 1149(2): 245-253. https://doi.org/
1016/j.chroma.2007.03.044
Laatikainen M., Sainio T., Paatero E., Davankov V., Tsyurupa M., Blinnikova Z., Chromatographic separation of a concentrated HCl-CaCl2 solution on non-ionic hypercrosslinked polystyrene, Reactive and Functional Polymers, 2007; 67(12 Spec.Iss.): 1589-1598. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2007.07.021
Davankov V.A., V.A., Cjurupa M.P., Blinnikova Z.K. Razdelenie model'noj smesi CaCl2 - HCl na nejtral'nom nanoporistom sverhsshitom polistirole v staticheskih i dinamicheskih uslovijah, Zhurnal fizicheskoj himii, 2008;82(3): 434-438. (In Russ.)
Pastuhov A.V., Davankov V.A., Tsyurupa M.P., Blinnikova Z.K., Kavalerskaja N.E., Szhatie granul nanoporistyh sverhsshityh polistirol'nyh sorbentov kak rezul'tat iskljuchenija krupnyh ionov mineral'nyh jelektrolitov iz fazy polimera, Zhurnal fizicheskoj himii, 2009; 83(3): 457-464. (In Russ.)
Blinnikova Z.K., Maerle K.V., Tsyurupa M.P., Davankov V.A., Osobennosti razdelenija mineral'nyh solej metodom frontal'noj jekskljuzionnoj hromatografii na nejtral'nom nanoporistom sverhsshitom polistirole, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2009; 9(3): 323-331. (In Russ.)
Davankov V., Tsyurupa M., Blinnikova Z., Pavlova L. Self-concentration effects in preparative SEC of mineral electrolytes using nanoporous neutral polymeric sorbents. J. Sep. Sci. 2009; 32(1): 64-73.
Tsyurupa M.P.., Blinnikova Z.K., Davankov V.A., Jekskljuzionnaja hromatografija mineral'nyh jelektrolitov na nejtral'nom nanoporistom sverhsshitom polistirole: mehanizm "zaderzhivanija" kislot, solej i osnovanij, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2013; 13(5): 541-552. (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Vlasovskikh N.S., Gruzdeva A.N. Acid Retardation Method and its New Variants for the Separation of Components of Complex Solutions, in Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, and Planetary Sciences/ ed. V.P.Kolotov, N.S. Bezaeva, Springer Nature Switzerland, 2023; 499-517.
Krachak A.N, Khamizov R.Kh., Poznuhova V.A., Podgornaja E.B., Durnajkin V.A., Osnovnye zakonomernosti razdelenija jelektrolitov v metode "Uderzhivanija kisloty" (Acid Retardation). I. Vlijanie prirody kationa na sorbciju kislot i ih solej iz binarnyh rastvorov, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2011; 11(1): 77-88. (In Russ.)
Krachak A.N., Khamizov R.Kh., Dolgonosov A.M., Mal'kova L.M., Osnovnye zakonomernosti razdelenija jelektrolitov v metode "Uderzivanija kisloty" (Acid Retardation). II. Vlijanie koncentracii kislot i solej na ih sorbciju iz individual'nyh rastvorov, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2014; 14(6): 902-911. (In Russ.)
Sidelnikov G.B., Tikhonov N.A., Khamizov R.Kh., Krachak, A.N., Modeling and study of sorption and separation of acids in solution, Mathematical Models and Computer Simulations, 2013; 5(6): 501-510. https://doi.org/10.1134/S2070048213060112
Glotova E.A., Tikhonov N.A., Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Mathematical modeling of a sorption process for the retention of acid from a solution, Moscow Univ. Phys. Bull. 2013; 68(1): 65-70. (In Russ.)
Tihonov N.A., Novyj podhod k raschetu kojefficientov aktivnosti v shirokom diapazone koncentracij jelektrolitov, Doklady Akademii nauk, 2010; 434(2): 175-177. https://doi.org/10.1134/S1064562410050340 (In Russ.)
Tikhonov N.A., Sidelnikov G.B., Quantitative analysis of physical factors that determine the behavior of activity coefficients of electrolytes, J. Math. Chemistry, 2013; 51(10): 2746-2756.
Tikhonov N. A., Sidelnikov G. B., Modeling of Physical Effects Governing the Behavior of the Activity Coefficients of an Electrolyte, Math. Models Computer Simulations, 2015; 7(1): 6-12.
Tikhonov N.A., Tokmachev M.G., Quantitative analysis of physical factors that determine activity coefficients of electrolytes. III. Mixtures of electrolytes, J. Math. Chemistry, 2016; 54 (2): 592-601. https://doi.org/10.1007/s10910-015-0582-7
Robinson R. A., Stokes R. H. Electrolyte Solutions. Butterworth and Co, London, 1970, 648 p.
Ljashhenko A.K., Karataeva I.M., Aktivnost' vody i dijelektricheskaja konstanta vodnyh rastvorov jelektrolitov, Zhurnal fizicheskoj himii, 2010; 84(2): 376-384. (In Russ.)
Spravochnik himika v 6 tomah /Pod red. B.P. Nikol'skogo. T.1, T.3. M.-L.; Himija, 1963, 1964 p. (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Vlasovskikh N.S., Tikhonov N.A., Separation of concentrated acid and salt solutions in nanoporous media as the basis for a new technology of processing of phosphorus-containing raw materials, Geochemistry International, 2016; 54(13): 1221-1235. https://doi.org/10.1134/S0016702916130085
Helfferich F.G., The theory of precipitation/dissolution waves, AIChE Journal, 1989; 35(1): 75-87.
Khamizov R.Kh., Mjasoedov B.F., Rudenko B.A., Tihonov N.A., Ob obshhem haraktere javlenija izotermicheskogo peresyshhenija v ionnom obmene, Doklady Akademii nauk, 1997; 356(2): 216-220. (In Russ.)
Muraviev D., Khamizov R.Kh., Tikhonov N.A., Pecularities of the Dynamics of Ion Exchange in Supersaturated Solutions and Colloid Systems, Langmuir, 2003;19(26): 10852-10856. https://doi.org/10.1021/la030216p
Muraviev D.N., Khamizov R.Kh., Ion Exchange Isothermal Supersaturation. Concept, Problems and Application, Ion Exchange and Solvent Extraction. A Series of Advances, 2004; 16: 119-210.
Tikhonov N.A., On the phenomenon of isothermal supersaturation of solutions at ion exchange in porous media, J. Math. Chemistry, 2019; 57(1): 315-326. https://doi.org/10.1007/s10910-018-0953-y.
Vlasovskih N.S., Khamizov S.Kh., Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Cikin M.N., Dolgov V.V., Izvlechenie primesej RZM i drugih metallov iz fosfornoj kisloty, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2013; 13(5): 605-617. (In Russ.)
Khamizov R.H., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Vlasovskih N.S. et al. Patent RF no. 2544731, 2015. (In Russ.)
Hamizov R.Kh., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Vlasovskih N.S. et al. Patent RF no. 2545337, 2015. (In Russ.)
Kaznacheev M.A., Tihonov N.A., Khamizov R.Kh., Vliyanie primesnyh komponentov na osazhdenie solej kal'ciya v processe ochistki fosfornoj kisloty na anionite metodom Uderzhivaniya kisloty, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2021; 21(4): 547-554. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3639 (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Vlasovskikh N.S., Moroshkina L.P., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Khamizov S.Kh., Acid retardation method of separation for closed-circuit processing of alumina-containing raw materials with the use of salt-acid digestion, Sorbtsionnye I Chromatograficheskie Protsessy, 2017; 17(6): 877-885. (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Kogarko L.N., Vlasovskih N.S., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Zajcev V.A., Moroshkina L.P., O vozmozhnosti razdelenija bisul'fata ammonija na sul'fat i kislotu v ciklicheskom processe solevoj pererabotki glinozjomsoderzhashhego syr'ja, Doklady Akademii nauk, 2018; 481(1): 157-159. https://doi.org/10.31857/S086956520001196-8 (In Russ.)
Khamizov R.H., Zajcev V.A., Gruzdeva A.N., Krachak A.N., Rarova I.G., Vlasovskih N.S., Moroshkina L.P., O vozmozhnosti kislotno-solevoj pererabotki glinozemsoderzhashhego syr'ja v zamknutom reagentnom cikle, Zhurnal prikladnoj himii, 2020; 93(7): 1059-1067. https://doi.org/10.31857/S0044461820070142 (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Khamizov S.Kh., Separation of ionic mixtures in sorption columns with two liquid phases, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2014; 14(1): 14-23. (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Podgornaya E.B., Khamizov S.Kh. Patent US no. 8940175, 2015. (In Russ.)
Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Gruzdeva A.N., Khamizov S.Kh., Vlasovskikh N.S., Separation of concentrated ion mixtures in sorption columns with two liquid phases, Ion Exchange and Solvent Extraction: A series of Advances, 2016; 22: 147-174.
Podgornaja E.B., Burova O.I., Radilov A.S., Khamizov R.Kh., Ispol'zovanie sorbcionnogo sposoba uderzhivanija kisloty v sistemah s dvumja zhidkimi fazami dlja reshenija problem probopodgotovki v jelementnom analize metodom ISP-MS, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2013; 13(5): 618-622. (In Russ.)
Seregina I.F., Perevoznik O.A., Bolshov M.A., Acid retardation method in analysis of strongly acidic solutions by inductively coupled plasma mass-spectrometry, Talanta, 2016; 159:387-394. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.06.056
Khamizov R.Kh., Krachak A.N., Podgornaja E.B., Gruzdeva A.N., Jeffekt uderzhivanija kisloty v sorbcionnyh kolonnah s dvumja zhidkimi fazami. Vozmozhnosti ispol'zovanija v probopodgotovke pri jelementnom analize, Zhurnal analiticheskoj himii. 2019; 74(3): 186-200. https://doi.org/10.1134/S0044450219030071 (In Russ.)