УДК 628.33: 553.3: 552.124.4

СКОРОСТЬ ИОНООБМЕННОЙ СОРБЦИИ КАТИОНОВ СВИНЦА И НАТРИЯ НА ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЯХ

Жадовский Иван Тарасович
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
кандидат химических наук, ассистент кафедры общей и физической химии

Аннотация
Изучена скорость ионообменной сорбции катионов свинца и катионов натрия на поверхности железомарганцевых конкреций. Определены значения констант скорости и энергии активации процесса, сделан вывод о лимитирующей стадии.

Ключевые слова: внешняя диффузия, железомарганцевые конкреции, ионообменная сорбция, константа скорости процесса ионообменной сорбции, энергия активации


THE RATE OF ION EXCHANGE SORPTION OF LEAD AND SODIUM ON FERROMANGANESE NODULES

Zhadovskiy Ivan Tarasovich
National mineral resources university (mining university)
Ph.D., Assistant of the Department of General and Physical Chemistry

Abstract
Study the rate of ion exchange sorption of lead and sodium cations on the surface of iron-manganese nodules. The values of the rate constants and the activation energy of the process, concluded that the rate-limiting step.

Keywords: external diffusion activation energy, ferromanganese nodules, rate constant of the process of sorption, sorption


Библиографическая ссылка на статью:
Жадовский И.Т. Скорость ионообменной сорбции катионов свинца и натрия на железомарганцевых конкрециях // Современная техника и технологии. 2015. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/05/7018 (дата обращения: 02.10.2017).

Известно что железомарганцевые конкреции являются перспективным сорбционным материалом для катионов тяжелых и цветных металлов, за счет развитой поверхности, высокой эффективности и относительной дешевизне. [1-7]
Скорость ионообменной сорбции катионов Pb2+ и Na+ на ЖМК изучали в статических условиях. В термостат помещали колбу, заполненную исследуемым раствором соли Pb(NO3)2 с концентрацией 0,018 – 0,022 моль/л. Соотношение объема жидкой фазы V (мл) к массе твердого образца m (г) составило V/m=100 мл/г. 
Через определенные промежутки времени (от 15 сек) отбирали аликвоты исследуемого раствора объемом 5 мл, фильтровали через фильтр «синяя лента» и определяли содержание Pb2+ в отобранных пробах. 
За равновесную концентрацию свинца принимали ее неизменное значение после двух часов термостатирования и перемешивания с навеской ЖМК. По экспериментальным данным были построены кинетические зависимости концентрации ионов Pb2+ в исследуемом растворе от времени ионообменной сорбции при гранулометрическом составе ЖМК -1,0+0,63 мм, скорости перемешивания 400 об·мин-1 и при температурах 150С, 300С, 500С. Результаты эксперимента представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Экспериментальная зависимость концентрации Pb2+ от времени процесса ионообменной сорбции при температурах 303, 323, 288 К для ЖМК грансостава -1,0 + 0,63мм и скорости перемешивания 400 обмин-1

Обработка кинетических данных процесса ионообменной сорбции при использовании уравнений первого порядка  (С0, Сτ – начальная и текущая концентрации катиона Pb2+константа скорости процесса ионообменной сорбции, τ время процесса сорбции) привела к прямолинейной зависимости в интервале времени τ = 3 30 мин. Были получены линейные зависимости величины  от времени процесса ионообменной сорбции τ в секундах, приведенные на рисунке 2.


Рисунок 2. Зависимости величины  от времени процесса ионообменной сорбции τ в интервале времени τ = 3 30 мин для ЖМК грансостава -1,0+0,63 мм и скорости перемешивания 400 об·мин-1 при 288, 303 и 323 К

По тангенсу угла наклона были найдены величины констант скорости процесса ионообменной сорбции k, приведенные в таблице 1.
Таблица 1 Константы скорости ионообменной сорбции катионов Pb2+ на ЖМК при температурах 288, 303, 323 К.

Гранулометрический состав ЖМК, мм
Число оборотов мешалки, обмин-1
Температура процесса, К
Константа скорости внешней диффузии k, с-1
-1,0+0,63
400
288
7,2210-5
303
110-4
323
1,3910-4

В диапазоне τ > 30 мин были изучены зависимости величины степени извлечения F, равной , где С0, Сτ, С – начальная, текущая и равновесная концентрации катиона Pb2+ от квадратного корня из времени процесса ионообменной сорбции , которые оказались непрямолинейными. Следовательно, интервалу времени τ > 30 мин. соответствует промежуточная кинетическая область, определяемая соотношением скоростей внешней и внутренней диффузии катионов Pb2+.
Известно, что признаками протекания процесса сорбции во внешнедиффузионной области являются первый порядок реакции, определяющее влияние на константу скорости гранулометрического состава, незначительная зависимость скорости процесса от температуры, а следовательно, малая величина кажущейся энергии активации процесса.
Для подтверждения вывода провели ионный обмен при различном гранулометрическом составе ЖМК (-0,63+0,14; -1,0+0,63; -2,5+1мм) при температуре 303К и скорости перемешивания 400 об·мин-1.
Кинетические зависимости концентрации катионов Pb2+ в исследуемом растворе от времени процесса ионообменной сорбции аналогично интерпретировали уравнениями первого порядка. 
В диапазоне τ = 3 30 мин при 303 К и скорости перемешивания 400 об·мин-1 были получены линейные зависимости величины  от времени процесса ионообменной сорбции τ (рис. 3). 

Рисунок 3
Зависимость величины  от времени процесса ионообменной сорбции τ в интервале времени τ = 3-30 мин для ЖМК грансоставов -0,63 +0,14мм, -1,0+0,63мм, -2,5+1мм и скорости перемешивания 400 об·мин-1

Константы скорости ионообменной сорбции катионов Pb2+ на ЖМК в зависимости от гранулометрического состава твердой фазы приведены в таблице 2

Таблица 2 Константы скорости ионообменной сорбции катионов Pb2+ на ЖМК в зависимости от гранулометрического состава

Гранулометрический состав ЖМК, мм
Число оборотов мешалки, обмин-1
Температура процесса, К
Константа скорости внешней диффузии k, с-1
-0,63+0,14
400
303
1,7110-4
-1,0+0,63
400
303
110-4
-2,5+1
400
303
8,110-5

Как видно из таблицы 2, константа скорости внешней диффузии k возрастает с уменьшением размера гранул железомарганцевых конкреций, так как возрастает площадь поверхности раздела фаз. Этим подтверждается внешнедиффузионный механизм процесса.
Значение энергии активации определяли используя логарифмическое уравнение Аррениуса:

Согласно уравнению и определенным значениям констант скорости построили графическую зависимость логарифма величины константы скорости ионообменной сорбции от величины обратной температуры: , которая является прямолинейной (рис 4) и аппроксимируются уравнением:
ln k = -1760,8 (T-1) – 3,3895; R2 = 0,99.
По угловому коэффициенту  рассчитали значение энергии активации:  .


Рисунок 4. Зависимости логарифма величины константы скорости ln k от величины обратной температуры ионообменной сорбции 

Значение энергии активации процесса сорбции составило . Низкое значение энергии активации согласуется с тем, что лимитирующей стадией процесса является внешняя диффузия. 
Выводы

Показано, что кинетика ионного обмена катионов свинца и натрия подчиняется уравнению первого порядка. Значение энергии активации Eaсоставило 14,6±1,2 кДж·моль-1 соответственно. Рассчитаны значения констант скорости внешней диффузии катионов k в зависимости от температуры процесса и размера гранул ЖМК.

Низкое значение энергии активации и зависимость константы скорости от гранулометрического состава подтверждает то, что лимитирующей стадией процесса является внешняя диффузия.


Библиографический список
  1. Челищев Н.Ф., Грибанов Н.К., Новиков Г.В. Сорбционные свойства океанических железомарганцевых конкреций и корок // М.: Недра. 1992.- С. 7-23, 316.
  2. Челищев Н.Ф., Грибанова Н.К., Новиков Г.В. // Обогащение руд. 1988. № 3. С. 32 – 34.
  3. Зарицкий В.П. // Конкреции и конкреционный анализ: Сб. статей. М.: Наука, 1977. С 84-89, 245 с.
  4. Новиков Г.В., Сироткина И.В. / Сорбционный механизм формирования химического состава океанских железомарганцевых рудных отложений. Журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(22) 2004 С. 38-42.
  5. Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Иванов М.В., Чистяков А.А., Жадовский И.Т., /Изотерма обмена катионов стронция и натрия на железомарганцевых конкрециях // ЖПХ. 2006. Т. 79. № 3. С.374-379.
  6. Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Иванов М.В., Чистяков А.А., Жадовский И.Т., / Изотерма обмена катионов никеля и натрия на поверхности.// ЖМК ЖПХ. 2006. Т. 79. № 7. С.1101-1105.
  7. Чиркст Д Э, Черемисина О В, Жадовский И Т, Иванов М В, Чистяков АА, /Кинетика сорбции катионов никеля на поверхности ЖМК// Известия вузов. Химия и хим.технология. 2006. Т.49. Вып.11. ст 405-410


Все статьи автора «Жадовский Иван Тарасович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: