ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПОЛУПРОДУКТА

Разделение пульпы на жидкую и твердую фазы осуществля­ется отстаиванием и фильтрованием. На стадии отстаивания (сгущения) твердые частицы, находящиеся во взвешенном со­стоянии в жидкой среде, оседают под действием собственного веса или центробежной силы. Этот процесс проводится в сгу­стителях, гидроциклонах и центрифугах.

Окончательное отделение твердых частиц от раствора дости­гается фильтрацией в различного типа аппаратах, работающих под вакуумом или под давлением. Фильтрацию существенно облегчает применение соответствующих флокулянтов.

Общей чертой всех технологических схем является выделе­ние полупродукта и его очистка от примесей. Наиболее распро­странен метод осаждения основных компонентов или примесей с помощью тех или иных реагентов.

Осаждение вещества (кристаллизация) связано с появле­нием новой, твердой фазы при пересыщении раствора. Пересыщение раствора может быть вызвано образованием в резуль­тате химической реакции нового вещества с малым значением произведения растворимости, а также в результате введения одноименного иона или добавления вещества, связывающего воду и тем самым уменьшающего ее активность.

Процесс осаждения можно разделить на два периода—пе­риод образования центров кристаллизации и период роста кристаллов. Крупные кристаллы получаются в том случае, если скорость роста кристаллов превышает скорость образования центров.

Самопроизвольное возникновение центров кристаллизации вызывается флуктуациями - случайными отклонениями от рав­номерного распределения молекул или ионов в растворе в ре­зультате теплового движения. Стремление сгустка молекул или ионов к росту (вследствие уменьшения свободной поверхност­ной энергии) уравновешивается стремлением центра кристал­лизации к распаду и переходу в раствор (к выигрышу энтро­пии) при величине сгустка примерно 100 частиц. Однако для технологических растворов на стадии грубой очистки центры кристаллизации образуются на уже существующих поверхно­стях—пылинках, стенках аппаратов или специально вносимых затравках.

Рост кристалла - диффузионный процесс. Линейную ско­рость роста грани кристалла можно выразить уравнением

dl/dt = aexp(-b/ lnx/x_o) (26)

где l- линейный размер грани; t - время; х - концентрация пересыщенного раствора, из которого идет кристаллизация; x_о - концентрация насыщенного раствора при данной темпера­туре; а и b - постоянные, зависящие от температуры и свойств кристаллизующегося вещества и раствора.

Размер кристаллов в значительной степени влияет на раз­деление. Если осадок имеет развитую поверхность, то всегда захватывает с собой другие ионы в результате адсорбции. Так, гидратированные окислы, такие, как А₂O₃^.nH₂O и Fе_зO₃^.nH₂O, осаждающиеся в виде аморфных или мелкокристалли­ческих осадков, обычно адсорбируют гидроксильные ионы. Тем самым они приобретают отрицательный заряд, для нейтрали­зации которого адсорбируют, в качестве противоионов ионы тя­желых металлов.

Типичными загрязняющими ионами в технологии редких ме­таллов являются ионы Fe²⁺, Al³⁺, Mg²⁺ и др. Очистка от них ча­сто достигается осаждением их гидроокисей. Растворимость гидроокиси можно охарактеризовать произведением раствори­мости: [Меⁿ⁺]^.[ОН^-]ⁿ. Оно может быть представлено как [Меⁿ⁺]/[Н⁺]^{n .} Kⁿ_Н2O, где K_Н2O = [H⁺]^.[ОН^-] - ионное произве­дение воды. Таким образом, осаждение гидроокиси зависит от концентрации ионов металла и концентрации ионов водорода.

Осадок часто имеет сложный состав, представляющий собой смесь основных солей и гидроокиси. Значение рН, соответствую­щее осаждению той или иной гидроокиси, зависит от концент­рации, температуры и некоторых других условий.

Реакция гидролиза во многих случаях протекает значитель­но сложнее, чем это обычно отражается принятыми химическими уравнениями, например Fe³⁺ + 3ОН^- = Fe(OH)₃. В дейст­вительности в этом случае имеют место реакции:

Fe³⁺ + H₂O « Fe(OH)²⁺ + Н⁺, K₁ = 9^.10^-4;

Fe(OH)²⁺ + H₂O « Fe(OH)₂⁺ + Н⁺, K₂ = 5^.10^-7;

Fe³⁺ + 2H₂O « Fe₂(OH)₂⁴⁺ + 2Н⁺, K₃ = 1,2^.10^-3;

Гидроокись железа обычно димеризована.

Гидролиз ионов алюминия проходит еще более .сложным об­разом Основными продуктами гидролиза являются либо ком­плексные соли состава Al[(ОН)₅Al₂]⁽ⁿ⁺³⁾⁺, либо крупные ком­плексные ионы [Al₆(ОН)₁₅]³⁺.