Sole erbu w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i stężenie
Chlorek i azotan erbu są rozpuszczalnymi w wodzie źródłami Er(III), natomiast węglan, szczawian i fluorek są związkami słabo rozpuszczalnymi. O przebiegu uzdatniania decyduje postać chemiczna występująca po zmieszaniu z wodą; sama nazwa wyjściowej soli nie wystarcza.
Informacje o źródłach i drogach przemieszczania się w środowisku podano na stronie Erb w wodzie.
Powszechnie spotykane sole erbu i ich rozpuszczalność
Te opisy jakościowe nie określają stężeń nasycenia ani dawek. Należy sprawdzić dane dla konkretnego hydratu, temperatury i składu roztworu. Kwasowość, substancje kompleksujące i inne jony mogą wpływać na ilość erbu pozostającego w roztworze.
| Sól | Przykładowy wzór | Zachowanie w wodzie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| Chlorek erbu(III), bezwodny | ErCl3 | Rozpuszczalny w wodzie. | Dostarcza rozpuszczonego Er(III). Przed obliczeniem dawki należy sprawdzić, czy produkt jest bezwodny, czy uwodniony. |
| Pięciowodny azotan erbu(III) | Er(NO3)3·5H2O | Rozpuszczalny w wodzie. | Do roztworu przechodzą zarówno erb, jak i azotan. Należy sprawdzić postać hydratu i oznaczoną zawartość substancji w certyfikacie produktu. |
| Ośmiowodny siarczan erbu(III) | Er2(SO4)3·8H2O | Rozpuszczalny w wodzie według informacji dostawcy. | Przed przygotowaniem lub zatężeniem roztworu należy sprawdzić postać hydratu, temperaturę i skład pod względem siarczanów. |
| Uwodniony węglan erbu(III) | Er2(CO3)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | Zawiesina nie jest roztworem substancji rozpuszczonej. Zmienny stopień uwodnienia wpływa na obliczenia masy. |
| Uwodniony szczawian erbu(III) | Er2(C2O4)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | Możliwy produkt strącania; należy mierzyć stężenie rozpuszczonego erbu pozostałego w roztworze, zamiast zakładać jego całkowite wychwycenie. |
| Fluorek erbu(III) | ErF3 | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | W ocenie jakości wody i pozostałości należy uwzględnić zarówno fluor, jak i erb. |
Co dzieje się po rozpuszczeniu?
Związki te zawierają trójwartościowy erb, Er(III). Zmiany kwasowości lub obecności substancji kompleksujących mogą wpływać na postacie występujące w roztworze oraz skłonność do tworzenia cząstek lub wiązania się z powierzchniami. Roztwór przygotowany z rozpuszczalnej soli może więc zmienić właściwości po zmieszaniu z innym strumieniem.
Należy mierzyć całkowitą zawartość erbu oraz, w stosownych przypadkach, frakcję rozpuszczoną zdefiniowaną przez określoną metodę pobierania próbek i filtracji. Drobne cząstki i koloidy mogą wpływać na to rozróżnienie. Należy dokumentować metody przygotowania próbek, aby wyniki przed uzdatnianiem i po nim były porównywalne.
Usuwanie erbu z wody
Oddzielanie cząstek stałych i strącanie
Sedymentacja i filtracja mogą usuwać cząstki zawierające erb, jeśli można je skutecznie oddzielić. Same w sobie nie dowodzą jednak usunięcia rozpuszczonego Er(III). Strącanie może przenieść rozpuszczony erb do słabo rozpuszczalnej fazy stałej, jeśli pozwala na to skład chemiczny roztworu.
Przy planowaniu strącania należy sprawdzić kwasowość, obecność substancji kompleksujących i jonów konkurencyjnych, stężenie erbu pozostałego w roztworze oraz podatność osadu na filtrację. Jakościowe określenie rozpuszczalności nie wyznacza uniwersalnej dawki ani roboczej wartości pH. W bilansie procesu należy uwzględnić dodane odczynniki i powstały osad.
Adsorpcja i wymiana jonowa
W badaniach nad żywicą D113-III analizowano adsorpcję i desorpcję erbu w układach porcjowych i kolumnowych. W odrębnym badaniu usieciowanych kulek serycynowo-alginianowych analizowano wychwytywanie, desorpcję, ponowne użycie i selektywność. Wyniki te uzasadniają badanie mechanizmów adsorpcji i wymiany jonowej w rzeczywistej wodzie, z uwzględnieniem wpływu konkurencyjnych metali i substancji kompleksujących.
Wymianę jonową stosuje się do rozdzielania pierwiastków ziem rzadkich, jednak praktyczny dobór metody wymaga zbadania rzeczywistej mieszaniny. Należy ocenić pojemność, czas kontaktu, moment przebicia złoża, wpływ jonów konkurencyjnych i regenerację. Prosty roztwór soli erbu może zachowywać się inaczej niż roztwór zawierający mieszaninę pierwiastków ziem rzadkich lub woda zawierająca ligandy organiczne.
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Er a mg/L soli
Wartość wyrażona jako zawartość erbu pierwiastkowego nie obejmuje przeciwjonów ani wody krystalizacyjnej. Przyjmując masę atomową erbu równą 167,259 g/mol:
mg/L w przeliczeniu na Er = mg/L soli × (liczba atomów Er w jednostce wzoru × 167,259) / masa molowa soli.
| Czysta sól | Wzór | Przybliżona masa molowa | Er przy stężeniu soli 100 mg/L |
|---|---|---|---|
| Bezwodny chlorek erbu | ErCl3 | 273,62 g/mol | 61,1 mg/L w przeliczeniu na Er |
| Sześciowodny chlorek erbu | ErCl3·6H2O | 381,71 g/mol | 43,8 mg/L w przeliczeniu na Er |
| Pięciowodny azotan erbu | Er(NO3)3·5H2O | 443,35 g/mol | 37,7 mg/L w przeliczeniu na Er |
W przykładach założono użycie wskazanego czystego związku i jego całkowite rozpuszczenie; podane wartości nie są granicami rozpuszczalności. Należy uwzględnić oznaczoną zawartość substancji w produkcie, wilgotność, rzeczywistą postać uwodnioną oraz nierozpuszczony materiał. Stężenie erbu wynoszące 1 mmol/L odpowiada 167,259 mg/L w przeliczeniu na Er. Samo oznaczenie całkowitej zawartości pierwiastka nie pozwala ustalić, jaka sól została pierwotnie użyta.
Zatężanie i odzyskiwanie erbu
Adsorpcja, po której następuje desorpcja, lub wymiana jonowa, po której następuje elucja, mogą przenieść wychwycony erb do innego strumienia cieczy. Mniejsza objętość końcowa może zwiększyć jego stężenie. Koncentrat może zawierać także inne pierwiastki ziem rzadkich, sole i zanieczyszczenia, dlatego stopień odzysku i czystość wymagają osobnych pomiarów.
Dla ilustracyjnego bilansu masy rozważmy 1 m3 wody o stężeniu 10 mg/L w przeliczeniu na Er: zawiera ona 10 g erbu. Odzyskanie 90% tej masy w końcowej objętości cieczy wynoszącej 10 L dałoby stężenie 900 mg/L w przeliczeniu na Er, czyli 90-krotny wzrost stężenia. Jest to obliczenie, a nie przewidywany stopień odzysku w procesie uzdatniania. W rzeczywistym bilansie należy uwzględnić wszystkie odpływające strumienie cieczy, pozostałe substancje stałe i straty.
Przydatne dane wejściowe do projektowania procesu obejmują natężenie przepływu, temperaturę, pH, całkowitą zawartość erbu i zawartość erbu rozpuszczonego, inne pierwiastki ziem rzadkich, główne jony, zawiesiny oraz znane substancje kompleksujące. Przed określeniem skuteczności w badaniach laboratoryjnych lub pilotażowych należy zdefiniować zarówno docelową jakość uzdatnionej wody, jak i ewentualny cel odzysku.
Źródła
- Thermo Scientific Chemicals: bezwodny chlorek erbu, pięciowodny azotan erbu i ośmiowodny siarczan erbu.
- Inorganic Ventures: Przewodnik po układzie okresowym pierwiastków, chemia erbu w roztworach.
- Adsorpcja erbu(III) z roztworów wodnych na żywicy D113-III: badania okresowe i kolumnowe.
- Biosorpcja europu i erbu z roztworów wodnych z użyciem kulek z usieciowanej serycyny i alginianu.
- Royal Society of Chemistry: dane atomowe erbu i jego rozdzielanie.