Sole hafnu w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i stężenie
Sole hafnu zachowują się w wodzie różnie. Niektóre się rozpuszczają, inne reagują z wodą, a jeszcze inne są słabo rozpuszczalne. Sama nazwa związku nie pozwala przewidzieć stężenia rozpuszczonego hafnu ani potrzebnej metody uzdatniania.
Informacje o występowaniu i ogólnej chemii wody znajdują się na stronie Hafn w wodzie.
Typowe związki hafnu i ich zachowanie w wodzie
Tabela obejmuje dostępne w handlu odczynniki hafnu istotne dla chemii roztworów wodnych. Nie jest to ranking według zużycia. Specyfikacje produktów opisują konkretne materiały; nie określają uniwersalnego stężenia nasycenia w wodzie procesowej.
| Związek | Wzór | Zachowanie w wodzie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| Chlorek hafnu(IV) | HfCl4 | Zgodnie z przywołanymi informacjami o produkcie Thermo Scientific reaguje z wodą. | Należy uwzględnić hydrolizę. Traktowanie odczynnika jako niezmienionej, rozpuszczonej soli jest niewłaściwe. |
| Oktahydrat tlenochlorku hafnu | HfOCl2·8H2O | Thermo Scientific określa go jako rozpuszczalny w wodzie; przywołana specyfikacja nie podaje ilościowej wartości stężenia nasycenia. | Sprawdź postać hydratu i oznaczoną zawartość substancji. Formy rozpuszczone zależą od składu roztworu. |
| Fluorek hafnu(IV) | HfF4 | W przywołanej karcie charakterystyki ProChem określony jako nierozpuszczalny. | Ta klasyfikacja jakościowa nie oznacza, że w każdych warunkach stężenie rozpuszczonego hafnu wynosi zero. Znaczenie mają kompleksowanie przez fluorki i kwasowość. |
W badaniach chemii roztworów hafnu występują także środowiska azotanowe, siarczanowe, chlorkowe i fluorkowe. Obecność anionu w wodzie nie pozwala wskazać jednej konkretnej rozpuszczonej soli ani określić rozpuszczalności danego stałego hydratu.
Dlaczego rozpuszczalność zależy od składu wody
Hafn zwykle występuje na stopniu utlenienia +4. Hydroliza i tworzenie kompleksów wpływają na jego chemię w roztworach wodnych. Interpretacja pomiaru rozpuszczalności wymaga określenia kwasowości, stężeń ligandów, temperatury, czasu kontaktu i fazy stałej. Danych dla stężonego roztworu kwasowego nie należy bezpośrednio odnosić do wody o odczynie obojętnym.
Klarowny roztwór nie dowodzi, że cały hafn występuje w postaci wolnych jonów. Stężenia hafnu całkowitego i hafnu rozpuszczonego według przyjętej definicji operacyjnej należy podawać osobno, wraz z metodami filtracji i analizy. Koloidy mogą przechodzić przez filtr, a zmiana pH podczas pobierania próbek może zmienić rozkład hafnu między cieczą a fazą stałą.
Usuwanie hafnu z wody
- Cząstki i osady: sedymentacja i filtracja mogą oddzielić odpowiednie substancje stałe. W próbach strącania trzeba zmierzyć stężenie pozostałego rozpuszczonego hafnu i potwierdzić możliwość oddzielenia osadu.
- Adsorpcja: badania uwodnionego tlenku tytanu wykazują sorpcję hafnu z rozcieńczonych roztworów. Aby określić pojemność sorpcyjną, czas kontaktu i wpływ substancji konkurujących, trzeba przeprowadzić badania rzeczywistej wody dopływającej.
- Wymiana jonowa: dobór żywicy zależy od form występowania hafnu i składu roztworu. Badania cyrkonu i hafnu w środowiskach kwasowych uzasadniają testowanie odpowiednich żywic, lecz usunięcie obu pierwiastków nie dowodzi, że zostały rozdzielone.
- Membrany: należy ocenić zatrzymywanie rzeczywiście występujących form oraz zgodność membrany z wodą dopływającą. Strumień retentatu nadal wymaga zagospodarowania; nie zakłada się uniwersalnego procentowego stopnia zatrzymywania hafnu.
Opieraj się na zmierzonej skuteczności dla danej wody. Monitoruj hafn w wodzie uzdatnionej, osadach, zużytych materiałach, wodach popłucznych i roztworach regeneracyjnych. Usuwanie przenosi hafn do innego strumienia; nie niszczy pierwiastka.
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Hf a mg/L związku
Stężenie wyrażone w przeliczeniu na hafn pierwiastkowy różni się od stężenia wyrażonego jako cały związek. Dla czystego związku zawierającego jeden atom hafnu w jednostce wzoru:
mg/L w przeliczeniu na Hf = mg/L związku × 178,49 ÷ masa molowa związku.
| Związek | Przybliżona masa molowa (g/mol) | Ułamek masowy hafnu | Hf pierwiastkowy w 100 mg czystego związku |
|---|---|---|---|
| Chlorek hafnu(IV) | 320.29 | 55.7% | 55,7 mg |
| Oktahydrat tlenochlorku hafnu | 409.52 | 43.6% | 43,6 mg |
| Fluorek hafnu(IV) | 254.48 | 70.1% | 70,1 mg |
Są to teoretyczne ilości pierwiastka, a nie wartości rozpuszczalności ani instrukcje przygotowania roztworów. Należy uwzględnić rzeczywistą oznaczoną zawartość substancji i stopień uwodnienia. Deklaracja czystości w odniesieniu do metali nie musi oznaczać czystości masowej całego związku, szczególnie gdy cyrkon jest wyłączony ze specyfikacji. Jeden mmol/L hafnu pierwiastkowego odpowiada około 178,49 mg/L w przeliczeniu na Hf, niezależnie od użytego odczynnika.
Zatężanie i odzyskiwanie hafnu
Wychwycenie hafnu, a następnie jego elucja mogą przenieść go do mniejszej objętości cieczy. Osiągnięte stężenie zależy zarówno od odzyskanej masy, jak i od zmniejszenia objętości:
Stężenie po odzysku = stężenie w wodzie dopływającej × objętość wody dopływającej × odzyskana część masy ÷ objętość po odzysku.
Na przykład 1 000 L przy stężeniu 10 mg/L w przeliczeniu na Hf zawiera 10 g hafnu. Odzyskanie 90% tej masy w 10 L daje 900 mg/L w przeliczeniu na Hf, czyli 90-krotny wzrost stężenia. Jest to przykład bilansu masy, a nie gwarantowany wynik uzdatniania. W rzeczywistych obliczeniach uwzględnij objętość cieczy płuczących i nieodzyskany materiał.
Sprawność usuwania, odzysk masy i czystość produktu należy podawać osobno. Zatężanie hafnu razem z cyrkonem lub innymi rozpuszczonymi substancjami nie daje oczyszczonego produktu hafnowego.
Dane potrzebne do oceny procesu uzdatniania
Podaj natężenie przepływu, pH, temperaturę, stężenia całkowitego i rozpuszczonego hafnu oraz cyrkonu, zawiesinę, jony główne i substancje kompleksujące. Określ docelowe parametry wody uzdatnionej i planowany produkt odzysku. Przetestuj proces na reprezentatywnej wodzie i uwzględnij wszystkie strumienie pozostałości.
Źródła
- Royal Society of Chemistry: hafn.
- Thermo Scientific: chlorek hafnu(IV).
- Thermo Scientific: oktahydrat tlenochlorku hafnu.
- ProChem: karta charakterystyki fluorku hafnu(IV).
- Chemia wodnych roztworów hafnu(IV): badania ekstrakcji rozpuszczalnikowej i wymiany jonowej.
- Sorpcja hafnu na uwodnionym tlenku tytanu z zastosowaniem techniki znaczników promieniotwórczych.
- Rozdzielanie cyrkonu i hafnu z użyciem chelatującej żywicy jonowymiennej Diphonix.