Sole holmu w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i zatężanie
Chlorek i azotan holmu są rozpuszczalnymi w wodzie źródłami Ho(III), natomiast węglan, szczawian i fluorek są związkami trudno rozpuszczalnymi. O przebiegu uzdatniania decyduje postać chemiczna obecna po zmieszaniu z wodą; sama nazwa wyjściowej soli nie wystarcza.
Informacje o źródłach i drogach przemieszczania się w środowisku zawiera artykuł Holm w wodzie.
Typowe sole holmu 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 holmu pozostającego w roztworze.
| Sól | Przykładowy wzór | Zachowanie w wodzie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| Sześciowodny chlorek holmu(III) | HoCl3·6H2O | Rozpuszczalny w wodzie. | Dostarcza rozpuszczonego Ho(III); stopień uwodnienia zmienia udział masowy holmu. |
| Pięciowodny azotan holmu(III) | Ho(NO3)3·5H2O | Rozpuszczalny w wodzie. | Do roztworu przechodzą zarówno holm, jak i azotany. Należy sprawdzić postać hydratu i oznaczoną zawartość substancji w świadectwie analizy produktu. |
| Siarczan holmu(III) | Ho2(SO4)3 | Według informacji dostawcy umiarkowanie rozpuszczalny w wodzie. | Przed przygotowaniem lub zatężaniem roztworu należy sprawdzić postać hydratu, temperaturę i skład siarczanowy. |
| Uwodniony węglan holmu(III) | Ho2(CO3)3·xH2O | Trudno rozpuszczalny w wodzie. | Zawiesina nie jest roztworem, w którym substancja uległa rozpuszczeniu. Zmienny stopień uwodnienia wpływa na obliczenia masowe. |
| Uwodniony szczawian holmu(III) | Ho2(C2O4)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | Możliwy produkt strącania; należy zmierzyć pozostałą ilość rozpuszczonego holmu, zamiast zakładać jego całkowite usunięcie. |
| Fluorek holmu(III) | HoF3 | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | W ocenie jakości wody i pozostałości należy uwzględnić zarówno fluor, jak i holm. |
Co dzieje się po rozpuszczeniu?
Związki te zawierają trójwartościowy holm, Ho(III). Zmiany kwasowości lub obecność substancji kompleksujących mogą zmieniać postacie chemiczne rozpuszczonego holmu oraz jego skłonność do tworzenia cząstek lub wiązania się z powierzchniami. Dlatego roztwór przygotowany z rozpuszczalnej soli może się zmienić po zmieszaniu z innym strumieniem.
Należy mierzyć całkowitą zawartość holmu oraz, w stosownych przypadkach, frakcję rozpuszczoną zdefiniowaną przez określoną metodę pobierania i filtracji próbek. Drobne cząstki i koloidy mogą wpływać na to rozróżnienie. Należy dokumentować metody przygotowania próbek, aby wyniki sprzed uzdatniania i po nim były porównywalne.
Usuwanie holmu z wody
Oddzielanie cząstek stałych i strącanie
Sedymentacja i filtracja mogą usuwać cząstki zawierające holm, jeśli można je skutecznie oddzielić. Same w sobie nie dowodzą jednak usunięcia rozpuszczonego Ho(III). Strącanie może przekształcić rozpuszczony holm w trudno rozpuszczalną substancję stałą, jeśli pozwala na to skład chemiczny roztworu.
Przy planowaniu każdego etapu strącania należy sprawdzić kwasowość, obecność substancji kompleksujących, konkurujących jonów i pozostałego rozpuszczonego holmu oraz podatność osadu na filtrację. Jakościowy opis rozpuszczalności nie wyznacza uniwersalnej dawki ani roboczej wartości pH. W bilansie procesu uzdatniania należy uwzględnić dodane odczynniki i powstały osad.
Adsorpcja i wymiana jonowa
W badaniach pierwotnych analizowano adsorpcję holmu na magnetycznym tlenku grafenu funkcjonalizowanym grupami aminowymi oraz na modyfikowanych kompozytach alginianowych. W badaniu alginianów analizowano pH, czas kontaktu, stężenie początkowe, temperaturę, konkurujące metale i regenerację. Wyniki te uzasadniają badanie możliwych mechanizmów wychwytywania holmu, a nie zakładanie takiej samej skuteczności w wodzie o innym składzie.
Wymiana jonowa jest stosowana do rozdzielania pierwiastków ziem rzadkich, ale wybór rozwiązania do zastosowania w praktyce wymaga zbadania rzeczywistej mieszaniny. Należy ocenić pojemność, czas kontaktu, moment przebicia złoża, wpływ konkurujących jonów i regenerację. Prosty roztwór soli holmu może zachowywać się inaczej niż roztwór zawierający mieszaninę pierwiastków ziem rzadkich lub woda zawierająca ligandy organiczne.
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Ho a mg/L soli
Wartość wyrażona jako zawartość holmu pierwiastkowego nie obejmuje przeciwjonów ani wody krystalizacyjnej. Przyjmując masę atomową holmu wynoszącą 164,930 g/mol:
mg/L w przeliczeniu na Ho = mg/L soli × (liczba atomów Ho w jednostce wzoru × 164,930) / masa molowa soli.
| Czysta sól | Wzór | Przybliżona masa molowa | Stężenie Ho odpowiadające 100 mg/L soli |
|---|---|---|---|
| Bezwodny chlorek holmu | HoCl3 | 271,29 g/mol | 60,8 mg/L w przeliczeniu na Ho |
| Chlorek holmu sześciowodny | HoCl3·6H2O | 379,38 g/mol | 43,5 mg/L w przeliczeniu na Ho |
| Pięciowodny azotan holmu | Ho(NO3)3·5H2O | 441,02 g/mol | 37,4 mg/L w przeliczeniu na Ho |
W tych 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 holmu wynoszące 1 mmol/L odpowiada 164,930 mg/L w przeliczeniu na Ho. Sama analiza całkowitej zawartości pierwiastka nie pozwala ustalić, jaka sól została pierwotnie użyta.
Zatężanie i odzysk holmu
Adsorpcja, po której następuje desorpcja, lub wymiana jonowa, po której następuje elucja, mogą przenieść wychwycony holm 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.
Przykładowy bilans masowy: 1 m3 wody o stężeniu 10 mg/L w przeliczeniu na Ho zawiera 10 g holmu. Odzyskanie 90% tej masy do końcowej objętości cieczy wynoszącej 10 L dałoby stężenie 900 mg/L w przeliczeniu na Ho, czyli 90-krotne zatężenie. Jest to obliczenie, a nie oczekiwana wydajność procesu uzdatniania. W rzeczywistym bilansie należy uwzględnić wszystkie strumienie odpływających cieczy, pozostałe substancje stałe oraz straty.
Przydatne dane wejściowe do projektowania procesu obejmują natężenie przepływu, temperaturę, pH, całkowitą zawartość holmu i zawartość holmu rozpuszczonego, inne pierwiastki ziem rzadkich, główne jony, zawiesiny oraz znane substancje kompleksujące. Przed określeniem skuteczności w badaniach laboratoryjnych lub pilotażowych należy ustalić zarówno docelowe parametry uzdatnionej wody, jak i ewentualny cel odzysku.
Źródła
- Thermo Scientific Chemicals: sześciowodny chlorek holmu i pięciowodny azotan holmu.
- American Elements: siarczan holmu.
- Inorganic Ventures: Przewodnik po układzie okresowym, chemia holmu w roztworach.
- Odzysk ciężkich pierwiastków ziem rzadkich z użyciem magnetycznego tlenku grafenu funkcjonalizowanego grupami aminowymi.
- Modyfikowane kompozyty alginianowe oparte na surowcach odnawialnych do adsorpcji samaru i holmu.
- Królewskie Towarzystwo Chemiczne: dane atomowe holmu i jego rozdzielanie.