Typowe sole prazeodymu w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i zatężanie
Do typowych soli prazeodymu należą chlorek, azotan i siarczan, natomiast węglan, szczawian, fosforan i fluorek mają znaczenie jako trudno rozpuszczalne substancje stałe. W tym opracowaniu porównano ich zachowanie w wodzie oraz wyjaśniono, jak podawać stężenie prazeodymu, usuwać go z wody i zatężać w celu odzysku.
Informacje o występowaniu i kontekście środowiskowym można znaleźć na stronie Prazeodym w wodzie. „Typowe” odnosi się tu do chemii laboratoryjnej i procesowej, a nie do rankingu soli wykrywanych w wodach naturalnych. Po rozpuszczeniu soli jej pierwotny wzór nie opisuje wszystkich obecnych form chemicznych: Pr(III) może tworzyć rozpuszczone kompleksy lub przechodzić do fazy stałej.
Typowe sole i ich rozpuszczalność w wodzie
| Sól | Wzór i przykłady hydratów | Rozpuszczalność w wodzie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| Chlorek prazeodymu(III) | PrCl3; PrCl3·6H2O lub ·7H2O | Rozpuszczalny w wodzie; należy sprawdzić wskazany hydrat. | Rozpuszczalna sól służąca do wprowadzania Pr. Usunięcie Pr nie musi oznaczać usunięcia chlorków. |
| Azotan prazeodymu(III) | Pr(NO3)3; zwykle występuje w postaci uwodnionej | Rozpuszczalny w wodzie. | Stosowany do przygotowywania roztworów Pr; azotany pozostają odrębną kwestią dotyczącą jakości wody. |
| Siarczan prazeodymu(III) | Pr2(SO4)3; oktahydrat | Ograniczona rozpuszczalność; silnie zależy od warunków i fazy stałej. | Siarczany tworzą także rozpuszczone kompleksy; obecność siarczanów w wodzie nie powoduje automatycznie wytrącenia całego Pr. |
| Węglan prazeodymu(III) | Pr2(CO3)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny w wodzie; kwas sprzyja rozpuszczaniu. | Potencjalny produkt strącania i odzysku. |
| Szczawian prazeodymu(III) | Pr2(C2O4)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny; pH i nadmiar ligandu wpływają na stężenie rozpuszczonego Pr. | Ma znaczenie dla strącania i zatężania pierwiastków ziem rzadkich. |
| Fosforan prazeodymu(III) | PrPO4 | Trudno rozpuszczalny; kwasowość i kompleksowanie wpływają na rozpuszczanie. | Może unieruchamiać Pr w fazie stałej. |
| Fluorek prazeodymu(III) | PrF3 | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | Możliwy osad; dodanie fluorków wprowadza dodatkowe zanieczyszczenie i nie jest ogólnym zaleceniem dotyczącym uzdatniania wody. |
Są to porównania jakościowe, a nie stężenia nasycenia. Przy podawaniu liczbowej wartości rozpuszczalności należy określić temperaturę, pH, hydrat lub fazę stałą, skład roztworu oraz jednostki. Wartości w g na 100 g wody nie można bezpośrednio stosować jako wartości w g/L roztworu. Wodorotlenki i tlenki Pr również są istotnymi substancjami stałymi, ale nie uwzględniono ich w tej tabeli jako soli. [1–4]
Co decyduje o stężeniu rozpuszczonego prazeodymu?
Rozpuszczalność jest właściwością równowagową; zmierzone stężenie zależy także od wprowadzonej ilości, czasu przebywania i oddzielenia substancji stałych. Kwasowość, węglany, siarczany, fosforany, fluorki i ligandy organiczne mogą zmieniać proporcje między wolnymi jonami Pr3+, rozpuszczonymi kompleksami i osadami. Niskie stężenie wolnych jonów nie musi oznaczać niskiego całkowitego stężenia rozpuszczonego Pr. Prognozy strącania powinny uwzględniać kompleksowanie i rzeczywiście występujące fazy stałe. [3,4]
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Pr a mg/L soli
Wyniki należy podawać w przeliczeniu na pierwiastkowy prazeodym, na przykład w µg/L jako Pr lub mg/L jako Pr, oraz określić, czy próbka reprezentuje frakcję rozpuszczoną, czy całkowitą. Dawki soli nie należy utożsamiać ze stężeniem rozpuszczonego Pr pozostałego po ustaleniu równowagi. Nie istnieje jedno reprezentatywne stężenie dla wszystkich wód naturalnych lub przemysłowych.
Obliczone stężenie Pr (mg/L) = dawka soli (mg/L) × n × 140,90766 / masa molowa soli (g/mol).
Tutaj n oznacza liczbę atomów Pr w jednostce wzoru chemicznego. W masie molowej należy uwzględnić wodę krystalizacyjną oraz, w stosownych przypadkach, skorygować obliczenia o oznaczoną zawartość substancji w produkcie.
| Sól o określonym składzie | Przybliżona masa molowa (g/mol) | Obliczona ilość Pr ze 100 mg/L soli |
|---|---|---|
| PrCl3, bezwodny | 247.26 | 57,0 mg/L jako Pr |
| PrCl3·6H2O | 355.35 | 39,7 mg/L jako Pr |
| Pr(NO3)3·6H2O | 435.01 | 32,4 mg/L jako Pr |
W tych przykładach stechiometrycznych założono czysty materiał, całkowite rozpuszczenie i brak późniejszych strat; nie są to ani pomiary rozpuszczalności, ani stężenia środowiskowe. Jeden mmol/L Pr odpowiada około 140,91 mg/L jako Pr. Z kolei 1 mg/L jako Pr odpowiada około 7,10 µmol/L.
Usuwanie z wody
- Strącanie i oddzielanie fazy stałej: należy ocenić możliwość regulacji pH i zastosowania odpowiednich środków strącających w badanej wodzie. Reakcje z udziałem węglanów, szczawianów i fosforanów mogą przenosić pierwiastki ziem rzadkich do fazy stałej. Po strąceniu należy zastosować sedymentację lub filtrację; samo wytworzenie osadu nie usuwa go ze strumienia wody. Współstrącanie może prowadzić do powstania osadu zawierającego różne metale. [4]
- Wymiana jonowa: rozpuszczony Pr można wychwycić na odpowiedniej żywicy, a następnie wymyć podczas regeneracji do mniejszej objętości roztworu. Badano wychwyt Pr(III) na kwaśnej żywicy kationowymiennej; na skuteczność wpływają kwasowość, jony konkurujące i stopień obciążenia żywicy. Pojemność uzyskana w laboratorium nie gwarantuje takiej samej pojemności roboczej w instalacji. [5]
- Adsorpcja: sorbenty mogą wiązać Pr, ale znaczenie mają pH, czas kontaktu i skład wody. Wyniki badań adsorpcji Pr na osadach dennych przemawiają za przeprowadzeniem testów, a nie za zakładaniem, że usuwanie będzie skuteczne w każdych warunkach. Należy ocenić możliwość regeneracji lub unieszkodliwienia zużytego sorbentu. [6]
Sama filtracja usuwa cząstki, a nie swobodnie rozpuszczone jony Pr. Dobór metody uzdatniania powinien opierać się na zmierzonym składzie wody dopływającej, wymaganym stężeniu na odpływie, obecności metali konkurujących oraz charakterystyce powstających strumieni odpadów lub odzyskiwanych materiałów. Samo usunięcie Pr nie oznacza, że stężenia chlorków, azotanów, siarczanów lub innych rozpuszczonych składników spełniają wymagania dotyczące jakości wody.
Zatężanie i odzysk
Usuwanie obniża stężenie Pr w uzdatnionej wodzie, natomiast odzysk polega na pozyskaniu go w postaci użytecznego produktu. Elucja z żywicy jonowymiennej może zatężyć Pr w mniejszej objętości roztworu, a strącanie — w fazie stałej. Żaden z tych etapów sam w sobie nie zapewnia oddzielenia Pr od pokrewnych pierwiastków ziem rzadkich ani czystości produktu umożliwiającej jego sprzedaż. [4,5]
Współczynnik zatężenia w fazie ciekłej = stężenie Pr w zebranym eluacie / stężenie Pr w roztworze zasilającym. Odzysk należy obliczyć osobno jako stosunek masy zebranego Pr do masy Pr w roztworze zasilającym. Na przykład 1 m³ zawierający 10 mg/L w przeliczeniu na Pr zawiera 10 g Pr. Odzyskanie 90% do 10 L dałoby stężenie 900 mg/L w przeliczeniu na Pr i współczynnik zatężenia równy 90. Jest to przykładowy bilans masy, a nie prognoza skuteczności uzdatniania.
Informacje potrzebne do oceny procesu uzdatniania
Przydatne dane obejmują natężenie przepływu, stężenie Pr rozpuszczonego i całkowitego, pH, temperaturę, główne aniony, konkurujące metale, zawiesiny oraz docelowe stężenie na wylocie. Sposób pobierania i przygotowania próbek do analizy należy uzgodnić z laboratorium, aby wyniki dla Pr rozpuszczonego i całkowitego pozostały porównywalne. W badaniach laboratoryjnych należy mierzyć stężenie pozostałego Pr, skuteczność oddzielania cząstek stałych, zużycie odczynników oraz skład ewentualnego koncentratu.
Źródła i dalsza lektura
- Stanford Materials: informacje o produkcie — chlorek prazeodymu.
- CDH: specyfikacja azotanu prazeodymu.
- Inorganic Ventures: przewodnik po układzie okresowym, zgodność chemiczna i rozpuszczalność prazeodymu.
- Han (2020): Charakterystyka wytrącania pierwiastków ziem rzadkich przy użyciu różnych odczynników strącających.
- Badania modelowe i równowagowe nad odzyskiem prazeodymu(III), dysprozu(III) i itru(III) z użyciem kwaśnej żywicy kationowymiennej (2022).
- Naturalny osad przy zaporze i zawarte w nim materiały nieorganiczne jako adsorbenty prazeodymu (Pr(III)) (2023).