Typowe sole samaru w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i zatężanie
Do typowych soli samaru należą chlorek, azotan i siarczan, natomiast węglan, szczawian, fosforan i fluorek mają znaczenie jako trudno rozpuszczalne substancje stałe. W artykule porównano ich zachowanie w wodzie oraz wyjaśniono, jak podawać stężenie samaru, usuwać go z wody i zatężać w celu odzysku.
Informacje o występowaniu i kontekście środowiskowym znajdują się na stronie samar w wodzie. Określenie „typowe” odnosi się tu do chemii laboratoryjnej i procesowej, a nie do częstości wykrywania poszczególnych soli w wodach naturalnych. Po rozpuszczeniu soli jej pierwotny wzór nie opisuje wszystkich obecnych form: Sm(III) może tworzyć rozpuszczone kompleksy lub przechodzić do fazy stałej.
Typowe sole i ich rozpuszczalność w wodzie
| Sól | Przykładowe wzory i hydraty | Rozpuszczalność w wodzie | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| Chlorek samaru(III) | SmCl3; SmCl3·6H2O | Rozpuszczalny w wodzie; należy sprawdzić, którego hydratu dotyczy specyfikacja. | Rozpuszczalna sól stosowana do wprowadzania Sm. Usunięcie Sm nie musi oznaczać usunięcia chlorków. |
| Azotan samaru(III) | Sm(NO3)3; zwykle występuje jako hydrat | Rozpuszczalny w wodzie. | Stosowany do przygotowywania roztworów Sm; azotany pozostają odrębną kwestią dotyczącą jakości wody. |
| Siarczan samaru(III) | Sm2(SO4)3; oktahydrat | Ograniczona rozpuszczalność, silnie zależna od temperatury i fazy stałej. W badaniu podano 0,033 mol/kg wody dla oktahydratu w temperaturze 25 °C [7]. | Siarczany tworzą również rozpuszczone kompleksy; obecność siarczanów w wodzie nie powoduje automatycznie wytrącenia całego Sm. |
| Węglan samaru(III) | Sm2(CO3)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny w wodzie; kwas sprzyja rozpuszczaniu. | Potencjalny produkt wytrącania i odzysku. |
| Szczawian samaru(III) | Sm2(C2O4)3·xH2O | Słabo rozpuszczalny; pH i nadmiar ligandu wpływają na stężenie rozpuszczonego Sm. | Istotny przy wytrącaniu i zatężaniu pierwiastków ziem rzadkich. |
| Fosforan samaru(III) | SmPO4 | Trudno rozpuszczalny; kwasowość i kompleksowanie wpływają na rozpuszczanie. | Może unieruchamiać Sm w fazie stałej. |
| Fluorek samaru(III) | SmF3 | Słabo rozpuszczalny w wodzie. | Możliwy osad; dodanie fluorków wprowadza kolejne zanieczyszczenie i nie jest ogólnym zaleceniem dotyczącym uzdatniania wody. |
Są to porównania jakościowe, a nie stężenia nasycenia. Podając liczbową wartość rozpuszczalności, należy określić temperaturę, pH, hydrat lub fazę stałą, skład roztworu oraz jednostki. Wartości wyrażonych w g na 100 g wody nie można bezpośrednio traktować jako wartości w g/L roztworu. Wodorotlenki i tlenki Sm również są istotnymi substancjami stałymi, ale nie uwzględniono ich w tej tabeli jako soli. [1–4]
Od czego zależy stężenie rozpuszczonego samaru?
Rozpuszczalność jest właściwością równowagową; zmierzone stężenie zależy również od wprowadzonej ilości, czasu przebywania i oddzielania substancji stałych. Kwasowość, węglany, siarczany, fosforany, fluorki i ligandy organiczne mogą zmieniać proporcje między wolnymi jonami Sm3+, rozpuszczonymi kompleksami a osadami. Niskie stężenie wolnych jonów nie musi oznaczać niskiego całkowitego stężenia rozpuszczonego Sm. Przewidywania dotyczące wytrącania powinny uwzględniać kompleksowanie i rzeczywiście występujące fazy stałe. [3,4]
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Sm a mg/L soli
Wyniki należy podawać w przeliczeniu na pierwiastkowy samar, np. w µg/L jako Sm lub mg/L jako Sm, oraz wskazać, czy próbka reprezentuje frakcję rozpuszczoną, czy całkowitą. Dawki soli nie należy utożsamiać ze stężeniem rozpuszczonego Sm pozostałego po osiągnięciu równowagi. Nie istnieje jedno reprezentatywne stężenie dla wszystkich wód naturalnych lub przemysłowych.
Obliczone stężenie Sm (mg/L) = dawka soli (mg/L) × n × 150,36 / masa molowa soli (g/mol).
Tutaj n oznacza liczbę atomów Sm w jednostce wzoru. W masie molowej należy uwzględnić wodę krystalizacyjną, a w stosownych przypadkach skorygować obliczenie o oznaczoną zawartość substancji w produkcie.
| Określona sól | Przybliżona masa molowa (g/mol) | Obliczona ilość Sm ze 100 mg/L soli |
|---|---|---|
| SmCl3, bezwodny | 256.71 | 58,6 mg/L jako Sm |
| SmCl3·6H2O | 364.80 | 41,2 mg/L jako Sm |
| Sm(NO3)3·6H2O | 444.47 | 33,8 mg/L jako Sm |
Te przykłady stechiometryczne zakładają użycie czystej substancji, całkowite rozpuszczenie i brak późniejszych strat; nie są ani pomiarami rozpuszczalności, ani stężeniami środowiskowymi. Jeden mmol/L Sm odpowiada około 150,36 mg/L jako Sm. Z kolei 1 mg/L jako Sm odpowiada około 6,65 µmol/L.
Usuwanie z wody
- Wytrącanie i oddzielanie fazy stałej: należy ocenić skuteczność regulacji pH i odpowiednich odczynników strącających na rzeczywistej wodzie. Zastosowanie węglanów, szczawianów i fosforanów może przenieść pierwiastki ziem rzadkich do fazy stałej. Po wytrąceniu 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: wychwytywanie rozpuszczonego Sm na odpowiedniej żywicy i odzyskiwanie go podczas regeneracji w mniejszej objętości cieczy. Badano wychwytywanie Sm(III) na kwaśnej żywicy kationowymiennej; kwasowość, konkurujące jony i obciążenie żywicy wpływają na skuteczność procesu. Pojemność uzyskana w laboratorium nie jest gwarantowaną pojemnością eksploatacyjną instalacji. [5]
- Adsorpcja i specjacja: wychwytywanie przez sorbent zależy od pH, konkurujących jonów i ligandów. Badanie samaru z użyciem żywicy silnie kwasowej wykazało, że w badanych układach ilość samaru nagromadzonego na żywicy była związana ze stężeniem wolnego Sm w roztworze. Pomiarów całkowitego rozpuszczonego Sm i wolnych jonów Sm nie można więc traktować zamiennie. [6]
Sama filtracja usuwa cząstki, a nie swobodnie rozpuszczone jony Sm. Dobór metody uzdatniania powinien opierać się na wynikach pomiarów wody dopływającej, wymaganym stężeniu na odpływie, obecności konkurujących metali oraz powstających strumieniach odpadów lub produktów odzysku. Samo usunięcie Sm nie oznacza, że stężenia chlorków, azotanów, siarczanów lub innych rozpuszczonych składników spełniają wymagania dotyczące jakości wody.
Zatężanie i odzysk
Usuwanie obniża stężenie Sm w uzdatnionej wodzie, natomiast odzysk polega na zebraniu go w postaci użytecznego produktu. Elucja z żywicy jonowymiennej może zatężyć Sm w mniejszej objętości cieczy, a wytrącanie — w fazie stałej. Żaden z tych etapów sam w sobie nie zapewnia oddzielenia Sm od sąsiednich pierwiastków ziem rzadkich ani czystości produktu pozwalającej na jego sprzedaż. [4,5]
Współczynnik zatężenia w fazie ciekłej = stężenie Sm w zebranym eluacie / stężenie Sm w roztworze zasilającym. Stopień odzysku należy obliczyć osobno jako stosunek masy zebranego Sm do masy Sm w roztworze zasilającym. Na przykład 1 m³ wody o stężeniu 10 mg/L w przeliczeniu na Sm zawiera 10 g Sm. Odzyskanie 90% tej ilości w 10 L dałoby stężenie 900 mg/L w przeliczeniu na Sm i współczynnik zatężenia równy 90. Jest to przykładowy bilans masowy, a nie prognoza skuteczności procesu uzdatniania.
Dane potrzebne do oceny metody uzdatniania
Przydatne dane obejmują przepływ, stężenia rozpuszczonego i całkowitego Sm, pH, temperaturę, główne aniony, konkurujące metale, zawiesiny oraz docelowe stężenie na odpływie. Sposób pobierania próbek i przygotowania ich do analizy należy ustalić z laboratorium, aby wyniki dla frakcji rozpuszczonej i całkowitej pozostały porównywalne. Badania w skali laboratoryjnej powinny obejmować pomiar pozostałego Sm, ocenę oddzielania fazy stałej, zużycia odczynników i składu uzyskanego koncentratu.
Źródła i dalsza lektura
- Santa Cruz Biotechnology: sześciowodny chlorek samaru(III).
- Stanford Materials: azotan samaru.
- Stanford Materials: związki samaru.
- Han (2020): Charakterystyka wytrącania pierwiastków ziem rzadkich przy użyciu różnych odczynników strącających.
- Usuwanie samaru(III) za pomocą słabo kwaśnego wymieniacza jonowego Amberlite IRC-50 w formach (H+) i (Na+).
- Specjacja lantanowca (Sm) z użyciem żywicy jonowymiennej (2016).
- Rozpuszczalność i funkcje termodynamiczne siarczanu samaru w wodzie i roztworach kwasu siarkowego (1975).