Sole tantalu w wodzie: rozpuszczalność, usuwanie i stężenie
Związki tantalu mogą reagować z wodą i zmieniać postać chemiczną. Dane o rozpuszczalności muszą zatem odróżniać zwykłe rozpuszczanie od hydrolizy lub rozkładu. Dobór metody uzdatniania zależy od rzeczywistej zawartości tantalu rozpuszczonego i obecnego w cząstkach w wodzie dopływającej.
Informacje o występowaniu i ogólnych właściwościach chemicznych znajdują się na stronie Tantal w wodzie.
Typowe związki tantalu i ich zachowanie w wodzie
Poniższe związki dostępne w handlu mają znaczenie w przetwórstwie tantalu i chemii laboratoryjnej. Tabela opisuje przywołane produkty; nie przedstawia rankingu światowego zużycia ani nie przypisuje im niepopartego danymi stężenia nasycenia.
| Związek | Wzór | Zachowanie w wodzie | Znaczenie dla procesu oczyszczania |
|---|---|---|---|
| Chlorek tantalu(V) | TaCl5 | Według Thermo Scientific związek reaguje z wodą. | Należy uwzględnić hydrolizę. Wzór związku wyjściowego nie opisuje wszystkich form chemicznych obecnych po kontakcie z wodą. |
| Fluorek tantalu(V) | TaF5 | Według Gelest związek reaguje z wodą. | Kwasowość i stężenie fluorków wpływają na przemiany chemiczne w roztworze wodnym. Ilość dodanego odczynnika nie jest zmierzonym stężeniem rozpuszczonego tantalu. |
| Heptafluorotantalan(V) potasu | K2TaF7 | Przywołana specyfikacja produktu Thermo Scientific podaje, że związek rozkłada się w wodzie. | Prostego oznaczenia „rozpuszczalny/nierozpuszczalny” nie należy traktować jako dowodu stabilności chemicznej w danej wodzie. |
Te opisy jakościowe nie określają liczbowych granic rozpuszczalności. Należy korzystać z danych dotyczących konkretnej postaci stałej, temperatury, kwasowości i składu roztworu. Kompleks fluorkowy w kwaśnym roztworze procesowym zachowuje się inaczej niż stały związek dodany do zwykłej wody.
Rozpuszczalność i formy rozpuszczone
W tych związkach tantal występuje zazwyczaj jako Ta(V). Hydroliza, tworzenie kompleksów i wytrącanie wpływają na rozkład tantalu między formy rozpuszczone, koloidy i ciała stałe. Badano środowiska fluorkowe i chlorkowe pod kątem odzysku tantalu, a warunki procesu wpływają na przebieg ekstrakcji. Obserwacje laboratoryjne wskazują również, że podczas przechowywania roztworów halogenków tantalu mogą powstawać osady.
Całkowitą zawartość tantalu i zawartość tantalu rozpuszczonego w sensie operacyjnym należy podawać osobno, wraz ze specyfikacją filtra, sposobem utrwalenia próbki i metodą analityczną. Frakcja po filtracji może zawierać koloidy i kompleksy. Jeśli istotna jest czystość odzyskanego produktu, należy oznaczyć niob i inne pierwiastki towarzyszące.
Usuwanie tantalu z wody
- Cząstki i osady: należy ocenić sedymentację, koagulację tam, gdzie jest odpowiednia, oraz filtrację. Przy badaniu wytrącania frakcji rozpuszczonej należy zmierzyć stężenie pozostałego rozpuszczonego tantalu i skuteczność oddzielenia ciał stałych.
- Wymiana jonowa: badania nad przetwarzaniem tantalu i niobu pokazują znaczenie doboru żywicy i składu chemicznego dopływu. Na reprezentatywnym dopływie należy potwierdzić pojemność, selektywność, moment przebicia i regenerację.
- Ekstrakcja rozpuszczalnikowa: badania potwierdzają możliwość odzysku ze specjalistycznych roztworów halogenkowych. Należy ocenić rozdział faz, reekstrakcję i gospodarowanie rozpuszczalnikiem. Wyniki te nie określają uniwersalnej skuteczności procentowej usuwania tantalu ze ścieków.
- Adsorpcja i membrany: skuteczność należy ustalić doświadczalnie dla rzeczywiście występujących form chemicznych i składu wody. Należy sprawdzić kompatybilność materiałów, wpływ jonów konkurujących, zanieczyszczanie powierzchni oraz powstający strumień odpadowy.
Usuwanie tantalu przenosi go do ciał stałych, materiałów sorpcyjnych, fazy ekstrakcyjnej lub koncentratu. Strumienie te należy uwzględnić w bilansie materiałowym. Łączne usuwanie tantalu i niobu to coś innego niż rozdzielanie tych dwóch pierwiastków.
Stężenie: mg/L w przeliczeniu na Ta a mg/L związku
Dla czystego związku zawierającego jeden atom tantalu w jednostce wzoru:
mg/L w przeliczeniu na Ta = mg/L związku × 180,948 ÷ masa molowa związku.
| Związek | Przybliżona masa molowa (g/mol) | Udział masowy tantalu | Pierwiastkowy Ta w 100 mg czystego związku |
|---|---|---|---|
| Chlorek tantalu(V) | 358.20 | 50.5% | 50,5 mg |
| Fluorek tantalu(V) | 275.94 | 65.6% | 65,6 mg |
| Heptafluorotantalan(V) potasu | 392.13 | 46.1% | 46,1 mg |
Obliczenia te opisują teoretyczne ilości pierwiastka. Nie są to wartości rozpuszczalności ani instrukcje przygotowywania roztworów. Należy uwzględnić rzeczywistą czystość związku i stopień uwodnienia; wynik oznaczenia czystości w odniesieniu do zawartości metali nie musi odpowiadać czystości masowej całego związku. Jeden mmol/L pierwiastkowego Ta odpowiada w przybliżeniu 180,948 mg/L w przeliczeniu na Ta, niezależnie od użytego odczynnika wyjściowego.
Zatężanie i odzysk tantalu
Wychwytywanie, a następnie reekstrakcja lub elucja mogą przenieść tantal do mniejszej objętości cieczy. Stężenie zależy od rzeczywiście odzyskanej masy:
Stężenie w odzyskanym roztworze = stężenie w dopływie × objętość dopływu × udział odzyskanej masy ÷ objętość odzyskanego roztworu.
Na przykład 1 000 L o stężeniu 10 mg/L w przeliczeniu na Ta zawiera 10 g tantalu. Odzyskanie 90% tej masy do 10 L daje stężenie 900 mg/L w przeliczeniu na Ta, czyli 90-krotny wzrost stężenia. Jest to przykład bilansu masy, a nie gwarantowany wynik procesu. W obliczeniach należy uwzględnić płukanie, rozcieńczenie i tantal, którego nie odzyskano.
Skuteczność usuwania, odzysk masy i czystość odzyskanego produktu należy podawać osobno. Samo zatężenie mieszanego roztworu nie oczyszcza tantalu. Należy uwzględnić tantal w wodzie po oczyszczeniu, ciałach stałych, zużytych materiałach sorpcyjnych, fazach ekstrakcyjnych i cieczach po regeneracji.
Informacje przydatne do oceny procesu oczyszczania
Należy podać przepływ, pH, temperaturę, całkowitą i rozpuszczoną zawartość tantalu i niobu, zawiesiny, główne jony oraz substancje kompleksujące. Należy określić docelowe parametry oczyszczonej wody i pożądany produkt odzysku. Ocena skuteczności procesu wymaga prób na reprezentatywnym dopływie i pełnego bilansu masy.
Źródła
- Royal Society of Chemistry: tantal.
- Thermo Scientific: chlorek tantalu(V).
- Gelest: karta charakterystyki pentafluorku tantalu.
- Thermo Scientific: heptafluorotantalan(V) potasu.
- Odzyskiwanie tantalu metodą ekstrakcji rozpuszczalnikowej: chlorki są lepsze niż fluorki.
- Rozdzielanie i izolacja tantalu oraz niobu z tantalitu metodami ekstrakcji rozpuszczalnikowej i wymiany jonowej.