Что такое осаждение в химии

ОСАЖДЕНИЕ

выделение в виде твердого осадка из газа (пара), р-ра или расплава одного или неск. компонентов. Для этого создают условия, когда система из исходного устойчивого состояния переходит в неустойчивое и в ней происходит образование твердой фазы (см. Зарождение новой фазы). О. из пара (десублимация) достигается понижением т-ры (напр., при охлаждении паров иода возникают кристаллы иода) или хим. превращ. паров, к к-рому приводят нагревание, воздействие радиации и т. д. Так, при перегревании паров белого фосфора образуется осадок красного фосфора; при нагр. паров летучих -дикетонатов металлов в присут. О 2 осаждаются пленки твердых оксидов металлов.

После О. из водных р-ров образующемуся высокодисперсному осадку перед отделением часто дают возможность «созреть», т. е. выдерживают осадок в том же (маточном) р-ре, иногда при нагревании. При этом в результате т. наз. оствальдова созревания, обусловленного различием в р-ри-мости мелких и крупных частиц, агрегации и др. процессов, происходит укрупнение частиц осадка, удаляются соосаж-денные примеси, улучшается фильтруемость. Св-ва образующихся осадков удается изменять в широких пределах благодаря введению в р-р разл. добавок (ПАВ и др.), изменению т-ры или скорости перемешивания и др. факторам. Так, варьированием условий осаждения BaSO 4 из водных р-ров удается увеличить уд. пов-сть осадка от

10 м 2 /г и более, изменить морфологию частиц осадка, модифицировать поверхностные св-ва последнего. Образовавшийся осадок, как правило, оседает на дно сосуда под действием силы тяжести. Если осадок мелкодисперсный, для облегчения его отделения от маточного р-ра применяют центрифугирование.

Широкое применение находит электроосаждение- О. в результате электролиза при пропускании через р-р (расплав) электрич. тока. Путем электроосаждения выделяют из р-ров мн. металлы, в частности Ag, Cu, Ni. Др. тип электрохим. осаждения, иногда называемый цементацией,-выделение менее активного металла на пов-сти более активного без пропускания тока (напр., Сu из р-ров ее солей осаждается на пов-сти железа).

Разл. виды О. находят широкое применение в химии при обнаружении хим. элементов по характерному осадку (см., в частности, Микрокристаллоскопия )и при количеств. определении в-в (см. Гравиметрия), для удаления мешающих определению компонентов и для выделения примесей со-осаждением, при очистке солей перекристаллизацией, для получения пленок, а также в хим. пром-сти для разделения фаз.

В последнем случае под О. понимают мех. отделение взвешенных частиц от жидкости в суспензии под действием силы тяжести. Эти процессы наз. также седиментацией, оседанием, отстаиванием, сгущением (если О. проводят с целью получения плотного осадка) или осветлением (если получают чистые жидкости). При сгущении и осветлении часто дополнительно применяют фильтрование.

Необходимым условием О. является существование разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, т. е. седиментац. неустойчивость (для грубодисперс-ных систем). Для высокодисперсных систем разработан критерий седиментации, к-рый определяется гл. обр. энтропией, а также т-рой и др. факторами. Установлено, что энтропия выше при протекании О. в потоке, а не в неподвижной жидкости. Если критерий седиментации меньше критич. величины, О. не происходит и устанавливается седиментац. равновесие, при к-ром дисперсные частицы распределяются по высоте слоя по определенному закону. При О. концент-рир. суспензий крупные частицы при падении увлекают за собой более мелкие, что ведет к укрупнению частиц осадка (ортокинетич. коагуляция).

Скорость О. зависит от физ. св-в дисперсной и дисперсионной фаз, концентрации дисперсной фазы, т-ры. Скорость О. отдельной сферич. частицы описывается ур-нием Стокса: , где d- диаметр частицы, -разность плотностей твердой () и жидкой () фаз, -динамич. вязкость жидкой фазы, -ускорение своб. падения. Ур-ние Стокса применимо лишь к строго ламинарному режиму движения частицы, когда число Рейнольдса Re 500. В этом случае траектории движения частиц искривляются, жидкость перемешивается, что способствует переносу твердых частиц и их транспортированию во взвешенном состоянии на значит. расстояния.

Эффективность отстаивания суспензий существенно повышается при ламинарном режиме течения, к-рый обеспечивается соответствующей скоростью подачи жидкости, так и применением перегородок (горизонтальных, наклонных или вертикальных).

На рис. 1 изображен радиальный отстойник-смолоулови-тель, применяемый на коксохим. заводах для очистки сточных вод, содержащих смолы и масла. Всплывающая на пов-сть жидкости легкая фаза (масла) перетекает в сборник 3, откуда откачивается насосом. Плавающие доски 2 служат ограничителями, предотвращающими перетекание легкой фазы из одной части отстойника в другую. Скребки 6 перемещают осадок к отводу 7.

На рис. 2 приведена схема наклонного многополочного сгустителя для осветления высококонцентрир. сточных вод обогатит. фабрик цветной металлургии и сгущения продуктов обогащения. Сточные воды, содержащие взвешенных в-в 20-60 г/л, поступают через центр. трубу в зону О. и затем в зону тонкослойного О. Жидкая фаза после отстаивания переливается в периферийный лоток 5, а осадок скребковым механизмом 8 подается к центру отстойника, откуда отводится через трубопровод 6 для дальнейшей обработки.

На рис. 3 приведена схема горизонтального отстойника для выделения оседающих и всплывающих примесей из производств. сточных вод заводов синтетич. каучука. Он представляет собой прямоугольный железобетонный проточный резервуар. Сточные воды через камеру 1 распределяются по четырем секциям. Механизм для сгребания осадка представляет собой транспортер 4 со скребками, работающий по типу эскалатора. В конце отстойной части расположен лоток для приема осветленной воды. Добавляемый для очистки воды «активный» ил с бактериями (уничтожающими орг. примеси) задерживается в спец. отстойниках-иловых колодцах 2. По сравнению с круглыми, прямоугольные горизонтальные отстойники занимают меньшую площадь и быстрее удаляют осадок.

Рис. 3. Горизонтальный отстойник: 1 распределительная камера; 2 иловые колодцы; 3 электропривод; 4 скребковые транспортеры; 5 отводящие трубопроводы.

В хим. пром-сти отстойники применяют для отделения значит. части жидкой фазы суспензий перед фильтрацией, для промывки осадков методом декантации, улавливания из сточных вод ценных или вредных продуктов, для разделения по крупности зерен твердой фазы суспензий при мокром помоле и замкнутом цикле, для отделения примесей или крупных зерен при отмучивании дисперсных систем.

Источник

Химическое осаждение

Химическое осаждение – один из простейших методов разделения веществ, в частности очистки реактивов, заключающийся в переводе примеси (или основного вещества) в осадок. Это может быть достигнуто, если при действии подходящего реагента удаляемый компонент смеси образует малорастворимое соединение, например, выделение примеси Fe 3+ в NH₄Cl при действии NH₄OH

Fe 3+ +3NH₄OH → Fe (OH)₃↓+ 3NH

3Zn(OH)₂ + 2 Fe 3+ → 2Fe(OH)₃↓ + 3Zn 2+

Процесс идет практически до конца, что следует из значения константы равновесия:

Большое значение имеют такие методы разделения двух веществ, основанные на осаждении одного из них при одновременном связывании второго в устойчивый растворимый комплекс.

Зависимость характера осадка от условий осаждения применительно к получению чистых веществ изучалась В.А.Соколом и А.В.Бромбергом. Все шире используются органические осадители, позволяющие добиваться высокой степени очистки от примесей, например, осаждение купфероном или оксимами.

Источник

ОСАЖДЕНИЕ

ОСАЖДЕНИЕ, выделение в виде твердого осадка из газа (пара), р-ра или расплава одного или неск. компонентов. Для этого создают условия, когда система из исходного устойчивого состояния переходит в неустойчивое и в ней происходит образование твердой фазы (см. Зарождение новой фазы). Осаждение из пара (десублимация) достигается понижением т-ры (напр., при охлаждении паров иода возникают кристаллы иода) или хим. превращ. паров, к к-рому приводят нагревание, воздействие радиации и т.д. Так, при перегревании паров белого фосфора образуется осадок красного фосфора; при нагр. паров летучих -дикетонатов металлов в присут. О 2 осаждаются пленки твердых оксидов металлов.

После осаждения из водных р-ров образующемуся высокодисперсному осадку перед отделением часто дают возможность «созреть», т.е. выдерживают осадок в том же (маточном) р-ре, иногда при нагревании. При этом в результате т. наз. оствальдова созревания, обусловленного различием в р-ри-мости мелких и крупных частиц, агрегации и др. процессов, происходит укрупнение частиц осадка, удаляются соосаж-денные примеси, улучшается фильтруемость. Св-ва образующихся осадков удается изменять в широких пределах благодаря введению в р-р разл. добавок (ПАВ и др.), изменению т-ры или скорости перемешивания и др. факторам. Так, варьированием условий осаждения BaSO 4 из водных р-ров удается увеличить уд. пов-сть осадка от

10 м 2 /г и более, изменить морфологию частиц осадка, модифицировать поверхностные св-ва последнего. Образовавшийся осадок, как правило, оседает на дно сосуда под действием силы тяжести. Если осадок мелкодисперсный, для облегчения его отделения от маточного р-ра применяют центрифугирование.

Широкое применение находит электроосаждение-осаждение в результате электролиза при пропускании через р-р (расплав) электрич. тока. Путем электроосаждения выделяют из р-ров мн. металлы, в частности Ag, Cu, Ni. Др. тип электрохим. осаждения, иногда называемый цементацией,-выделение менее активного металла на пов-сти более активного без пропускания тока (напр., Сu из р-ров ее солей осаждается на пов-сти железа).

Разл. виды осаждения находят широкое применение в химии при обнаружении хим. элементов по характерному осадку (см., в частности, Микрокристаллоскопия)и при количеств. определении в-в (см. Гравиметрия), для удаления мешающих определению компонентов и для выделения примесей со-осаждением, при очистке солей перекристаллизацией, для получения пленок, а также в хим. пром-сти для разделения фаз.

В последнем случае под осаждением понимают мех. отделение взвешенных частиц от жидкости в суспензии под действием силы тяжести. Эти процессы наз. также седиментацией, оседанием, отстаиванием, сгущением (если осаждение проводят с целью получения плотного осадка) или осветлением (если получают чистые жидкости). При сгущении и осветлении часто дополнительно применяют фильтрование.

Необходимым условием осаждения является существование разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, т.е. седиментац. неустойчивость (для грубодисперс-ных систем). Для высокодисперсных систем разработан критерий седиментации, к-рый определяется гл. обр. энтропией, а также т-рой и др. факторами. Установлено, что энтропия выше при протекании осаждения в потоке, а не в неподвижной жидкости. Если критерий седиментации меньше критич. величины, осаждения не происходит и устанавливается седиментац. равновесие, при к-ром дисперсные частицы распределяются по высоте слоя по определенному закону. При осаждении концент-рир. суспензий крупные частицы при падении увлекают за собой более мелкие, что ведет к укрупнению частиц осадка (ортокинетич. коагуляция).

Скорость осаждения зависит от физ. св-в дисперсной и дисперсионной фаз, концентрации дисперсной фазы, т-ры. Скорость осаждения отдельной сферич. частицы описывается ур-нием Стокса: , где d-диаметр частицы, -разность плотностей твердой () и жидкой () фаз, -динамич. вязкость жидкой фазы, -ускорение своб. падения. Ур-ние Стокса применимо лишь к строго ламинарному режиму движения частицы, когда число Рейнольдса Re

О саждение монодисперсных систем характеризуют гидравлич. крупностью частиц, численно равной экспериментально установленной скорости их оседания. В случае полидисперсных систем пользуются среднеквадратичным радиусом частиц или их средним гидравлич. размером, к-рые также определяют опытным путем.

При осаждении под действием силы тяжести в камере различают три зоны с разл. скоростями осаждения: в зоне своб. падения частиц она постоянна, затем в переходной зоне уменьшается и, наконец, в зоне уплотнения резко падает до нуля.

В случае полидисперсных суспензий при невысоких концентрациях осадки образуются в виде слоев-в ниж. слое самые крупные, а затем более мелкие частицы. Это явление используют в процессах отмучивания, т. е. классификации (разделения) твердых дисперсных частиц по их плотности или размеру, для чего осадок неск. раз перемешивают с дисперсионной средой и отстаивают в течение разл. промежутков времени.

Вид образующегося осадка определяется физ. характеристиками дисперсной системы и условиями осаждения. В случае гру-бодисперсных систем осадок получается плотным. Рыхлые гелеобразные осадки образуются при осаждении полидисперсных суспензий тонко измельченных лиофильных в-в. «Консолидация» осадков в ряде случаев связана с прекращением броуновского движения частиц дисперсной фазы, что сопровождается образованием пространств. структуры осадка с участием дисперсионной среды и изменением энтропии. При этом большую роль играет форма частиц. Иногда для ускорения осаждения в суспензию добавляют флокулянты-спец. в-ва (обычно высокомол.), вызывающие образование хлопьевидных частиц-флокул.

В пром-сти осаждение осуществляют с помощью отстойников (иногда наз. также сгустителями или осветлителями), к-рые бывают периодического и непрерывного действия. Продолжительность т пребывания суспензии в отстойнике должна быть равна или больше времени осаждения частицы. Если используется отстойник с площадью поперечного сечения F и рабочей высотой h, то рабочий объем отстойника W= Fh, a = h/v: часовая производительность Следовательно, для увеличения производительности отстойника надо увеличить пов-сть, на к-рую оседает осадок, для чего и применяют наклонные перегородки (полки). При этом на осаждение высокодисперсных суспензий может также влиять броуновское движение частиц, в одних случаях ухудшая эффективность разделения, в других-способствуя захвату частиц обеими пов-стями полок.

В ряде случаев необходимо производить осаждение двухфазных и многофазных систем. Для оценки эффективности этого процесса можно пользоваться след. правилом. В случае осаждения частиц, равномерно распределенных по высоте слоя и не участвующих в броуновском движении и коагуляции, массовая доля дисперсных фаз в осадке не м. б. больше произведения среднемассовой скорости седиментации частиц дисперсной фазы на отношение (для периодически действующих отстойников) или на отношение горизонтальной проекции суммарной пов-сти осаждения к объему отстойника (для непрерывнодействующих отстойников). Процессы осаждения различаются в зависимости от конструкции отстойника и характера обрабатываемой жидкости.

По направлению движения потока суспензии отстойники делятся на радиальные, горизонтальные, вертикальные и наклонные, или тонкослойные. В радиальных отстойниках суспензия подается в центр аппарата и движется к периферии. В горизонтальных-она загружается с одного конца аппарата и передвигается вдоль него. В вертикальных-суспензия подается снизу и поднимается вверх, причем скорость восходящего потока должна быть меньше ско рости оседания твердых частиц (иногда для ускорения осаждения исходную смесь подают под слой сгущающегося осадка). В наклонных-осаждение осуществляется в пакетах пластин (или труб), наклоненных под углом 45-60°.

Процессы осаждения осложняются при турбулентном потоке разделяемой суспензии, к-рый часто наблюдается в вертикальных отстойниках, а также в горизонтальных при Re > 500. В этом случае траектории движения частиц искривляются, жидкость перемешивается, что способствует переносу твердых частиц и их транспортированию во взвешенном состоянии на значит. расстояния.

Эффективность отстаивания суспензий существенно повышается при ламинарном режиме течения, к-рый обеспечивается соответствующей скоростью подачи жидкости, так и применением перегородок (горизонтальных, наклонных или вертикальных).

На рис. 1 изображен радиальный отстойник-смолоулови-тель, применяемый на коксохим. заводах для очистки сточных вод, содержащих смолы и масла. Всплывающая на пов-сть жидкости легкая фаза (масла) перетекает в сборник 3, откуда откачивается насосом. Плавающие доски 2 служат ограничителями, предотвращающими перетекание легкой фазы из одной части отстойника в другую. Скребки 6 перемещают осадок к отводу 7.

На рис. 2 приведена схема наклонного многополочного сгустителя для осветления высококонцентрир. сточных вод обогатит. фабрик цветной металлургии и сгущения продуктов обогащения. Сточные воды, содержащие взвешенных в-в 20-60 г/л, поступают через центр. трубу в зону осаждения и затем в зону тонкослойного осаждения. Жидкая фаза после отстаивания переливается в периферийный лоток 5, а осадок скребковым механизмом 8 подается к центру отстойника, откуда отводится через трубопровод 6 для дальнейшей обработки.

На рис. 3 приведена схема горизонтального отстойника для выделения оседающих и всплывающих примесей из производств. сточных вод заводов синтетич. каучука. Он представляет собой прямоугольный железобетонный проточный резервуар. Сточные воды через камеру 1 распределяются по четырем секциям. Механизм для сгребания осадка представляет собой транспортер 4 со скребками, работающий по типу эскалатора. В конце отстойной части расположен лоток для приема осветленной воды. Добавляемый для очистки воды «активный» ил с бактериями (уничтожающими орг. примеси) задерживается в спец. отстойниках-иловых колодцах 2. По сравнению с круглыми, прямоугольные горизонтальные отстойники занимают меньшую площадь и быстрее удаляют осадок.

Рис. 3. Горизонтальный отстойник: 1 распределительная камера; 2 иловые колодцы; 3 электропривод; 4 скребковые транспортеры; 5 отводящие трубопроводы.

В хим. пром-сти отстойники применяют для отделения значит. части жидкой фазы суспензий перед фильтрацией, для промывки осадков методом декантации, улавливания из сточных вод ценных или вредных продуктов, для разделения по крупности зерен твердой фазы суспензий при мокром помоле и замкнутом цикле, для отделения примесей или крупных зерен при отмучивании дисперсных систем.

Источник

Химическое осаждение

Под осаждением подразумевается выделение твёрдой фазы малорастворимого вещества, образующегося при химическом взаимодействии растворов двух или нескольких хорошо растворимых веществ. Кроме того, возможно выделение из раствора твёрдой фазы в результате приливания к нему другого растворителя: например, выделение из водных растворов сульфата меди этиловым спиртом, высаливание нитрата бария азотной кислотой. В таких случаях применяют как термин «кристаллизация», так и термин «осаждение».

Явления осаждения из растворов имеют более сложный характер и отличаются рядом существенных особенностей по сравнению с кристаллизацией из растворов. В процессах осаждения приходится сталкиваться только с многокомпонентными системами. Осаждение трудно растворимых веществ происходит в результате химического взаимодействия двух или нескольких хорошо растворимых веществ. В большинстве случаев в процессах осаждения на первоначальной стадии выделяется метастабильная твёрдая фаза. Со временем происходит её рекристаллизация в направлении упорядочения структуры, которая во многих случаях сопровождается полиморфными превращениями.

Кроме того, является обычным образование при осаждении химических соединений неизвестного, а иногда неопределённого состава (образование основных солей при осаждении гидроксидов и карбонатов металлов). Нередко осадки в течение длительного времени претерпевают ряд дальнейших химических превращений.

С точки зрения применения в промышленной, препаративной и аналитической практике различают следующие разновидности осаждения.

1. Выделение какого-либо элемента из раствора с целью получения его в виде определённого конечного продукта или для его отделения от других элементов в аналитических определениях. Например, получение основного карбоната кобальта путём его осаждения из растворов нитрата кобальта карбонатом калия или аммония, осаждение сульфата бария из растворов, содержащих соли бария, с целью дальнейшего аналитического определения в растворе других сопутствующих элементов.

2. Очистка растворов от примеси какого-либо элемента путём его осаждения без перехода в твёрдую фазу основного вещества. Например, «гидролитическая» очистка растворов солей от примеси ионов трёхвалентного железа путём создания необходимого рН раствора; сульфидная очистка растворов при помощи сероводорода или сульфида аммония от примесей меди, свинца и других металлов в условиях, когда невозможно выделить в осадок основное вещество; осаждение примеси сульфат-ионов из растворов солей солями бария, примеси бария – серной кислотой; осаждение кальция в виде оксалата или фторида.

3. Очистка растворов солей от примесей какого-либо элемента или концентрирование этих элементов в осадке для повышения чувствительности их аналитического определения путём соосаждения с коллектором без осаждения основного вещества. Например, соосаждение примесей с гидроксидом алюминия или железа из растворов солей щелочных металлов с предварительным введением в растворы соли алюминия или железа и с установлением необходимого рН раствора.

4. Очистка растворов солей от примесей каких-либо элементов или концентрирование этих элементов путём соосаждения с коллектором, образующимся за счёт осаждения небольшой части основного вещества в виде определённого соединения. Например, соосаждение примеси цинка с гидроксидом никеля путём осаждения части никеля из раствора нитрата никеля раствором едкого натра или аммиаком; соосаждение примеси меди с гидроксидом кобальта или с сульфидом кобальта путём осаждения из растворов нитрата кобальта части кобальта соответственно аммиаком или сульфидом аммония.

Источник