ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Растворение и выщелачивание из "Технология минеральных удобрений Издание 6" Растворением твердого тела в жидкости называют разрушение кристаллической структуры под действием растворителя с образованием раствора — гомогенной системы, состоящей из растворителя и перешедших в него молекул, ионов. Неорганические вещества обычно имеют ионную кристаллическую решетку. [c.35] Во всех случаях растворения жидкая фаза перемещается относительно твердой поверхности растворяемого вещества. Даже в случае отсутствия внешних причин, вызывающих движение твердой и жидкой фаз (перемешивание или другой способ организации потока растворителя или растворяемого вещества), происходит естественная конвекция, возникающая из-за разности плотностей отдельных макрообъемов жидкости, что обусловлено неравномерным нагревом (тепловая конвекция) и неравномерной концентрацией растворенного вещества (концентрационная конвекция). Эти же причины приводят к неравенству сил поверхностного натяжения на отдельных участках межфазной поверхности, что вызывает термокапиллярную и концентрационно-капиллярную конвекцию. [c.36] Независимо от характера движения жидкости, у границы раздела фаз всегда существует диффузионный слой жидкости, через который в результате молекулярной и конвективной диффузии растворяющееся вещество проникает в массу раствора, а растворитель — к растворяющейся твердой поверхности. В случае химического растворения активный растворитель транспортируется через диффузионный слой к поверхности твердого вещества, а в обратном направлении диффундирует продукт реакции. Поэтому скорость растворения кристаллических тел в жидкостях определяется главным образом законами диффузионной кинетики. Иногда она лимитируется скоростью гетерогенной химической реакции на поверхности контакта фаз, т. е. подчиняется законам химической кинетики. Вообще, в одной и той же системе твердое — жидкость режим растворения может быть или диффузионным, или кинетическим (лимитируется химической кинетикой), или смешанным — переход от одного режима к другому зависит от изменения температуры, концентрации растворителя, скорости перемешивания. Например, увеличение активности растворителя или температуры способствует переходу к диффузионному режиму. [c.36] Движущей силой растворения является величина недонасыщен-ности раствора х —х. По мере повышения концентрации растворяющегося вещества в жидкой фазе скорость растворения уменьшается по логарифмическому закону. С наибольшей скоростью процесс идет в чистом растворителе при получении слабых растворов. Однако в производственных условиях обычно стремятся получать концентрированные растворы, так как они требуют меньших объемов аппаратуры, меньшего расхода энергии на перемещение, на нагревание или охлаждение и т. п. [c.37] Повышение температуры в большинстве случаев является эффективным средством ускорения растворения. Когда процессы растворения подчиняются диффузионной кинетике, температурный коэф )ициент их скорости практически совпадает с температурным коэффициентом диффузии при возрастании температуры на 10 К скорость растворения увеличивается в 1,5—2 раза. Повышение температуры способствует снижению вязкости раствора и, следовательно, уменьшению толщины диффузионного слоя и его сопротивления массопередаче — значение К возрастает. Помимо этого при повышении температуры возрастает растворимость Хо большинства веществ и, следовательно, увеличивается движущая сила растворения х —х, а поэтому и скорость растворения. Для веществ, растворимость которых с повышением температуры уменьшается, нагревание может не только не ускорить, но даже замедлить или совсем приостановить этот процесс. [c.37] Различной растворимостью и скоростью растворения отдельных элементов кристалла, в том числе разных его граней, объясняется и изменение его формы в процессе растворения — грани и ребра искривляются. Существенную роль при этом играют также неравномерно распределенные в кристалле примеси, делающие его неоднородным. Это может приводить к отщеплению от кристалла мелких частиц. [c.38] Здесь К, К1, /Сг — коэффициенты, зависящие от температуры, гидродинамических и других условий растворения. [c.38] Возможны случаи химического растворения и с более сложными кинетическими закономерностями. [c.38] Частным случаем химического растворения является кислотное разложение минералов. Здесь скорость растворения зависит от концентрации кислоты и пропорциональна активности действующего раствора, т. е. активности ионов водорода. В тех случаях, когда в результате кислотного разложения минерала образуется соль, придающая раствору буферные свойства, скорость растворения резко замедляется. Это объясняется тем, что активность буферного раствора уменьшается в процессе растворения не столько вследствие расходования кислоты на разложение минерала, сколько из-за роста отношения концентрации образующейся соли к концентрации кислоты, что подавляет диссоциацию последней, т. е. уменьшает активность ионов водорода. Вследствие этого раствор, в котором еще имеется кислота, может оказаться непригодным для дальнейшего растворения минерала, пока из этого раствора не будет удалена хотя бы некоторая часть содержащейся в нем соли. [c.38] Интенсивность растворения возрастает с ростом не абсолютной скорости движения фаз, а их относительной скорости — скорости обтекания твердой фазы жидкостью. Например, в резервуаре с мешалкой скорость растворения растет непропорционально частоте ее вращения. Мелкие частицы при интенсивном перемешивании движутся со скоростью увлекающего их потока жидкости, и скорость их растворения может оказаться меньшей, чем при неинтенсивном перемешивании. [c.39] Ввиду сложности явления, зависящего от большого числа факторов, часть из которых не поддается простому учету, при теоретическом исследовании зависимости скорости растворения от гидродинамической обстановки задачи неизбежно упрощаются. Так, в реальных условиях приходится иметь дело с растворением полидисперсной, часто неоднородной массы, с неодинаковой формой зерен, к тому же изменяющейся в процессе растворения. Условия их обтекания различны, число частиц также изменяется по мере растворения и т. д. Вследствие этого достаточно надежными являются пока лишь экспериментально полученные кинетические данные для конкретных систем в заданных условиях. [c.39] Увеличение скоростей обтекания может достигаться путем создания поля колебаний внутри обрабатываемой двухфазной системы. Использование низкочастотных пульсаций (20—500 Гц) и высокочастотных (ультразвуковых) источников колебаний (20— 50 кГц) позволяет существенно ускорить растворение твердых фаз, иногда в 5—10 раз. [c.39] Когда химическое растворение сопровождается образованием газовой фазы, отрывающиеся от твердой поверхности пузырьки газа способствуют конвекции в диффузионном слое и контакту активного реагента раствора с оголенными участками поверхности, не покрытыми инертными молекулами раствора. Это ускоряет растворение. Однако при интенсивном газовыделении значительная часть твердой поверхности экранируется газом, что уменьшает площадь контакта жидкости с твердой фазой и затрудняет доступ к ней активного растворителя. Это приводит к уменьшению скорости растворения. Поэтому с ростом концентрации (активности) растворителя скорость растворения и газо-выделения сначала резко возрастает, достигает максимума, затем уменьшается. [c.39] Во многих случаяз( химическое растворение твердой фазы сопровождается образованием новой твердой фазы. Она появляется в результате кристаллизации (осаждения) из раствора при его пересыщении продуктами растворения или веществами, возникающими при их взаимодействии с компонентами растворителя. Кристаллизация новой фазы может идти в массе раствора или на поверхности зерен растворяющейся фазы. В последнем случае на зернах появляется корка продукта реакции, затрудняющая доступ активного растворителя к реакционной поверхности. Корка может появляться и в результате осаждения на поверхности растворяющихся зерен кристаллов или коллоидных частиц, образовавшихся в массе раствора. Это происходит под действием сил адгезии и зависит от знаков и величин электрических зарядов твердых поверхностей, т. е. от их электрокинетических потенциалов. [c.40] Толщина покрывающей корки постепенно увеличивается, диффузия через нее растворителя к непрореагировавшей части зерна все более затрудняется, а при образовании плотной непроницаемой корки может совсем прекратиться задолго до израсходования реагирующих компонентов. Существенным является выбор таких условий растворения, при которых продукт реакции не осаждается на растворяемых зернах или покрывающая их корка формируется рыхлой, пористой, проницаемой для растворителя. В частности, это обеспечивается условиями, при которых новая твердая фаза образуется в виде достаточно крупных кристаллов. [c.40] Выщелачиванием называют экстракцию жидким растворителем твердого компонента из системы, состоящей из двух или большего числа твердых фаз. Если обрабатываемая система содержит несколько растворимых компонентов, а в раствор требуется извлечь лишь один из них, выщелачивание ведут раствором, насыщенным всеми компонентами, кроме подлежащего извлечению. [c.40] Растворимая фаза полностью или частично заполняет поры нерастворимой (инертной) массы системы. Для ее извлечения необходима диффузия растворителя внутрь зерен сквозь лабиринт пор к поверхности растворимых частиц и обратная диффузия растворенного вещества через заполняющий поры раствор. Пористая инертная масса создает дополнительное и весьма существенное диффузионное сопротивление, непрерывно возрастающее по мере углубления фронта выщелачивания внутрь зерна. Процессы выщелачивания идут значительно медленее, чем простое растворение тех же веществ. Они обычно лимитируются внутренней диффузией и мало зависят от скорости обтекания пористой частицы жидкостью. [c.40] Растворимый компонент часто играет роль цементирующей фазы. По мере его выщелачивания пористые зерна разрушаются и превращаются в шлам — высокодисперсный нерастворимый остаток. Процессы выщелачивания организуют обычно противо-точным методом, при котором у выхода из выщелачивателя шлам встречается со свежим растворителем или слабым раствором. Это обеспечивает уменьшение потерь ценного вещества, остающегося в жидкости, смачивающей шлам. При прямоточном выщелачивании и при периодическом процессе производят дополнительную промывку шлама. [c.41] Вернуться к основной статье