Общие сведения о процессах разделения

Основные понятия

В химической технологии общеприняты по меньшей мере три термина [7]: «разделение», «концентрирование» и «выделение».

Разделение — это операция (процесс), в результате которой компоненты, составляющие исходную смесь, разобщаются в пространстве (отделяются друг от друга). В общем случае разделяемые компоненты могут быть как микро-, так и макрокомпонентами.

Концентрирование — это операция (процесс), в результате которой повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонента. Это определение прямо отсылает нас к системам, в которых концентрации компонентов резко различаются. Но это требование не является жестким условием. Например, осаждение диураната аммония или основного карбоната тория (обычные товарные формы) из водного раствора тоже являются по существу концентрированием, хотя другой растворенный макрокомпонент здесь может и отсутствовать: роль макрокомпонента в данном случае выполняет вода.

Выделение — это операция (процесс), в результате которой пространственно обособляется некоторый отдельный компонент, находящийся в системе в смеси с другими. При этом выделяемый компонент может образовывать собственную фазу (например, выделение осадка из раствора), но он может входить в состав и других фаз, соосаждаясь, сорбируясь, образуя твердый раствор и т. п. Кроме этих понятий, в литературе и научно-техническом обиходе часто используются такие термины, как «обогащение» и «аффинаж». Первый термин обозначает процесс, в результате которого увеличивается относительное содержание компонента (или компонентов) в смеси. Таким образом, в предельном случае (когда эта доля стремится к единице) процесс обогащения совпадает с выделением. Но реально, когда приходится иметь дело с компонентами, близкими по свойствам (РЗЭ, актиний, уран и плутоний; радий и барий и др.), довольствуются и незначительными эффектами в изменении концентраций за одну операцию. Чтобы добиться технологически значимых результатов, необходимо повторение однотипных операций, которые оформляют в виде «каскада». Одним из первых примеров построения такой технологии является дробная кристаллизация, методика которой была хорошо отработана при разделении радия и бария [8].

Аффинаж — это повышение чистоты некоторого соединения, препарата, реактива, товарного продукта и др. за счет удаления примесей, т. е. понижение их содержания до требуемого уровня. По отношению к примесям этот процесс можно истолковать как «выделение» (селективное и коллективное).

Следует обсудить две разновидности концентрирования — абсолютное и относительное.

Абсолютное концентрирование — это операция (процесс), в результате которой компоненты перемещаются из системы с большой массой в систему с меньшей массой. Как правило, такие компоненты являются микрокомпонентами, так как именно по отношению к примесям имеет смысл проводить эту операцию. Примером может служить упаривание растворителя (матрицы) при анализе природных или сточных вод, минеральных кислот, органических жидкостей на содержание растворенных веществ (примесей).

Относительное концентрирование — это операция (процесс), в результате которой увеличивается отношение масс микрокомпонента и главных мешающих микрокомпонентов (растворитель сюда не включают). В сущности этот процесс можно истолковать и как разновидность разделения (с тем отличием, что концентрации компонентов в исходном состоянии резко различаются: один признается микрокомпонентом, а другие — макрокомпонентами). С другой стороны, термин «относительное концентрирование» можно считать синонимом «обогащения». Главный смысл этой операции, если она выполняется в аналитических целях, — замена мешающей (с точки зрения аналитических процедур) матрицы на более подходящую. В технологическом же аспекте самостоятельный интерес могут представлять как микрокомпонент (тогда его относительное концентрирование будет восприниматься как выделение), так и макрокомпоненты, освобождаемые этой операцией от нежелательной примеси.

Для разделения, концентрирования, выделения и других процессов, вызывающих абсолютное или относительное изменение концентраций компонентов, чаще всего используют давно освоенные методы: кристаллизацию (осаждение), соосаждение, сорбцию на готовом осадке (в общем случае на сорбенте), экстракцию, сублимацию, дистилляционные методы, флотацию, электрохимические методы и др. Универсальных методов не существует, так как число конкретных задач необозримо, а в условия этих задач необходимо включать не только собственно технологические или аналитические требования, но и требования экономики, экологии, эргономики, охраны труда и т. д. Таким образом, в каждом отдельном случае конечный технологический результат (как итог операций разделения, концентрирования и т. д.) может быть достигнут не обязательно каким-нибудь одним приемом, но чаще всего — сочетанием нескольких.

В умении выбрать оптимальные методы осуществления задачи и заключается мастерство технолога или аналитика.