DOI: https://doi.org/10.15587/2312-8372.2016.58747

Simulation of nickel ions extraction from combined solutions

Геннадій Геннадійович Афонін, Юрій Олександрович Безносик, Юлія Сергіївна Дзязько, Денис Миколайович Складанний, Олена Сергіївна Бондаренко

Abstract


This work is devoted to the problem of selective nickel ions extraction from dilute solutions by studying patterns ion exchange depending on the mass transfer, hydrodynamic and, in particular, concentration factors. To calculate the ion exchange process usually use cumbersome models that involve the use of parameters such as diffusion coefficients of ions in the solution and ionite, exchange capacity of the last, selectivity ratios, ionite particle size, ionite height, rate of  solution. However, the actual problem is the creation of a formalized process model in a dynamic mode that minimizes the number of parameters, eliminating diffusion selectivity coefficients.

The most rational method of experimental study of dynamical laws are mathematical experiment planning. The advantage of this method is that it does not require information about the mechanism of the process and therefore available even non-specialists in the field of ion exchange.

Regression equation for accurately calculating the parameters of the ion exchange process, which is studied in the accepted range of variation factors, was obtained. Volume of solution that clears by the unit of ionite weight, duration of the filtration cycle and working volumetric ionite capacity are taken as the variables. The studied factors were concentration of the sorbed ion; concentration of other ions; pH; specific load. Regressive dependences for polymer and organic-inorganic ionite were obtained. The test model adequacy was made by comparing reproducibility and adequacy dispersion.

According to the model it was made an optimization to determine the parameters, which allow obtaining maximum value of breakthrough capacity of nickel ions. Finding the optimum values for both ionites it can be concluded that there are effective organic-inorganic ion exchangers, which allows more clear solution of metal ions about 100 ml.

Using these models we can get the value of breakthrough capacity for each ionite and choose the best of them without experiment. The models can be used to calculate the ion exchange and sorption processes aimed at extracting of some components from the combined solution.


Keywords


ion exchange; water treatment; nickel ions; calcium ions; magnesium ions; mathematical model; experiment planning

References


Helfferich, F. (1994). Ion Exchange. New York, USA: Dover, 624. doi:10.1039/9781847551184

Lin, S. H., Kiang, C. D. (2003, April). Chromic acid recovery from waste acid solution by an ion exchange process: equilibrium and column ion exchange modeling. Chemical Engineering Journal, Vol. 92, № 1-3, 193–199. doi:10.1016/s1385-8947(02)00140-7

Ben-Shebil, S., Alkan-Sungur, A., Özdural, A. R. (2007, December). Fixed-bed ion exchange columns operating under non-equilibrium conditions: Estimation of mass transfer properties via non-equilibrium modeling. Reactive and Functional Polymers, Vol. 67, № 12, 1540–1547. doi:10.1016/j.reactfunctpolym.2007.07.040

Dzyazko, Y. C., Ponomareva, L. N., Volfkovich, Y. M., Sosenkin, V. E. (2012, May 5). Effect of the porous structure of polymer on the kinetics of Ni2+ exchange on hybrid inorganic-organic ionites. Zhurnal Fizicheskoi Khimii, Vol. 86, № 6, 1019–1025. doi:10.1134/s0036024412060088

Spellman, F. R. (2008). Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations. Boca Raton: CRC Press, 521. doi:10.1201/9781420075311

Srivastava, V. C., Mall, I. D., Mishra, I. M. (2009, January). Competitive adsorption of cadmium(II) and nickel(II) metal ions from aqueous solution onto rice husk ash. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 48, № 1, 370–379. doi:10.1016/j.cep.2008.05.001

Ashirov, A. (1983). Ionoobmennaia ochistka stochnyh vod, rastvorov i gazov. Leningrad: Khimiia, 295.

Seniavin, M. M. (1980). Ionnyi obmen v tehnologii i analize neorganicheskih veshchestv. Moscow: Khimiia, 272.

Ruzinov, L. P., Slobodchikova, R. I. (1980). Planirovanie eksperimenta v himii i himicheskoi tehnologii. Moscow: Khimiia, 280.

Ahnazarova, S. L., Kafarov, V. V. (1978). Optimizatsiia eksperimenta v himii i himicheskoi tehnologii. Moscow: Vysshaia shkola, 319.

Bondar', A. G., Statiuha, G. A., Potiazhenko, I. A. (1980). Planirovanie eksperimenta pri optimizatsii protsessov himicheskoi tehnologii. Kyiv: Vishcha shkola, 264.

Brodskii, V. Z., Brodskii, L. I., Golikova, T. I. (1982). Tablitsy planov eksperimenta dlia faktornyh i polinomial'nyh modelei. Moscow: Metallurgiia, 753.

Afonin, G., Beznosyk, Yu., Dzyazko, Yu., Ponomareva, L. (2015). Modeling of Ni2+ exchange on the strong acid ion-exchange resin and the organic-inorganic ion exchanger. Technology Audit And Production Reserves, 2(4(22)), 63–67. doi:10.15587/2312-8372.2015.40640

Dzyazko, Y. S., Ponomaryova, L. N., Volfkovich, Y. M., Trachevskii, V. V., Palchik, A. V. (2014, November). Ion-exchange resin modified with aggregated nanoparticles of zirconium hydrophosphate. Morphology and functional properties. Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 198, 55–62. doi:10.1016/j.micromeso.2014.07.010

Dzyazko, Yu. S., Ponomaryova, L. N., Beliakov, V. N., Volfkovich, Yu. M., Sosenkin, V. E. (2012). Organo-neorganichskie ionity dlia izvlecheniia toksichnyh primesei iz vodnyh rastvorov. Sorbtsionnye i hromatograficheskie protsessy, Vol. 12, № 4, 554–562.

Statiukha, H. O., Skladannyi, D. M., Bondarenko, O. S. (2011). Vstup do planuvannia optymalnoho eksperymentu. Kyiv: NTUU «KPI», 124.


GOST Style Citations


Helfferich, F. Ion Exchange [Text] / F. Helfferich. – New York, USA: Dover, 1994. – 624 p. doi:10.1039/9781847551184

Lin, S. H. Chromic acid recovery from waste acid solution by an ion exchange process: equilibrium and column ion exchange modeling [Text] / S. H. Lin, C. D. Kiang // Chemical Engineering Journal. – 2003. – Vol. 92, № 1-3. – P. 193–199. doi:10.1016/s1385-8947(02)00140-7

Ben-Shebil, S. Fixed-bed ion exchange columns operating under non-equilibrium conditions: Estimation of mass transfer properties via non-equilibrium modeling [Text] / S. Ben-Shebil, A. Alkan-Sungur, A. R. Özdural // Reactive and Functional Polymers. – 2007. – Vol. 67, № 12. – P. 1540–1547. doi:10.1016/j.reactfunctpolym.2007.07.040

Дзязько, Ю. С. Kинетика обмена Ni2+ на гибридных органо-неорганических ионитах: влияние пористой структуры полимера [Текст] / Ю. С. Дзязько, Л. Н. Пономарева, Ю. М. Вольфкович, В. Е. Сосенкин // Журнал физической химии. – 2012. – Т. 86, № 6. – С. 1019–1025. doi:10.1134/s0036024412060088

Spellman, F. R. Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations [Text] / F. R. Spellman. – Boca Raton: CRC Press, 2008. – 521 p. doi:10.1201/9781420075311

Srivastava, V. C. Competitive adsorption of cadmium(II) and nickel(II) metal ions from aqueous solution onto rice husk ash [Text] / V. C. Srivastava, I. D. Mall, I. M. Mishra // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. – 2009. – Vol. 48, № 1. – P. 370–379. doi:10.1016/j.cep.2008.05.001

Аширов, А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов [Текст] / А. Аширов. – Л.: Химия, 1983. – 295 с.

Сенявин, М. М. Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ [Текст] / М. М. Сенявин. – М.: Химия, 1980. – 272 с.

Рузинов, Л. П. Планирование эксперимента в химии и химической технологии [Текст]: учеб. пособие / Л. П. Рузинов, Р. И. Слободчикова. – М.: Химия, 1980. – 280 с.

Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии [Текст]: учеб. пособие / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. – М.: Высшая школа, 1978. – 319 с.

Бондарь, А. Г. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии [Текст]: учеб. пособие / А. Г. Бондарь, Г. А. Статюха, И. А. Потяженко. – К.: Вища школа, 1980. – 264 с.

Бродский, В. З. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных моделей [Текст]: справочное издание / В. З. Бродский, Л. И. Бродский, Т. И. Голикова. – М.: Металлургия, 1982. – 753 с.

Афонин, Г. Г. Моделирование обмена Ni2+  на сильнокислотной ионообменной смоле и органо-неорганическом ионите [Текст] / Г. Г. Афонин, Ю. А. Безносик, Ю. С. Дзясько, Л. Н. Пономарева // Технологический аудит и резервы производства – 2015. – № 2/4 (22). – C. 63–67. doi:10.15587/2312-8372.2015.40640

Dzyazko, Y. S. Ion-exchange resin modified with aggregated nanoparticles of zirconium hydrophosphate. Morphology and functional properties [Text] / Y. S. Dzyazko, L. N. Ponomaryova, Y. M. Volfkovich, V. V. Trachevskii, A. V. Palchik // Microporous and Mesoporous Materials. – 2014. – Vol. 198. – P. 55–62. doi:10.1016/j.micromeso.2014.07.010

Дзязько, Ю. С. Органо-неорганичские иониты для извлечения токсичных примесей из водных растворов [Текст] / Ю. С. Дзязько, Л. Н. Пономарева, В. Н. Беляков, Ю. М. Вольфкович, В. Е. Сосенкин // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2012. - Т. 12, № 4. - С. 554–562.

Статюха, Г. О. Вступ до планування оптимального експерименту [Текст]: навч. посіб. / Г. О. Статюха, Д. М. Складанний, О. С. Бондаренко. – К.: НТУУ «КПІ», 2011. – 124 с.







Copyright (c) 2016 Геннадій Геннадійович Афонін, Юрій Олександрович Безносик, Юлія Сергіївна Дзязько, Денис Миколайович Складанний, Олена Сергіївна Бондаренко

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN (print) 2664-9969, ISSN (on-line) 2706-5448