Ионитный способ получения йода

Технологии

Общие сведения о технологии производства йода

Йод в мировой практике извлекают из солевых растворов (природные воды и попутные воды нефтяных и газовых месторождений), массовая концентрация йода в которых составляет 9-300 г/м 3 .

Все способы извлечения йода можно разделить на две группы в зависимости от того, в каком виде йод извлекают из воды: в виде йодида или в виде элементарного йода. Йод из промышленных вод можно выделить в виде осадков йодидов различных металлов. Известны также способы выделения йодида из маломинерализованных вод с помощью анионообменных смол. Ни один из этих способов широкого применения не имеет из-за сложностей технологии и аппаратуры, высокой стоимости реагентов, низкого выхода продукта.

Все наиболее распространенные способы извлечения йода из промышленных вод, применяемые в мировой практике, включают предварительное окисление йодида до элементарного йода. Из множества известных способов извлечения элементарного йода из промышленных вод наиболее широко применяются способы воздушной десорбции, а также адсорбции активированным углем и ионообменными смолами. Выбор способа извлечения йода определяется, главным образом, массовой концентрацией йода в промышленной воде и её температурой.

На выбор конкретной аппаратурно-технологической схемы процесса извлечения в рамках выбранного способа влияют химический состав промышленной воды (щелочность, галогенопоглощаемость, общая минерализация, содержание щелочноземельных элементов, сульфатов, железа и др.), содержание механических примесей и нефти, условия сброса отработанной воды, конкретные технико-экономические и географические особенности района строительства производства.

Воздушно-десорбционный способ извлечения йода из промышленных вод

Способ основан на достаточно высокой упругости паров йода над промышленной водой, содержащей элементарный йод, что позволяет осуществить процесс десорбции йода из воды потоком воздуха.

Технологическая схема производства включает следующие стадии:

· подкисление промышленной воды минеральной кислотой (соляной, серной) для подавления гидролиза;

· окисление йодида до элементарного йода (хлором, гипохлоритом, нитритом);

· десорбция йода из воды воздухом;

· абсорбция йода из воздуха абсорбентом, содержащим химически активный компонент (диоксид серы, сульфит натрия, щелочь);

· кристаллизация йода из абсорбента (хлором, бихроматом, бертолетовой солью, кислотой, перекисью водорода);

· обезвоживание и очистка йода.

Основу промышленных установок составляют насадочные башни десорбции и абсорбции йода, через которые вентилятором продувается поток воздуха. Конструкции башен, массообменных насадок, оросителей и брызгоотбойников в этих башнях весьма разнообразны.

Воздушно-десорбционный способ по сравнению с другими прост и менее трудоемок, позволяет легко автоматизировать технологический процесс, обеспечивает самое высокое качество продукции, аппаратура высокопроизводительна и компактна. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации йодных производств показал, что при концентрации йода в воде 20-60 г/м 3 воздушно-десорбционный способ экономичнее других при переработке промышленных вод с температурой выше 30-35ºС, т.к. при повышении температуры увеличивается упругость йода над водой, сокращается требуемый расход воздуха и, соответственно, электроэнергии на процесс извлечения йода. Для вод с более высокой концентрацией йода воздушно-десорбционный способ экономически оправдан и при более низкой температуре воды.

Воздушно-десорбционный способ производства йода наиболее широко применяется в мировой практике. Таким способом получают весь йод в США, большую часть йода в Японии и в странах СНГ. В последние годы на этот способ переходит и Чили – крупнейший поставщик йода на мировой рынок.

Угольно-адсорбционный способ извлечения йода из промышленных вод

Основан на способности активированных углей адсорбировать элементный йод из водных растворов.

Принципиальная технологическая схема производства также включает стадии подкисления воды, окисления йодида, кристаллизации, обезвоживания и очистки йода. В отличие от схемы производства йода воздушно-десорбционным способом вместо стадий воздушной десорбции и абсорбции йода здесь имеются стадии адсорбции йода активированным углем и десорбции йода с углей раствором щелочи при нагревании.

Основу промышленных установок составляют адсорберы йода, в которых осуществляется безнапорная фильтрация промышленной воды с йодом через слой зернистого угля.

Угольно-адсорбционный способ характеризуется низкой производительностью и, соответственно, большим объемом аппаратуры, сложностью автоматизации процесса, высокой трудоемкостью, низким качеством продукции.

Ионообменный способ извлечения йода из промышленных вод

Основан на высокой адсорбционной емкости отдельных ионообменных смол по йоду (до 350-400 кг/м 3 ). Принципиальная схема производства не отличается от схемы производства угольно-адсорбционным способом. В разных странах в промышленности используются различные ионообменные смолы, в странах СНГ обычно применяются аниониты АМП и АВ-17х8.

Основные аппараты – адсорберы – значительно более производительные, чем при угольно-адсорбционном способе, за счет использования напорной фильтрации через стационарный слой ионита или техники взвешенного слоя, поэтому количество адсорберов и производственные площади резко сокращаются.

Ионнообменный способ обеспечивает хорошее качество готового продукта, возможность автоматизации процесса, а также возможность проведения процесса извлечения йода при пониженной кислотности промышленной воды, и в некоторых случаях и при щелочной воде.

Экономически ионообменный способ производства йода оправдан при низкой температуре промышленной воды, при повышенных температурах процесс адсорбции протекает хуже, возрастают потери йода. В промышленном масштабе ионообменный способ производства йода применяют в Болгарии, на некоторых заводах Японии, на Ново-Нефтечалинском йодобромном заводе в Азербайджане.

Воздушная десорбция йода

Промышленная вода с места ее добычи поступает в емкость , откуда насосом подается в десорбер . Для подкисления воды и окисления иодида на всас насоса подают серную кислоту и хлорированную воду. Элементарный йод отдувают в десорбере воздухом, подаваемым вентилятором в противоток стекающей по насадке воде. Йодовоздушная смесь по нисходящему газоходу поступает в абсорбер , где йод поглощают сорбентом из емкости , подаваемым насосом . Абсорбцию и восстановление йода осуществляют раствором сульфита натрия или диоксидом серы, получаемым путем сжигания серы в печи, продуваемой воздухом. Абсорбент поступает в газоход после десорбера .

Отработанная вода из десорбера направляется на нейтрализацию, либо на производство брома. От напорного коллектора насоса сорбент поступает на кристаллизацию йода в кристаллизатор . Для поддержания водного баланса в циркуляционную емкость подается пресная вода, объем которой зависит от времени года и погодных условий. Отработанный воздух из абсорбера через газоход выбрасывается в атмосферу.

Кристаллизация йода

Режим работы кристаллизатора – периодический. Выделение йода из сорбента осуществляется хлором. Для создания в кристаллизаторе избыточной кислотности предусматривается дозировка серной кислоты.Реакционная масса перемешивается жатым воздухом. После выделения йода смесь отстаивается для осаждения кристаллов йода в коническом днище. После осаждения кристаллов суспензия сливается на нутч-фильтр .

Влажные кристаллы йода, отфильтрованные на нутч-фильтре , промываются пресной водой, затем подсушиваются просасываемым воздухом. Маточные растворы и промывные воды после нутч-фильтра направляются на извлечение йода на узел воздушной десорбции.

Йод-паста выгружается в передвижной контейнер и транспортируется на сублимационную очистку.

Источник

Ионитный способ получения йода

Название, символ, номер Йод / Iodum (I), 53 Атомная масса
(молярная масса) 126,90447(3) а. е. м. (г/моль) Электронная конфигурация [Kr] 4d 10 5s 2 5p 5 Радиус атома 136 пм Ковалентный радиус 133 пм Радиус иона (+7e) 50 (-1e) 220 пм Электроотрицательность 2,66 (шкала Полинга) Электродный потенциал +0,535 В Степени окисления +7, +5, +3, +1, 0, −1 Энергия ионизации
(первый электрон) 1008,3 (10,45) кДж/моль (эВ) Плотность (при н. у.) 4,93 г/см³ Температура плавления 113,5 °C Температура кипения 184,35 °C Уд. теплота плавления 15,52 (I—I) кДж/моль Уд. теплота испарения 41,95 (I—I) кДж/моль Молярная теплоёмкость 54,44 Дж/(K·моль) Молярный объём 25,7 см³/моль Структура решётки орторомбическая Параметры решётки a=7,18 b=4,71 c=9,81 Отношение c/a — Теплопроводность (300 K) (0,45) Вт/(м·К) ГОСТ ГОСТ 4159-79 ГОСТ 545-76 Номер CAS 7553-56-2

Содержание

• 1 Название и обозначение
• 2 История
• 3 Нахождение в природе
• 4 Физические свойства
  • 4.1 Изотопы
• 5 Химические свойства
• 6 Применение
  • 6.1 В медицине
  • 6.2 В криминалистике
  • 6.3 В технике: рафинирование металлов
    • 6.3.1 Источники света
    • 6.3.2 Производство аккумуляторов
    • 6.3.3 Лазерный термоядерный синтез
    • 6.3.4 Радиоэлектронная промышленность
  • 6.4 Динамика потребления йода
• 7 Биологическая роль
  • 7.1 Й од и щитовидная железа
  • 7.2 Токсичность

Название и обозначение

Название элемента предложено Гей-Люссаком и происходит от др.-греч. ἰο-ειδής (букв. «фиалкоподобный»), что связано с цветом пара, который наблюдал французский химик Бернар Куртуа, нагревая маточный рассол золы морских водорослей с концентрированной серной кислотой. В медицине и биологии данный элемент и простое вещество обычно называют йодом, например, «раствор йода», в соответствии со старым вариантом названия, существовавшим в химической номенклатуре до середины XX века.

В современной химической номенклатуре используется наименование йод. Такое же положение существует в некоторых других языках, например, в немецком: общеупотребительное Jod и терминологически корректное Iod. Одновременно с изменением названия элемента в 1950-х годах Международным союзом общей и прикладной химии символ элемента J был заменен на I.

История

Йод был открыт в 1811 г. Куртуа в золе морских водорослей, а с 1815 г. Гей-Люссак стал рассматривать его как химический элемент.

Нахождение в природе

Йод — редкий элемент. Его кларк — всего 400 мг/т . Однако он чрезвычайно сильно рассеян в природе и, будучи далеко не самым распространенным элементом, присутствует практически везде. Йод находится в виде йодидов в морской воде ( 20—30 мг на тонну морской воды). Присутствует в живых организмах, больше всего в водорослях ( 2,5 г на тонну высушенной морской капусты, ламинарии). Известен в природе также в свободной форме, в качестве минерала, но такие находки единичны, — в термальных источниках Везувия и на острове Вулькано (Италия). Запасы природных йодидов оцениваются в 15 млн тонн , 99 % запасов находятся в Чили и Японии. В настоящее время в этих странах ведётся интенсивная добыча йода, например, чилийская Atacama Minerals производит свыше 720 тонн йода в год. Наиболее известный из минералов йода — лаутарит Ca(IO₃)₂. Некоторые другие минералы йода — йодобромит Ag(Br, Cl, I), эмболит Ag(Cl, Br), майерсит CuI·4AgI.

Сырьём для промышленного получения йода в России служат нефтяные буровые воды, тогда как в зарубежных странах, не обладающих нефтяными месторождениями, используются морские водоросли, а также маточные растворы чилийской (натриевой) селитры, щёлок калийных и селитряных производств, что намного удорожает производство йода из такого сырья.

Физические свойства

Природный йод состоит только из одного изотопа — йода-127 (см. Изотопы йода). Конфигурация внешнего электронного слоя — 5s 2 p 5 . В соединениях проявляет степени окисления −1, 0, +1, +3, +5 и +7 (валентности I, III, V и VII).

Радиус нейтрального атома йода 0,136 нм , ионные радиусы I − , I 5+ и I 7+ равны, соответственно, 0,206; 0,058-0,109 ; 0,056-0,067 нм . Энергии последовательной ионизации нейтрального атома йода равны, соответственно: 10,45; 19,10; 33 эВ . Сродство к электрону −3,08 эВ . По шкале Полинга электроотрицательность йода — 2,66, йод принадлежит к числу неметаллов.

Йод при обычных условиях — твёрдое вещество, чёрно-серые или тёмно-фиолетовые кристаллы со слабым металлическим блеском и специфическим запахом.

Пары имеют характерный фиолетовый цвет, так же, как и растворы в неполярных органических растворителях, например, в бензоле — в отличие от бурого раствора в полярном этиловом спирте. Слабо растворяется в воде ( 0,28 г/л ), лучше растворяется в водных растворах йодидов щелочных металлов с образованием трийодидов (например трийодида калия KI₃).

При нагревании при атмосферном давлении йод сублимирует (возгоняется), превращаясь в пары фиолетового цвета; при охлаждении при атмосферном давлении пары йода кристаллизуются, минуя жидкое состояние. Этим пользуются на практике для очистки йода от нелетучих примесей.

Жидкий йод можно получить, нагревая его под давлением.

Изотопы

Известны 37 изотопов йода с массовыми числами от 108 до 144. Из них только 127 I является стабильным, период полураспада остальных изотопов йода составляет от 103 мкс до 1,57⋅10 7 лет; отдельные изотопы используются в терапевтических и диагностических целях.

Радиоактивный нуклид 131 I распадается с испусканием β-частиц (наиболее вероятные максимальные энергии — 0,248, 0,334 и 0,606 МэВ ), а также с излучением γ-квантов с энергиями от 0,08 до 0,723 МэВ .

Химические свойства

Йод относится к группе галогенов.

Электронная формула (Электронная конфигурация) йода: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 5 .

Образует ряд кислот: йодоводородную (HI), йодноватистую (HIO), йодистую (HIO₂), йодноватую (HIO₃), йодную (HIO₄).

Химически йод довольно активен, хотя и в меньшей степени, чем хлор и бром.

• Довольно известной качественной реакцией на йод является его взаимодействие с крахмалом, при котором наблюдается синее окрашивание в результате образования соединения включения. Эту реакцию открыли в 1814 году Жан-Жак Колен (Jean-Jacques Colin) и Анри-Франсуа Готье де Клобри (Henri-François Gaultier de Claubry).
• С металлами йод при легком нагревании энергично взаимодействует, образуя йодиды:

Hg + I₂ → HgI₂

• С водородом йод реагирует только при нагревании и не полностью, образуя йодоводород:

H₂ + I₂ → 2HI

• Йод является окислителем, менее сильным, чем фтор, хлор и бром. Сероводород H₂S, Na₂S₂O₃ и другие восстановители восстанавливают его до иона I − :

I₂ + H₂S → S + 2HI I₂ + 2Na₂S₂O₃ → 2NaI + Na₂S₄O₆

Последняя реакция также используется в аналитической химии для определения йода.

• При растворении в воде йод частично реагирует с ней (По «Началам Химии» Кузьменко: реакция не идёт даже при нагревании, текст нуждается в проверке)

I₂ + H₂O → HI + HIO , pK_c =15,99

• Реакция образования нитрида трийода:

3I₂ + 5NH₃ → 3NH₄I + NH₃ ⋅ NI₃↓

Нитрид трийода в сухом кристаллическом состоянии разлагается с выделением фиолетовых паров йода, что демонстрируется как эффектная химическая реакция.

• Йодиды щелочных металлов очень склонны в растворах присоединять (растворять) молекулы галогенов с образованием полийодидов (перйодидов) — трийодид калия, дихлоройодат I калия:

KI + I₂ → KI₃

Применение

В медицине

5-процентный спиртовой раствор йода используется для дезинфекции кожи вокруг повреждения (рваной, резаной или иной раны), но не для приёма внутрь при дефиците йода в организме. Продукты присоединения йода к крахмалу, другим ВМС (т. н. «Синий йод» — Йодинол, Йокс, Бетадин и др.) являются более мягкими антисептиками.

При большом количестве внутримышечных инъекций, на их месте пациенту делается йодная сетка, — йодом рисуется сетка на площади, в которую делаются инъекции (напр., на ягодицах). Это нужно для того, чтобы быстро рассасывались «шишки», образовавшиеся в местах внутримышечных инъекций.

Широко рекламируется в альтернативной (неофициальной) медицине, однако его использование без назначения врача в целом мало обосновано и нередко сопровождается различными рекламными заявлениями.

В качестве антисептика применяется всё реже и реже, наряду со спиртовым раствором йода используется зелёнка, фукорцин, пиоктанин, растворы перекиси водорода и др.

В рентгенологических и томографических исследованиях широко применяются йодсодержащие контрастные препараты.

Йод-131, как и некоторые радиоактивные изотопы йода ( 125 I, 132 I) применяются в медицине для диагностики и лечения заболеваний щитовидной железы. Изотоп широко применяется при лечении диффузно-токсического зоба (болезни Грейвса), некоторых опухолей. Согласно нормам радиационной безопасности НРБ-99/2009, принятым в России, выписка из клиники пациента, лечившегося с использованием йода-131, разрешается при снижении общей активности этого нуклида в теле пациента до уровня 0,4 ГБк .

В криминалистике

В криминалистике пары йода применяются для обнаружения отпечатков пальцев на бумажных поверхностях, например, на купюрах.

В технике: рафинирование металлов

Источники света

Йод используется в источниках света:

• галогеновых лампах — в качестве компонента газового наполнителя колбы для осаждения испарившегося вольфрама нити накаливания обратно на неё.
• металлогалогеновых дуговых лампах — в качестве газовой среды разряда используются галогениды ряда металлов, использование различных смесей которых позволяет получать лампы с большим разнообразием спектральных характеристик.

Производство аккумуляторов

Йод используется в качестве компонента положительного электрода (окислителя) в литиево-ионных аккумуляторах для автомобилей.

Лазерный термоядерный синтез

Некоторые йодорганические соединения применяются для производства сверхмощных газовых лазеров на возбужденных атомах йода (исследования в области лазерного термоядерного синтеза).

Радиоэлектронная промышленность ]

В последние годы резко повысился спрос на йод со стороны производителей жидкокристаллических дисплеев.

Динамика потребления йода

Мировое потребление йода в 2005 году составило 25,8 тыс. тонн

Биологическая роль

Йод относится к микроэлементам и присутствует во всех живых организмах. Его содержание в растениях зависит от присутствия его соединений в почве и водах. Некоторые морские водоросли (морская капуста, ламинария, фукус и другие) накапливают до 1 % йода. Богаты йодом водные растения семейства рясковых. Йод входит в скелетный белок губок и скелетопротеинов морских многощетинковых червей.

Йод и щитовидная железа

У животных и человека йод входит в состав так называемых тиреоидных гормонов, вырабатываемых щитовидной железой — тироксина и трийодтиронина, оказывающих многостороннее воздействие на рост, развитие и обмен веществ организма.

В организме человека (масса тела 70 кг ) содержится 12—20 мг йода. Суточная потребность человека в йоде определяется возрастом, физиологическим состоянием и массой тела. Для человека среднего возраста нормальной комплекции (нормостеник) суточная доза йода составляет 0,15 мг .

Отсутствие или недостаток йода в рационе (что типично для некоторых местностей) приводит к заболеваниям (эндемический зоб, кретинизм, гипотиреоз). В связи с этим к поваренной соли, поступающей в продажу в местностях с естественным геохимическим дефицитом йода, с профилактической целью добавляют йодид калия, йодид натрия или йодат калия (йодированная соль).

Недостаток йода приводит к заболеваниям щитовидной железы (например, к базедовой болезни, кретинизму). Также при небольшом недостатке йода отмечается усталость, головная боль, подавленное настроение, природная лень, нервозность и раздражительность; слабеет память и интеллект. Со временем появляется аритмия, повышается артериальное давление, падает уровень гемоглобина в крови.

Избыток йода в пище обычно легко переносится организмом, однако в отдельных случаях в людях с повышенной чувствительностью этот избыток может также привести к расстройствам щитовидной железы.

Токсичность

Йод токсичен. Смертельная доза (LD50) — 3 г. Вызывает поражение почек и сердечно-сосудистой системы. При вдыхании паров йода появляется головная боль, кашель, насморк, может быть отёк лёгких. При попадании на слизистую оболочку глаз появляется слезотечение, боль в глазах и покраснение. При попадании внутрь появляется общая слабость, головная боль, повышение температуры, рвота, понос, бурый налёт на языке, боли в сердце и учащение пульса. Через день появляется кровь в моче. Через 2 дня появляются почечная недостаточность и миокардит. Без лечения наступает летальный исход.

ПДК йода в воде 0,125 мг/дм³, в воздухе 1 мг/м³.

Радиоактивный йод-131 (радиойод), являющийся бета- и гамма-излучателем, особенно опасен для организма человека, так как радиоактивные изотопы биохимически не отличаются от стабильных. Поэтому почти весь радиоактивный йод, как и обычный, концентрируется в щитовидной железе, что приводит к её облучению и дисфункции. Основным источником загрязнения атмосферы радиоактивным йодом являются атомные станции и фармакологическое производство. В то же время это свойство радиойода позволяет использовать его для борьбы с опухолями щитовидной железы и диагностики её заболеваний (см. выше).

Источник