Veelvoorkomende samariumzouten in water: oplosbaarheid, verwijdering en concentratie
Veelvoorkomende samariumzouten zijn onder meer chloride, nitraat en sulfaat. Carbonaat, oxalaat, fosfaat en fluoride zijn daarnaast relevant als slecht oplosbare vaste stoffen. Deze gids vergelijkt hun gedrag in water en legt uit hoe de samariumconcentratie wordt gerapporteerd, hoe samarium uit water wordt verwijderd en hoe het voor terugwinning wordt geconcentreerd.
Zie voor het voorkomen en de milieucontext samarium in water. ‘Veelvoorkomend’ verwijst hier naar laboratorium- en proceschemie, niet naar een rangorde van zouten die in natuurlijke wateren zijn aangetroffen. Zodra een zout oplost, beschrijft de oorspronkelijke formule niet alle aanwezige chemische vormen: Sm(III) kan opgeloste complexen vormen of in vaste stoffen terechtkomen.
Veelvoorkomende zouten en oplosbaarheid in water
| Zout | Formule en voorbeelden van hydraten | Oplosbaarheid in water | Praktische betekenis |
|---|---|---|---|
| Samarium(III)chloride | SmCl3; SmCl3·6H2O | Oplosbaar in water; controleer het opgegeven hydraat. | Een oplosbaar Sm-zout als uitgangsstof. Verwijdering van Sm verwijdert niet noodzakelijkerwijs ook chloride. |
| Samarium(III)nitraat | Sm(NO3)3; meestal gehydrateerd | Oplosbaar in water. | Wordt gebruikt om Sm-oplossingen te bereiden; nitraat blijft een afzonderlijk aandachtspunt voor de waterkwaliteit. |
| Samarium(III)sulfaat | Sm2(SO4)3; octahydraat | Beperkte oplosbaarheid; sterk afhankelijk van de temperatuur en de vaste fase. Een onderzoek vermeldt voor het octahydraat bij 25 °C een waarde van 0,033 mol/kg water [7]. | Sulfaat vormt ook opgeloste complexen; water dat sulfaat bevat, laat niet automatisch alle Sm neerslaan. |
| Samarium(III)carbonaat | Sm2(CO3)3·xH2O | Slecht oplosbaar in water; zuur bevordert het oplossen. | Mogelijk product van neerslagvorming en terugwinning. |
| Samarium(III)oxalaat | Sm2(C2O4)3·xH2O | Slecht oplosbaar; de pH en een overmaat aan ligand beïnvloeden de hoeveelheid opgelost Sm. | Relevant voor de neerslagvorming en concentratieverhoging van zeldzame aardmetalen. |
| Samarium(III)fosfaat | SmPO4 | Weinig oplosbaar; zuurgraad en complexvorming beïnvloeden het oplossen. | Kan Sm in een vaste fase vastleggen. |
| Samarium(III)fluoride | SmF3 | Slecht oplosbaar in water. | Een mogelijk neerslagproduct; toevoeging van fluoride introduceert een extra verontreinigende stof en wordt niet algemeen aanbevolen voor waterbehandeling. |
Dit zijn kwalitatieve vergelijkingen, geen verzadigingsconcentraties. Bij een numerieke oplosbaarheidswaarde moeten de temperatuur, pH, het hydraat of de vaste fase, de samenstelling van de oplossing en de eenheden worden vermeld. Waarden in g per 100 g water kunnen niet rechtstreeks als g/L oplossing worden gebruikt. Sm-hydroxiden en -oxiden zijn eveneens relevante vaste stoffen, maar zijn in deze tabel niet als zouten opgenomen. [1–4]
Wat bepaalt de hoeveelheid opgelost samarium?
Oplosbaarheid is een evenwichtseigenschap; de gemeten concentratie hangt ook af van de toegevoegde hoeveelheid, de verblijftijd en de afscheiding van vaste stoffen. Zuurgraad, carbonaat, sulfaat, fosfaat, fluoride en organische liganden kunnen het evenwicht beïnvloeden tussen vrij Sm3+, opgeloste complexen en neerslagproducten. Een lage concentratie vrije ionen betekent niet noodzakelijkerwijs een lage totale concentratie opgelost Sm. Voorspellingen over neerslagvorming moeten rekening houden met complexvorming en de daadwerkelijk aanwezige vaste fasen. [3,4]
Concentratie: mg/L als Sm versus mg/L zout
Rapporteer resultaten als elementair samarium, bijvoorbeeld in µg/L als Sm of mg/L als Sm, en vermeld of het monster de opgeloste fractie of de totale hoeveelheid materiaal vertegenwoordigt. Stel een dosering van een zout niet gelijk aan de hoeveelheid opgelost Sm die na het bereiken van evenwicht overblijft. Er bestaat geen enkele representatieve concentratie voor alle natuurlijke of industriële wateren.
Berekende Sm-concentratie (mg/L) = zoutdosering (mg/L) × n × 150,36 / molaire massa van het zout (g/mol).
Hierbij is n het aantal Sm-atomen per formule-eenheid. Neem kristalwater mee in de molaire massa en corrigeer waar nodig voor het gehalte van het product.
| Gespecificeerd zout | Benaderde molaire massa (g/mol) | Berekend Sm uit 100 mg/L zout |
|---|---|---|
| SmCl3, watervrij | 256.71 | 58,6 mg/L als Sm |
| SmCl3·6H2O | 364.80 | 41,2 mg/L als Sm |
| Sm(NO3)3·6H2O | 444.47 | 33,8 mg/L als Sm |
Deze stoichiometrische voorbeelden gaan uit van zuiver materiaal, volledige oplossing en geen daaropvolgend verlies; het zijn geen oplosbaarheidsmetingen of concentraties in het milieu. Eén mmol/L Sm komt overeen met ongeveer 150,36 mg/L als Sm. Omgekeerd komt 1 mg/L als Sm overeen met ongeveer 6,65 µmol/L.
Verwijdering uit water
- Neerslagvorming en scheiding van vaste stoffen: beoordeel pH-aanpassing en geschikte neerslagmiddelen met het betreffende water. Reacties met carbonaat, oxalaat en fosfaat kunnen zeldzame aardmetalen in vaste stoffen omzetten. Laat op de neerslagvorming bezinking of filtratie volgen; alleen het vormen van een neerslag verwijdert deze niet uit de waterstroom. Meeneerslag kan slib met verschillende metalen opleveren. [4]
- Ionenwisseling: vang opgelost Sm op met een geschikte hars en regenereer deze, zodat het Sm in een kleiner vloeistofvolume terechtkomt. De opname van Sm(III) is onderzocht met een zure kationenwisselaarhars; de zuurgraad, concurrerende ionen en belading beïnvloeden de prestaties. De in het laboratorium gemeten capaciteit is geen gegarandeerde bedrijfscapaciteit voor een installatie. [5]
- Adsorptie en speciatie: de opname door sorbentia hangt af van de pH, concurrerende ionen en liganden. Een onderzoek naar samarium met een sterk zure hars wees uit dat de ophoping in de hars in de onderzochte systemen verband hield met de concentratie vrij Sm in oplossing. Totaal opgelost Sm en vrije Sm-ionen zijn daarom geen onderling uitwisselbare meetwaarden. [6]
Filtratie alleen richt zich op deeltjes, niet op vrij opgeloste Sm-ionen. De keuze van de behandeling moet gebaseerd zijn op het gemeten influent, de vereiste uitlaatconcentratie, concurrerende metalen en de resulterende afval- of terugwinningsstromen. De verwijdering van Sm toont op zichzelf niet aan dat chloride, nitraat, sulfaat of andere opgeloste bestanddelen aan de vereiste waterkwaliteit voldoen.
Concentratie en terugwinning
Verwijdering verlaagt het Sm-gehalte in het behandelde water; bij terugwinning wordt het verzameld in een bruikbaar product. Elutie na ionenwisseling kan Sm concentreren in een kleiner vloeistofvolume, terwijl neerslagvorming het in een vaste stof concentreert. Geen van beide stappen garandeert op zichzelf scheiding van verwante zeldzame aardmetalen of een productzuiverheid die verkoop mogelijk maakt. [4,5]
Vloeistofconcentratiefactor = Sm-concentratie in het opgevangen eluaat / Sm-concentratie in de voeding. Bepaal het terugwinningspercentage afzonderlijk als de opgevangen massa Sm gedeeld door de massa Sm in de voeding. Bijvoorbeeld: 1 m³ met 10 mg/L als Sm bevat 10 g Sm. Terugwinning van 90% in 10 L zou 900 mg/L als Sm en een concentratiefactor van 90 opleveren. Dit is een illustratieve massabalans, geen voorspelling van de behandelingsprestaties.
Gegevens voor de beoordeling van de behandeling
Nuttige invoergegevens zijn onder meer het debiet, opgelost en totaal Sm, de pH, temperatuur, belangrijkste anionen, concurrerende metalen, zwevende stoffen en de beoogde uitlaatconcentratie. Stem de monstername en analytische monstervoorbereiding af met het laboratorium, zodat de resultaten voor opgelost en totaal Sm vergelijkbaar blijven. Bij proeven op laboratoriumschaal moeten restconcentraties Sm, scheiding van vaste stoffen, verbruik van reagentia en de samenstelling van eventueel concentraat worden gemeten.
Bronnen en aanvullende literatuur
- Santa Cruz Biotechnology: samarium(III)chloride-hexahydraat.
- Stanford Materials: samariumnitraat.
- Stanford Materials: samariumverbindingen.
- Han (2020): Kenmerken van de neerslagvorming van zeldzame aardmetalen met verschillende neerslagmiddelen.
- Verwijdering van samarium(III) met de zwak zure ionenwisselaar Amberlite IRC-50 in de (H+)- en (Na+)-vorm.
- Speciatie van een lanthanide (Sm) met een ionenwisselaarhars (2016).
- Oplosbaarheid en thermodynamische functies van samariumsulfaat in water en zwavelzuuroplossingen (1975).