Sali comuni di samario in acqua: solubilità, rimozione e concentrazione
Tra i comuni sali di samario figurano il cloruro, il nitrato e il solfato, mentre il carbonato, l'ossalato, il fosfato e il fluoruro sono rilevanti come solidi scarsamente solubili. Questa guida ne confronta il comportamento in acqua e spiega come esprimere la concentrazione di samario, rimuoverlo dall'acqua e concentrarlo per il recupero.
Per informazioni sulla presenza e sul contesto ambientale, vedere samario in acqua. «Comuni» si riferisce qui alla chimica di laboratorio e di processo, non a una classifica dei sali rilevati nelle acque naturali. Quando un sale si dissolve, la sua formula originaria non descrive tutte le specie presenti: lo Sm(III) può formare complessi disciolti o passare alla fase solida.
Sali comuni e solubilità in acqua
| Sale | Formula ed esempi di idrati | Solubilità in acqua | Rilevanza pratica |
|---|---|---|---|
| Cloruro di samario(III) | SmCl3; SmCl3·6H2O | Solubile in acqua; verificare l'idrato specificato. | Un sale solubile usato come fonte di Sm. La rimozione dello Sm non comporta necessariamente la rimozione del cloruro. |
| Nitrato di samario(III) | Sm(NO3)3; comunemente idratato | Solubile in acqua. | Usato per preparare soluzioni di Sm; il nitrato resta un aspetto distinto da considerare per la qualità dell'acqua. |
| Solfato di samario(III) | Sm2(SO4)3; ottaidrato | Solubilità limitata, fortemente dipendente dalla temperatura e dalla fase solida. Uno studio riporta 0,033 mol/kg di acqua per l'ottaidrato a 25 °C [7]. | Anche il solfato forma complessi disciolti; la presenza di solfato nell'acqua non provoca automaticamente la precipitazione di tutto lo Sm. |
| Carbonato di samario(III) | Sm2(CO3)3·xH2O | Poco solubile in acqua; l'acido ne favorisce la dissoluzione. | Potenziale prodotto di precipitazione e recupero. |
| Ossalato di samario(III) | Sm2(C2O4)3·xH2O | Poco solubile; il pH e un eccesso di ligando influenzano lo Sm disciolto. | Rilevante per la precipitazione e la concentrazione delle terre rare. |
| Fosfato di samario(III) | SmPO4 | Scarsamente solubile; l'acidità e la complessazione ne influenzano la dissoluzione. | Può immobilizzare lo Sm in una fase solida. |
| Fluoruro di samario(III) | SmF3 | Poco solubile in acqua. | Un possibile precipitato; l'aggiunta di fluoruro introduce un ulteriore contaminante e non costituisce una raccomandazione generale per il trattamento dell'acqua. |
Si tratta di confronti qualitativi, non di concentrazioni di saturazione. Un valore numerico di solubilità deve specificare temperatura, pH, idrato o fase solida, composizione della soluzione e unità di misura. I valori in g per 100 g di acqua non possono essere utilizzati direttamente come g/L di soluzione. Anche gli idrossidi e gli ossidi di Sm sono solidi rilevanti, ma non sono inclusi tra i sali di questa tabella. [1–4]
Da cosa dipende il samario disciolto?
La solubilità è una proprietà di equilibrio; la concentrazione misurata dipende anche dalla quantità introdotta, dal tempo di permanenza e dalla separazione dei solidi. Acidità, carbonato, solfato, fosfato, fluoruro e ligandi organici possono modificare l'equilibrio tra Sm3+ libero, complessi disciolti e precipitati. Una bassa concentrazione dello ione libero non implica necessariamente una bassa concentrazione totale di Sm disciolto. Le previsioni di precipitazione devono tenere conto della complessazione e delle effettive fasi solide. [3,4]
Concentrazione: mg/L come Sm rispetto a mg/L di sale
Esprimere i risultati come samario elementare, per esempio in µg/L come Sm o mg/L come Sm, e indicare se il campione rappresenta la frazione disciolta o quella totale. Non equiparare la dose di sale allo Sm disciolto residuo dopo il raggiungimento dell'equilibrio. Non esiste un'unica concentrazione rappresentativa per tutte le acque naturali o industriali.
Concentrazione calcolata di Sm (mg/L) = dose di sale (mg/L) × n × 150,36 / massa molare del sale (g/mol).
Qui n è il numero di atomi di Sm per unità di formula. Includere l'acqua di cristallizzazione nella massa molare e, ove opportuno, apportare una correzione in base al titolo del prodotto.
| Sale definito | Massa molare approssimativa (g/mol) | Sm calcolato da 100 mg/L di sale |
|---|---|---|
| SmCl3, anidro | 256.71 | 58,6 mg/L come Sm |
| SmCl3·6H2O | 364.80 | 41,2 mg/L come Sm |
| Sm(NO3)3·6H2O | 444.47 | 33,8 mg/L come Sm |
Questi esempi stechiometrici presuppongono materiale puro, dissoluzione completa e nessuna perdita successiva; non sono né misure di solubilità né concentrazioni ambientali. Un mmol/L di Sm corrisponde a circa 150,36 mg/L come Sm. Viceversa, 1 mg/L come Sm equivale a circa 6,65 µmol/L.
Rimozione dall'acqua
- Precipitazione e separazione dei solidi: valutare la regolazione del pH e i precipitanti idonei usando l'acqua effettiva. Le reazioni con carbonati, ossalati e fosfati possono trasferire le terre rare nella fase solida. Dopo la precipitazione, effettuare la sedimentazione o la filtrazione: la sola formazione di un precipitato non lo rimuove dal flusso d'acqua. La coprecipitazione può produrre un fango contenente più metalli. [4]
- Scambio ionico: catturare lo Sm disciolto su una resina idonea e rigenerarla, trasferendo lo Sm in un volume di liquido minore. L'assorbimento di Sm(III) è stato studiato con una resina a scambio cationico acida; acidità, ioni concorrenti e carico influenzano le prestazioni. La capacità misurata in laboratorio non garantisce la stessa capacità operativa in un impianto. [5]
- Adsorbimento e speciazione: l'assorbimento da parte del sorbente dipende dal pH, dagli ioni concorrenti e dai ligandi. Uno studio sul samario condotto con una resina acida forte ha rilevato che, nei sistemi esaminati, l'accumulo sulla resina era correlato allo Sm libero in soluzione. Lo Sm disciolto totale e gli ioni Sm liberi non sono quindi misure intercambiabili. [6]
La sola filtrazione agisce sulle particelle, non sugli ioni Sm liberi disciolti. La scelta del trattamento deve basarsi sulle caratteristiche misurate dell'acqua in ingresso, sulla concentrazione richiesta in uscita, sui metalli concorrenti e sui flussi risultanti di rifiuti o di materiale da recuperare. La rimozione dello Sm non dimostra di per sé che cloruri, nitrati, solfati o altri costituenti disciolti soddisfino i requisiti di qualità dell'acqua.
Concentrazione e recupero
La rimozione riduce lo Sm nell'acqua trattata; il recupero lo raccoglie in un prodotto utile. L'eluizione da uno scambiatore ionico può concentrare lo Sm in un volume di liquido minore, mentre la precipitazione lo concentra in un solido. Nessuna delle due fasi, da sola, garantisce la separazione dalle terre rare affini né una purezza sufficiente a rendere il prodotto commercializzabile. [4,5]
Fattore di concentrazione nel liquido = concentrazione di Sm nell'eluato raccolto / concentrazione di Sm nell'alimentazione. Determinare separatamente il recupero come massa di Sm raccolta divisa per la massa di Sm nell'alimentazione. Per esempio, 1 m³ contenente 10 mg/L come Sm contiene 10 g di Sm. Recuperando il 90% in 10 L si otterrebbero 900 mg/L come Sm e un fattore di concentrazione pari a 90. Si tratta di un bilancio di massa illustrativo, non di una previsione delle prestazioni del trattamento.
Dati per la valutazione del trattamento
Tra i dati utili figurano la portata, lo Sm disciolto e totale, il pH, la temperatura, gli anioni principali, i metalli concorrenti, i solidi sospesi e la concentrazione obiettivo in uscita. Definire con il laboratorio il campionamento e la preparazione dei campioni per l'analisi, affinché i risultati relativi allo Sm disciolto e totale rimangano confrontabili. Le prove di laboratorio devono misurare lo Sm residuo, la separazione dei solidi, il consumo di reagenti e la composizione di eventuali concentrati.
Fonti e approfondimenti
- Santa Cruz Biotechnology: cloruro di samario(III) esaidrato.
- Stanford Materials: nitrato di samario.
- Stanford Materials: composti del samario.
- Han (2020): caratteristiche della precipitazione degli elementi delle terre rare con diversi precipitanti.
- Rimozione del samario(III) mediante lo scambiatore debolmente acido Amberlite IRC-50 nelle forme (H+) e (Na+).
- Speciazione di un lantanide (Sm) mediante una resina a scambio ionico (2016).
- Solubilità e funzioni termodinamiche del solfato di samario in acqua e in soluzioni di acido solforico (1975).