نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

شبیه‌سازی و بررسی پارامتری استحصال گالیم از محلول بایر با استفاده از رزین تبادل یونی آمیدوکسیم در ستون بستر ثابت

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
مجتبی دهقانی فتح آبادی
حسام الدین گرزین
سلمان موحدی راد
دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش فرآیند جذب گالیم از محلول بایر خروجی واحد ترسیب کارخانه آلومینا جاجرم به­وسیله رزین آمیدوکسیم CH100 در یک ستون بستر ثابت به کمک نرم افزار Aspen Adsorption V14 شبیه‌سازی شد. شبیه‌سازی بر پایه مدل تعادلی لانگمویر و مدل انتقال جرم از نوع مقاومت تجمعی انجام گرفت، در این راستا اثر ارتفاع ستون (6-3 متر) و نرخ جریان (11-4 لیتر بر ثانیه) بر رفتار دینامیکی ستون بستر ثابت شامل زمان شکست، زمان اشباع، میزان جذب گالیم به ازای واحد جرم رزین و نرخ متوسط جذب گالیم بررسی شد. نتایج نشان داد افزایش ارتفاع ستون موجب بهبود قابل ‌توجه زمان شکست، افزایش مدت‌ زمان حضور محلول در بستر، و عملکرد بهتر ستون در جذب گالیم می‌شود. از سوی دیگر، افزایش نرخ جریان باعث کاهش زمان تماس و افت میزان جذب گالیم به ازای واحد جرم رزین شد، در حالی که نرخ متوسط جذب گالیم افزایش یافت. بر اساس نتایج، در محدوده مورد بررسی، ارتفاع 6 متر و نرخ جریان ۷ لیتر بر ثانیه مناسب‌ترین شرایط عملیاتی را از نظر تعادل میان کارایی جذب وعملکرد فرایند فراهم کردند. در نهایت، دو رابطه تجربی برای پیش‌بینی میزان جذب گالیم به ازای واحد جرم رزین و نرخ متوسط جذب گالیم ارائه شد که با خطای کمتر از ۶ درصد، امکان تخمین عملکرد ستون را بدون نیاز به شبیه‌سازی فراهم می‌کنند. این مطالعه نشان می‌دهد به کارگیری رزین‌های آمیدوکسیمی همراه با شبیه‌سازی دینامیکی می‌تواند روشی کارآمد و قابل ‌اتکا برای طراحی و تعیین شرایط عملیاتی مطلوب واحدهای صنعتی بازیابی گالیم باشد.
کلیدواژه‌ها
استخراج گالیم
محلول بایر
رزین آمیدوکسیم
تبادل یونی
شبیه­سازی ستون بستر ثابت
موضوعات
[1] Połedniok J., “Speciation of Scandium and Gallium in Soil” Chemosphere, 73(4): 572-579 (2008).
[2] Rudnik E., ‘Review on Gallium in Coal and Coal Waste Materials: Exploring Strategies for Hydrometallurgical Metal Recovery’ Molecules, 29(24): (2024).
[3] Qu L., Li L., Wu Y., Liu F., Wang Y., “A Review of the Current State of Research on Gallium Recovery from Bayer Liquor” Jom, 76: 6084-6098 (2024).
[4] Udabe A., Baraia I., Garrido D., “Gallium Nitride Power Devices: A State of the Art Review” IEEE Access, 11: 48628-48650 (2023).
[5] Figueiredo A.M.G., Avristcher W., Masini E.A., Diniz S.C., Abrão A., “Determination of Lanthanides (La, Ce, Nd, Sm) and Other Elements in Metallic Gallium by Instrumental Neutron Activation Analysis” J. Alloys Compd, 344(1-2): 36-39 (2002).
[6] Abdollahy M., Naderi H., “Liquid-Liquid Extraction of Gallium from Jajarm Bayer Process Liquor Using Kelex 100” Iran. J. Chem. Chem. Eng., 26(4): 109-113 (2007).
[7] Zhao Z., Yang Y., Xiao Y., Fan Y., “Recovery of Gallium from Bayer Liquor: A Review” Hydrometallurgy, 125-126: 115-124 (2012).
[8] Kou Z., Bian W., Wang C., “Preparation of Novel Amidoxime Resin and Its Performance in Gallium (III) Extraction from Bayer Liquor” Chem. Eng. J. Adv., 11: 100317 (2022).
[9] Gorzin H., Babaei Layaei M., Dehghani M., Mahmoudi M., Movahedirad S., “Optimized Gallium Extraction from Bayer Liquor Using Ion Exchange: Experimental Modeling in Batch Mode and Demonstration in Continuous Columns” Results Eng., 27: 106753 (2025).
[10] Qin Z., Wang S., Zhang S., Xie J., Zhou C-a., Wang C., Song L., Ma K., Luo D., Yue H., “Cross-Linked Amidoxime Porous Resin for Selective Gallium Separation in Bayer Solutions: Reaction Mechanism and Kinetic Study” Chem. Eng. J., 481: 148340 (2024).
[11] Zhao Z., Li X., Chai Y., Hua Z., Xiao Y., Yang Y., “Adsorption Performances and Mechanisms of Amidoxime Resin toward Gallium(III) and Vanadium(V) from Bayer Liquor” ACS Sustain. Chem. Eng., 4(1): 53-59 (2015).
[12] Yousef R., Qiblawey H., El-Naas M.H., “Evaluation of Activated Carbon Fiber Packed-Bed for the Treatment of Gas-to-Liquid Wastewater: Experimental, Modeling and ASPEN Adsorption Simulation” Emergent Mater., 8(3): 1591-1603 (2025).
[13] Vijayaraghavan K., Yun Y.-S., “Bacterial Biosorbents and Biosorption” Biotechnol. Adv., 26(3): 266-291 (2008).
[14] Wang Y., Wang C., Huang X., Zhang Q., Wang T., Guo X., “Guideline for Modeling Solid-Liquid Adsorption: Kinetics, Isotherm, Fixed bed, and Thermodynamics” Chemosphere, 349: 140736 (2024).
[15] Sahyoun T., Arrault A., Schneider R., “Amidoximes and Oximes: Synthesis, Structure, and Their Key Role as NO Donors” Molecules, 24(13): 2470 (2019).
[16] Long H., Zhao Z., Chai Y., Li X., Hua Z., Xiao Y., Yang Y., “Binding Mechanism of the Amidoxime Functional Group on Chelating Resins Toward Gallium(III) in Bayer Liquor” Ind. Eng. Chem. Res., 54(33): 8025-8030 (2015).
[17] Zheng Q., He C., Meng J., Fujita T., Zheng C., Dai W., Wei Y., “Behaviors of Adsorption and Elution on Amidoxime Resin for Gallium, Vanadium, and Aluminium Ions in Alkaline Aqueous Solution” Solvent Extr. Ion Exch., 39(4): 373-398 (2021).
[18] CH100 Macroporous polyacrylic crosslinked with divinylbenzene (DVB)., “Canftech CH100 Resin for Gallium Recovery”
[19] Ben-Shebil S., Alkan-Sungur A., Özdural A.R., “Fixed-bed ion Exchange Columns Operating Under Non-Equilibrium Conditions: Estimation of Mass Transfer Properties Via Non-Equilibrium Modeling” React. Funct. Polym., 67(12): 1540-1547 (2007).
[20] Green D.W., Perry R.H., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, Eighth Edition, 8th ed /. New York: McGraw-Hill Education, (2008).
[21] Monnens W., Lin P.-C., Deferm C., Binnemans K., Fransaer J., “Electrochemical Behavior and Electrodeposition of Gallium in 1,2-Dimethoxyethane-Based Electrolytes” Phys. Chem. Chem. Phys., 23: (2021).
[22] “Table of Diffusion Coefficients”
[23] Hameed A., Hameed B.H., Almomani F.A., Usman M., Ba-Abbad M.M., Khraisheh M., “Dynamic Simulation of Lead(II) Metal Adsorption from Water on Activated Carbons in a Packed-Bed Column” Biomass Convers. Biorefinery, 14(7): 8283-8292 (2024).
[24] Fernandez R.M.D., Estrada R.J.R., Tomon T.R.B., Dingcong R.G., Amparado R.F., Capangpangan R.Y., Malaluan R.M., Dumancas G.G., Lubguban A.A., Alguno A.C., Bacosa H.P., Lubguban A.A., “Experimental Design and Breakthrough Curve Modeling of Fixed-Bed Columns Utilizing a Novel 3D Coconut-Based Polyurethane-Activated Carbon Composite Adsorbent for Lead Sequestration” Sustainability, 15(19): 14344 (2023).