Sais comuns de samário na água: solubilidade, remoção e concentração

Entre os sais comuns de samário estão o cloreto, o nitrato e o sulfato, enquanto o carbonato, o oxalato, o fosfato e o fluoreto são relevantes como sólidos pouco solúveis. Este guia compara o seu comportamento na água e explica como comunicar a concentração de samário, removê-lo da água e concentrá-lo para recuperação.

Para informações sobre a ocorrência e o contexto ambiental, consulte samário na água. «Comuns» refere-se aqui à química laboratorial e de processos, não a uma classificação dos sais detetados em águas naturais. Depois de um sal se dissolver, a sua fórmula original não descreve todas as espécies presentes: o Sm(III) pode formar complexos dissolvidos ou passar para a fase sólida.

Sais comuns e solubilidade na água

SalFórmula e exemplos de hidratosSolubilidade na águaImportância prática
Cloreto de samário(III)SmCl3; SmCl3·6H2OSolúvel em água; confirme o hidrato especificado.Um sal solúvel utilizado como fonte de Sm. A remoção de Sm não remove necessariamente o cloreto.
Nitrato de samário(III)Sm(NO3)3; geralmente hidratadoSolúvel em água.Utilizado para preparar soluções de Sm; o nitrato continua a ser um parâmetro de qualidade da água a considerar separadamente.
Sulfato de samário(III)Sm2(SO4)3; octa-hidratoSolubilidade limitada; fortemente dependente da temperatura e da fase sólida. Um estudo indica 0,033 mol/kg de água para o octa-hidrato a 25 °C [7].O sulfato também forma complexos dissolvidos; a presença de sulfato na água não provoca automaticamente a precipitação de todo o Sm.
Carbonato de samário(III)Sm2(CO3)3·xH2OPouco solúvel em água; a acidez favorece a dissolução.Potencial produto de precipitação e recuperação.
Oxalato de samário(III)Sm2(C2O4)3·xH2OPouco solúvel; o pH e o excesso de ligando afetam o Sm dissolvido.Relevante para a precipitação e concentração de terras raras.
Fosfato de samário(III)SmPO4Pouco solúvel; a acidez e a complexação afetam a dissolução.Pode imobilizar o Sm numa fase sólida.
Fluoreto de samário(III)SmF3Pouco solúvel em água.Um possível precipitado; a adição de fluoreto introduz outro contaminante e não constitui uma recomendação geral para o tratamento de água.

Estas são comparações qualitativas, não concentrações de saturação. Um valor numérico de solubilidade deve indicar a temperatura, o pH, o hidrato ou a fase sólida, a composição da solução e as unidades. Os valores em g por 100 g de água não podem ser utilizados diretamente como g/L de solução. Os hidróxidos e óxidos de Sm também são sólidos relevantes, mas não estão incluídos como sais nesta tabela. [1–4]

O que determina a quantidade de samário dissolvido?

A solubilidade é uma propriedade de equilíbrio; a concentração medida também depende da quantidade introduzida, do tempo de residência e da separação dos sólidos. A acidez, o carbonato, o sulfato, o fosfato, o fluoreto e os ligandos orgânicos podem alterar o equilíbrio entre o Sm3+ livre, os complexos dissolvidos e os precipitados. Uma baixa concentração de iões livres não implica necessariamente uma baixa concentração total de Sm dissolvido. As previsões de precipitação devem ter em conta a complexação e as fases sólidas efetivamente presentes. [3,4]

Concentração: mg/L expressos em Sm versus mg/L de sal

Comunique os resultados como samário elementar, por exemplo µg/L expressos em Sm ou mg/L expressos em Sm, e indique se a amostra representa material dissolvido ou total. Não equipare a dose de sal ao Sm dissolvido que permanece após o equilíbrio. Não existe uma concentração representativa única para todas as águas naturais ou industriais.

Concentração calculada de Sm (mg/L) = dose de sal (mg/L) × n × 150,36 / massa molar do sal (g/mol).

Aqui, n é o número de átomos de Sm por unidade de fórmula. Inclua a água de cristalização na massa molar e, quando aplicável, corrija o cálculo de acordo com o teor declarado do produto.

Sal definidoMassa molar aproximada (g/mol)Sm proveniente de 100 mg/L de sal, calculado
SmCl3, anidro256.7158,6 mg/L expressos em Sm
SmCl3·6H2O364.8041,2 mg/L expressos em Sm
Sm(NO3)3·6H2O444.4733,8 mg/L expressos em Sm

Estes exemplos estequiométricos pressupõem material puro, dissolução completa e ausência de perdas posteriores; não são medições de solubilidade nem concentrações ambientais. Um mmol/L de Sm corresponde a aproximadamente 150,36 mg/L expressos em Sm. Inversamente, 1 mg/L expresso em Sm corresponde a aproximadamente 6,65 µmol/L.

Remoção do samário da água

  • Precipitação e separação de sólidos: avalie o ajuste do pH e os precipitantes adequados com a água em questão. A química dos carbonatos, oxalatos e fosfatos pode transferir as terras raras para a fase sólida. Após a precipitação, proceda à sedimentação ou filtração; a simples formação de um precipitado não o remove do fluxo de água. A coprecipitação pode produzir lamas com uma mistura de metais. [4]
  • Permuta iónica: capture o Sm dissolvido numa resina adequada e regenere-a, transferindo o Sm para um menor volume de líquido. A retenção de Sm(III) foi estudada com uma resina ácida de permuta catiónica; a acidez, os iões concorrentes e a carga influenciam o desempenho. A capacidade medida em laboratório não garante a capacidade operacional numa instalação. [5]
  • Adsorção e especiação: a retenção pelo adsorvente depende do pH, dos iões concorrentes e dos ligandos. Um estudo sobre o samário com uma resina fortemente ácida concluiu que a acumulação na resina estava relacionada com o Sm livre em solução nos sistemas testados. Por isso, o Sm dissolvido total e os iões Sm livres não são grandezas de medição equivalentes. [6]

A filtração, por si só, atua sobre as partículas, não sobre os iões Sm livremente dissolvidos. A escolha do tratamento deve basear-se nas características medidas da água afluente, na concentração exigida à saída, nos metais concorrentes e nas correntes de resíduos ou de recuperação resultantes. A remoção do Sm não demonstra, por si só, que o cloreto, o nitrato, o sulfato ou outros constituintes dissolvidos cumpram os requisitos de qualidade da água.

Concentração e recuperação

A remoção reduz o teor de Sm na água tratada; a recuperação recolhe-o num produto útil. A eluição após permuta iónica pode concentrar o Sm num menor volume de líquido, enquanto a precipitação o concentra num sólido. Nenhuma destas etapas, por si só, garante a separação das terras raras afins nem uma pureza que permita comercializar o produto. [4,5]

Fator de concentração no líquido = concentração de Sm no eluato recolhido / concentração de Sm na alimentação. Calcule separadamente a recuperação como a massa de Sm recolhida dividida pela massa de Sm na alimentação. Por exemplo, 1 m³ contendo 10 mg/L expressos em Sm contém 10 g de Sm. A recuperação de 90% em 10 L resultaria em 900 mg/L expressos em Sm e num fator de concentração de 90. Trata-se de um balanço de massa ilustrativo, não de uma previsão do desempenho do tratamento.

Dados para a avaliação do tratamento

Os dados úteis incluem o caudal, as concentrações de Sm dissolvido e total, o pH, a temperatura, os principais aniões, os metais concorrentes, os sólidos em suspensão e a concentração pretendida à saída. Defina com o laboratório a amostragem e a preparação analítica, para que os resultados relativos ao Sm dissolvido e total sejam comparáveis. Os ensaios à escala de bancada devem medir o Sm residual, a separação dos sólidos, o consumo de reagentes e a composição de qualquer concentrado.

Fontes e leituras complementares

  1. Santa Cruz Biotechnology: cloreto de samário(III) hexa-hidratado.
  2. Stanford Materials: nitrato de samário.
  3. Stanford Materials: compostos de samário.
  4. Han (2020): Características da precipitação de elementos de terras raras com diversos precipitantes.
  5. Remoção de samário(III) por permutador catiónico fracamente ácido Amberlite IRC-50 nas formas (H+) e (Na+).
  6. Especiação de um lantanídeo (Sm) utilizando uma resina de permuta iónica (2016).
  7. Solubilidade e funções termodinâmicas do sulfato de samário em água e em soluções de ácido sulfúrico (1975).