Способ экстракции ионов из растворов

 

Изобретение относится к извлечению веществ органическими экстрагентами из водных растворов и может быть использовано в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков. Способ заключается в том, что в процессе экстракции отклонение величины рН экстракции от оптимального значения в зависимости от времени экстракции поддерживают согласно зависимости (1), указанной в описании изобретения. За счет регулирования кислотно-основных характеристик в процессе экстракции осуществляется интенсификация процесса. 10 ил., 6 табл.

Изобретение относится к извлечению веществ органическими экстрагентами из водных растворов и может быть использовано в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков.

Известны способы экстракции ионов из растворов, включающие подготовку исходного раствора и экстрагента, контакт раствора и экстрагента. Подготовка исходного раствора включает создание определенных кислотно-основных характеристик раствора [1].

Недостатками способов является то, что в ряде случаев в процессе экстракции кислотно-основные характеристики раствора изменяются, что сказывается на кинетике процесса и степени извлечения экстрагируемого вещества, т.к. в процессе экстракции не корректируют эти характеристики до оптимальных значений.

Наиболее близким к заявленному техническим решением является способ экстракции меди кислыми органическими растворителями по реакции типа Cu²_в⁺+2HA_o= CuA_2o+2H⁺_в [2]. В этом способе в зависимости от состава применяемых экстрагентов создают определенные кислотно-основные характеристики исходного раствора.

Недостатком способа является то, что в процессе экстракции не регулируют кислотно-основные характеристики исходного раствора до оптимальных значений, что снижает степень извлечения экстрагируемого вещества, ухудшает кинетические параметры процесса, увеличивает расход экстрагента.

Задачей изобретения является интенсификация процесса экстракции за счет регулирования кислотно-основных характеристик в процессе экстракции.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в улучшении кинетических характеристик процесса и степени извлечения экстрагируемого вещества, а также в уменьшении расхода экстрагента и числа операций экстракции.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции ионов из растворов, включающем обработку раствора и экстрагента, контакт растворов и экстрагента, в процессе экстракции отклонение величины pH экстракции от оптимального значения в зависимости от времени экстракции поддерживают согласно следующей зависимости: ΔpH = ΔpH_oexp(-kt^m). (1) , где ΔpH - отклонение величины pH от оптимального значения; t - время экстракции; ΔpΗ_o - максимальное отклонение величины pH от оптимального значения в начальный момент времени; k и m - константы, определяемые по экспериментальным данным.

Величина pH среды для ряда систем является интегрирующим показателем сложного физико-химического процесса экстракции, регулированием которого до оптимального значения улучшали физико-химические характеристики процесса.

Непрерывную нейтрализацию раствора до оптимальных значений pH осуществляли небольшими порциями нейтрализатора, т.к. при добавлении значительного количества последнего можно перейти в область pH, в которой экстракция осуществляется медленно.

Сущность способа поясняется данными табл. 1 - 3 и фиг. 1 - 6, где даны показатели экстракции никеля, меди и хрома из водных растворов с концентрацией 500 мг/дм³ по металлу при нейтрализации раствора до заданной величины pH экстракции и поддержании ее постоянной во времени экстракции в соответствии с уравнением (1), которое для процессов, представленных данными табл. 1 - 3 и графиков фиг. 1 - 6, имело вид ΔpH = ΔpH_oexp(-0,01t^3,5), (2)
где
t - время, мин.

В качестве экстрагента использовали техническую смазку, СП-3 состава, мас.%:
Олеиновая кислота - 10 - 12
Триэтаноламин - 4,5 - 6,0
Машинное масло (инертный разбавитель) - Остальное
Примеры конкретного выполнения способа.

Экстракцию осуществляли из 200 дм³ исходного раствора сульфата никеля, или меди, или хлора с концентрацией 500 мг/дм³ по металлу (Me = Ni(II), Cu (II), Cr (III).

Исходный раствор готовили растворением в воде солей NiSO₄·7H₂O, CuSO₄·5H₂O и Cr₂(SO₄)₃·6H₂O марки х.ч., концентрацию металла определяли объемным, весовым и фотокалориметрическим методами соответственно, кислотно-основные характеристики раствора контролировали pH-метром.

Показатели экстракции представлены в виде C, в мг/дм³ в расчете на металл, - концентрации металла (Me = Ni, Cu, Cr), K = C_орг/C_вод и K' = C_экстр/C_водн - коэффициенты распределения металла между органической (смазка СП-3) или экстрагентом (олеиновая кислота и триэтаноламин) и водной фазами pH - постоянной величины pH раствора в процессе экстракции.

Экстрагент добавляли к исходному водному раствору сульфата объемом 190 дм³ в количестве 10 дм³ (5 мас.%).

Время перемешивания и поддержания заданного значения pH составляло 1 - 2 ч, по истечении этого времени в дальнейшем кислотно-основные характеристики системы изменялись незначительно. По достижении равновесия между органической и водной фазами через сутки отстаивания органическую фазу отделяли от осветленной водной фазы, в последней определяли pH и остаточную концентрацию металла.

Используя значения концентраций металла в водном растворе исходном и после экстракции, рассчитывали коэффициенты распределения.

Пример 1 (табл. 1, фиг. 1 и 2).

Экстракцию никеля (II) из водного раствора осуществляли в соответствии с уравнением (2), в котором 1,25 ≅ ΔpH_o≅ 4,4. В интервале 1 ≅pH≅7 постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора щелочью NaOH, при pH 8 постоянную величину pH экстракции поддерживали нейтрализацией раствора кислотой H₂SO₄.

Лучшие показатели экстракции получены при pH 8 за время 2 ч; K = 83,09; K' = 471,10.

Пример 2 (табл. 2, фиг. 3 и 4).

Экстракцию меди (II) из водного раствора осуществляли в соотношении с уравнением (2), в котором 0,2 ≅ ΔpH_o≅ 1,3 при оптимальном значении pH экстракции, находящемся в пределах значений 4≅pH≅10.

Постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора кислотой H₂SO₄.

Из данных табл. 2 и графиков фиг. 3 и 4 следует, что экстракция меди (II) предлагаемым способом завершалась за время не более 2 ч, максимальные коэффициенты распределения K = 231,00 - 277,88 и K' = 1309,77 - 1575,58 получены при pH 7,2 - 8,5.

Пример 3 (табл. 3, фиг. 5 и 6).

Экстракцию хрома (III) из водного раствора осуществляли в соответствии с уравнением 2, в котором 0,3 ≅ ΔpH_o≅ 1,5 при оптимальном значении pH экстракции, находящемся в пределах значений 4<pH<8.

pH≅6 постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора щелочью NaOH, в интервале 7≅pH≅8 постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора кислотой H₂SO₄.

Из данных табл. 3 и графиков фиг. 5 и 6 следует, что экстракция хрома (III) предлагаемым способом завершалась за время не более 2 ч, максимальные коэффициенты распределения K = 16000 и K' = 90000 получены при pH 7,75.

Для сравнения результатов экстракции по предлагаемому способу и прототипу в табл. 4 - 6 даны результаты экстракции никеля (II), меди (II) и хрома (III) в зависимости от величины pH исходного раствора без последующего регулирования величины pH в процессе экстракции (прототип).

Экспериментальные данные, представленные в табл. 4 - 6, получены при следующих условиях. К исходному раствору объемом 190 дм³ с определенной величиной pH добавляли экстрагент в количестве 10 дм³. Если при добавлении экстрагента величина pH изменялась, ее корректировали до значения pH исходного раствора, в дальнейшем в процессе экстракции величина pH не регулировалась.

В табл. 4 даны результаты экстракции никеля (II) в зависимости от величины pH исходного раствора без последующего регулирования pH в процессе экстракции (прототип).

Из данных табл. 4 следует, что в результате экстракции pH исходного раствора изменяется в сторону подкисления.

Лучшие показатели экстракции K = 3,09 и K' = 16,35 получены при pH_исх = 5, через сутки pH уменьшилось до значения 1,95.

Из сравнения данных табл. 1 и 4 следует, что предлагаемый способ расширяет интервал pH экстракции и степень извлечения никеля (II), коэффициент распределения никеля по сравнению с таковым по прототипу возрастает на порядок.

В табл. 5 и на графиках фиг. 7 и 8 даны результаты экстракции меди (II) в зависимости от pH исходного раствора без последующего регулирования pH в процессе экстракции (прототип).

Из данных табл. 5 и графиков фиг. 7 и 8 следует, что в результате экстракции pH исходного раствора изменяется в сторону подкисления.

Лучшие показатели экстракции K = 19,31 и K' = 107,34 получены при pH_исх = 5, через сутки pH уменьшилось до значения 4,85.

Из сравнения данных табл. 2 и 5, а также графиков фиг. 3, 4 и 7, 8 следует, что предлагаемый способ расширяет интервал pH экстракции и степень извлечения меди (II), коэффициент распределения меди по сравнению с таковым по прототипу возрастает на два порядка.

В табл. 6 и на графиках фиг. 9 и 10 даны результаты экстракции хрома (III) в зависимости от величины pH раствора без последующего регулирования pH в процессе экстракции (прототип).

Из данных табл. 6 и графиков фиг. 9, 10 следует, что в результате экстракции pH исходного раствора изменяется в сторону подкисления.

Лучшие показатели экстракции K = 70,62 и K' = 392,66 получены при pH 7, через сутки pH уменьшилось до значения 4,8.

Из сравнения данных табл. 3 и 6, а также графиков фиг. 5, 6 и 9, 10 следует, что предлагаемый способ расширяет интервал pH экстракции и степень извлечения хрома (III), коэффициент распределения хрома по сравнению с таковым по прототипу возрастает на три порядка.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом интенсифицирует процесс экстракции, улучшает процесс отстоя и разделения фаз, позволяет осуществлять селективное извлечение элементов.

Селективное извлечение элементов можно осуществлять как при заданной величине pH, так и путем постепенного изменения величины pH в сторону увеличения или уменьшения и поддержания измененной величины pH раствора на каждой периодической операции экстракции.

Формула изобретения

Способ экстракции ионов из растворов, включающий обработку экстрагента и раствора, контакт экстрагента и раствора, отличающийся тем, что в процессе экстракции отклонение величины pH экстракции от оптимального значения в зависимости от времени экстракции поддерживают согласно следующей зависимости:
ΔpH = ΔpH_oexp(-kt^m),
где ΔpH - отклонение величины pH от оптимального значения;
ΔpΗ_o - максимальное отклонение величины pH от оптимального значения в начальный момент времени;
t - время экстракции;
k, m - константы, определяемые по экспериментальным данным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16