Способ извлечения ионов никеля из водных растворов с высоким содержанием солей сульфата натрия

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено для очистки промышленных и бытовых стоков. В предложенном способе, включающем введение щелочного нейтрализатора, перемешивание и отстаивание с получением осадка, многократно подвергаемого контакту со следующими порциями исходного раствора, согласно изобретению щелочной нейтрализатор вводят до значений рН 9-13, а осаждение и отстаивание осуществляют при температурах 30-100^oС. Обеспечивается повышение извлечения никеля в широком интервале значений рН и ускорение процесса. 2 табл., 2 ил.

Извлечение ионов никеля из водных растворов с высоким содержанием сульфата натрия относится к области извлечения веществ из водных растворов при реагентном осаждении и может быть использовано в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков.

Известен способ реагентного осаждения сточных вод [Тезисы докладов межотраслевых научных конференций "Решение экологических проблем г. Москвы в рамках программы "Конверсия - городу", М., 1994, с.61], предусматривающий перевод ионов металлов в труднорастворимые соединения при обработке сточных вод щелочными реагентами с последующим выделением их в осадок отстаиванием.

Недостатком способа является то, что такие технологии не обеспечивают степень очистки от ионов тяжелых металлов, удовлетворяющую современным требованиям водохозяйственных органов. В ряде случаев после реагентной обработки необходима глубокая доочистка сточных вод от соединений тяжелых металлов.

Наиболее близким техническим решением является способ осаждения ионов тяжелых металлов из сточных вод [Патент РФ 2113519 от 27.08.96, кл. 6 С 22 В 3/44, 15/00, 19/00], включающий введение щелочного нейтрализатора, перемешивание и отстаивание с получением осадка, многократно подвергаемого контакту, со следующими порциями исходного раствора.

Недостатком способа является то, что при его использовании для извлечения ионов никеля из водных растворов с высоким содержанием солей сульфата натрия в осадок увлекается значительное количество щелочного реагента-осадителя и солей натрия, полученных при нейтрализации раствора щелочным реагентом, что увеличивает расход последнего и шламовые площади.

Задачей изобретения является создание оптимальных условий извлечения ионов тяжелых металлов из водоемких стоков с солесодержанием, способствующим образованию коллоидных, мелкодисперсных систем с трудноосаждаемыми взвесями.

Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, заключается в экономичности процесса за счет сокращения расхода реагента и в увеличении степени извлечения ионов никеля из сточных вод.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе осаждения ионов никеля из водных растворов с высоким содержанием солей сульфата натрия, включающем введение щелочного нейтрализатора, перемешивания и отстаивание с получением осадка, многократно подвергаемого контакту со следующими порциями исходного раствора, щелочной нейтрализатор вводят до значений pH 9-13, а осаждение и отстаивание осуществляют при температурах 30-100^oС.

Сущность способа поясняется технологической схемой процесса, изображенной на фиг.1 и 2.

Примеры конкретного осуществления способа.

В качестве исходного раствора использовали сточную воду, полученную после нейтрализации содой отработанного кислого раствора после электроэкстракции никеля из раствора сульфата никеля.

При нейтрализации кислого раствора отработанного электролита содой состав раствора может соответствовать синтетическому раствору, полученному растворением содей, мг/дм³: NiS0₄•7H₂0 476,03; Na₂S0₄ 103570,83; NaCl 41154,93; Na₂CO₃ 2500, полученный раствор имеет рН 9-13, температура раствора 85-90^oС.

При охлаждении до комнатной температуры из данной системы осаждаются гидроксиды, основные соли, кристаллогидраты, двойные соли никеля и натрия, кристаллогидраты основных и двойных солей сульфатов и карбонатов сложного состава.

Пример 1 (табл. 1).

Горячий исходный раствор объемом 500 см³ помещали в цилиндр I и оставляли на сутки при комнатной температуре. Из раствора в процессе его охлаждения до комнатной температуры и отстаивания выделялся осадок сложного состава, содержащий гидроксосоли натрия и никеля. Через сутки отстоя осветленную водную фазу из цилиндра I сливали в цилиндр II, а цилиндр I с осадком дополняли горячим исходным раствором до прежнего объема 500 см³. Оба цилиндра оставляли на сутки при комнатной температуре, при этом из растворов двух цилиндров продолжалось выпадение осадков. Через сутки отстоя осветленную водную фазу из цилиндра II сливали в цилиндр III, из цилиндра I - в цилиндр II, а цилиндр I с осадком дополняли горячим исходным раствором до прежнего объема 500 см³, полученную систему отстаивали и охлаждали до комнатной температуры в течение суток, при этом из растворов трех цилиндров продолжалось выпадение осадков. Через сутки отстоя осветленную водную фазу из цилиндра II сливали в цилиндр III, из цилиндра I - в цилиндр II, таким образом цилиндр I содержал осадок, полученный в течение трех суток контакта исходного раствора с выпавшим осадком. Еще через двое суток отстаивания осветленную водную фазу из цилиндра II сливали в цилиндр III, таким образом цилиндр II содержал осадок, полученный в течение пяти суток контакта осветленной фазы, сливаемой из цилиндра I. В цилиндре III осветленная водная фаза отстаивалась еще на двое суток, в результате из раствора выпадал небольшой объем осадка. Осадки и растворы анализировали на содержание в них никеля.

В табл. 1 представлены результаты эксперимента, полученные по описанной методике при комнатной температуре.

Из данных табл. 1 следует, что указанный способ повторного использования осадка не дает положительных результатов извлечения из исходного раствора соединений никеля.

Максимальный объем осадка зафиксирован в цилиндре II, осадок представлял собой кристаллогидраты солей никеля и натрия сложного состава, меньший объем осадка получен в цилиндре I, он содержал механическую смесь, в основном, гидроксида и кристаллогидратов солей никеля.

Основная масса никеля сконцентрировалась в осадке цилиндра II (более 50%), примерно третья часть никеля оказалась в осадке цилиндра I и остальное - в осветленной фазе цилиндра III.

В условиях высокого солесодержания и больших значений ионной силы раствора следует учесть свойства таких солей, как сульфат натрия Na₂SО₄ и его кристаллогидрат Na₂SО₄•10H₂О - глауберова соль, содержание которых в исходном растворе значительно.

По справочным данным растворимость солей, в мас.%, при температурах, в ^oС, составляет: Температура, ^oC 0; 10; 20; 25; 30; 32; 38; 40; 60; 80; 100 Na₂SO₄ 4,5; 9,6; 19,2; 27,9; 40,8; 49,8; 48,4; 45,3; 43,3; 42,3 Na₂SO₄•10H₂О - хорошо растворима в воде.

Безводный сульфат натрия кристаллизуется из водного раствора при температуре выше 32,4^oС, ниже этой температуры выделяется кристаллогидрат Na₂SО₄•10Н₂О, который именно при 32,4^oС плавится и одновременно теряет воду. Наибольшая растворимость соли Na₂SO₄ получена при 32,4^oС и составила 49,8 мас. %.

Учитывая полученные справочные данные, осадок, находящийся в цилиндре II, имеющий наибольший объем и содержащий более половины всего никеля, выдерживали при температуре 32,4^oС в течение суток, в результате получены плотный осадок гидроксида никеля и осветленная водная фаза объемом 300 см³. Содержание никеля в осадке и осветленной водной фазе, в мг, составило соответственно: 75 и 1.

Таким образом, целесообразно описанную методику осаждения соединений никеля с повторным использованием осадка применить при температуре около 32,4^oС (в интервале 30-100^oС).

Пример 2 (табл. 2).

Горячий исходный раствор объемом 500 см³ помещали в цилиндр I и оставляли на сутки при температуре 51^oС. Из раствора в процессе его отстаивания выделялся осадок сложного состава, содержащий смесь гидроксидов и кристаллогидратов солей никеля и натрия. Через сутки отстоя осветленную водную фазу из цилиндра I сливали в цилиндр II, цилиндр I с осадком дополняли горячим исходным раствором до прежнего объема 500 см³ и оставляли на сутки при температуре 51^oС, а цилиндр II с раствором охлаждался до комнатной температуры, при этом из растворов двух цилиндров продолжалось выпадение осадков. Через сутки отстоя осветленную водную фазу из цилиндра I сливали в цилиндр III, при этом цилиндр I с осадком дополняли горячим исходным раствором объемом 500 см³ и оставляли на сутки при температуре 51^oС, а цилиндры II и III с растворами продолжали охлаждаться до комнатной температуры, при этом из растворов трех цилиндров продолжалось выпадение осадков. Еще через сутки отстоя осветленную водную фазу из цилиндра I сливали в цилиндр IV, осадок анализировали на содержание никеля, а цилиндры II, III и IV с растворами в течение 7-10 суток выдерживали при комнатной температуре. Осадки и осветленные водные фазы цилиндров II, III и IV анализировали на содержание в них никеля.

В табл. 2 представлены результаты эксперимента, полученные по описанной выше методике при температуре 51^oС.

Из данных табл. 2 следует, что указанный метод повторного использования осадка, применяемый при температурах около 30-100^oС, дает высокие показатели осаждения никеля, преимущественно в виде гидроксида. Повышенная температура способствует разложению кристаллогидратов и гидролизу солей никеля (карбонатов, хлоридов и сульфатов, в том числе двойных и основных солей), заметно выделение пузырьков газа при отстаивании системы, предположительно СО₂, полученного в результате гидролиза карбонатов. В объемах осветленной водной фазы, декантируемых из цилиндра I, через первые, вторые и третьи сутки практически не содержался никель. Весь никель, в основном, находился в осадках цилиндра I преимущественно в виде гидроксида, в незначительной степени никель содержался в осадке цилиндра II и в еще меньшей степени - в осадках цилиндров III и IV. В осветленной водной фазе цилиндра IV никель не обнаружен.

В цилиндре I полное осаждение никеля происходило за время 6 часов, при повторном использовании осадка - за время 4 часа и при третьем контакте осадка с исходным раствором - за 2,5 часа. Таким образом по мере концентрирования никеля за счет повторного использования осадка скорость осаждения соединений никеля и осветления раствора возрастала. По мере отстаивания происходило уплотнение осадка, вначале осадок рыхлый, легко пептизировался, в дальнейшем в пределах суток отстаивания осадок становился настолько плотным, что осветленная водная фаза в полном объеме могла быть отделена от осадка декантацией без использования трудоемкой и энергоемкой операции фильтрации.

По сравнению с осаждением при комнатной температуре применение метода повторного использования осадка при повышенных температурах (около 32,4^oС) приводит к полному осаждению никеля в составе преимущественно гидроксида, получению осветленной водной фазы, практически не содержащей соединения никеля.

Технологическая схема процесса очистки сточной воды, полученной после нейтрализации содой кислого отработанного раствора после электроэкстракции никеля из раствора сульфата никеля дана на фиг.1. Основной стадией является отстаивание раствора при температуре около 32,4^oС с выделением из раствора гидроксида никеля. Степень очистки раствора от ионов никеля вплоть до уровня ПДК для рыбохозяйственных водоемов определяется в значительной степени числом циклов повторного контакта осадка с новыми порциями исходного раствора. С увеличением числа циклов увеличивается концентрация никеля в осадке, что способствует его глубокому извлечению из очищаемого раствора.

Этот же способ можно реализовать и для отработанного кислого раствора электролита для осаждения из него соединений никеля щелочным реагентом. Технологическая схема такого процесса дана на фиг.2.

Поддержание повышенной температуры около 32,4^oС возможно с использованием в том числе тепла исходного очищаемого раствора, имеющего температуру 85-90^oС, что удешевляет процесс очистки.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ упрощает технологический процесс, сокращает расход нейтрализатора, повышает извлечение ионов никеля из очищаемых растворов, позволяет получать плотные осадки.

Предлагаемый способ позволяет реализовать безотходную, экологически безвредную, экономически выгодную технологию с получением товарного продукта - осадка гидроксидов никеля и возвратом очищенной осветленной водной фазы в технологический процесс.

Формула изобретения

Способ осаждения ионов никеля из водных растворов с высоким содержанием солей сульфата натрия, включающий введение щелочного нейтрализатора, перемешивание и отстаивание с получением осадка, многократно подвергаемого контакту со следующими порциями исходного раствора, отличающийся тем, что щелочной нейтрализатор вводят до значений рН 9-13, а осаждение и отстаивание осуществляют при 30-100°С.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6