Экстрагент для выделения ионов металлов из водных растворов

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к экстракционным методам извлечения и концентрирования ионов металлов из водных растворов, и может быть использовано для их выделения в гибридных и комбинированных методах анализа. Изобретение основано на способности ионов металлов экстрагироваться в расслаивающейся системе вода - хлорид аммония - полиэтиленгликолевые эфиры моноэтаноламидов синтетических жирных кислот (синтамид-5) общей формулы C_nH_2n+1CONH(CH₂CH₂O)_mH (n=10-16; m=5-6) при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид аммония - 2-25; синтамид-5 - 5-45; вода - до 100. Изобретение позволяет количественно выделять ионы таллия(III) и галлия из водных растворов и при этом избежать применения пожароопасных и токсичных веществ. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к экстракционным методам извлечения и концентрирования ионов металлов из водных растворов, и может быть использовано для его выделения в гибридных и комбинированных методах анализа.

Известна жидкостная экстракция, основанная на распределении веществ между двумя несмешивающимися жидкостями, которая широко используется в аналитической химии для разделения компонентов растворов [Гиндин Л.М. Экстракционные процессы и их применение. М.: Наука, 1984. 144 с.]. Обычно, в качестве двух жидких несмешивающихся фаз, используются водные растворы и органические растворители. Недостатком является то, что большинство органических растворителей относятся к легколетучим, пожароопасным и токсичным веществам.

Известна экстракция без органического растворителя с использованием явления расслаивания водных растворов антипирина или его производных - диантипирилалканов на две жидкие фазы в результате взаимодействия с рядом органических кислот, таких как монохлор- или трихлоруксусная кислота, нафталин-2-сульфокислота, пирокатехин [Яковлева Т.П., Леснов А.Е., Петров Б.H., Денисова С.А. Жидкофазные и экстракционные равновесия в нетрадиционных экстракционных системах, содержащих производные пиразолона / Избранные главы физико-химического анализа. Пермь: Пермск. ун-т, 2003. С.135-171]. Однако в этом случае используются достаточно дорогие реагенты - антипирин или его производные и токсичные галогенуксусные кислоты или пирокатехин.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является экстракция ионов металлов из водных растворов с использованием смеси поверхностно-активного вещества (ПАВ) - полиэтиленгликоля - с высаливателем [Зварова Т.И., Шкинев В.М., Спиваков Б.Я., Золотов Ю.А. Жидкостная экстракция в системе водный раствор соли - водный раствор полиэтиленгликоля // Докл. АН СССР. 1983. Т.273, N1. С.107-110]. Расслаивание водного раствора полиэтиленгликоля на две жидкие фазы обеспечивается введением в систему различных неорганических солей.

Недостатком способа является необходимость использования фракции водорастворимого полиэтиленгликоля со строго определенной молекулярной массой в интервале от 1000 до 5000 у.е. Кроме того, в качестве высаливателя не могут применяться соли, в состав которых входят анионы Cl^-, Br^-, NO₃ ^-, так как они не обладают способностью расслаивать водные растворы полиэтиленгликоля на две жидкие фазы [Нифантьева Т.Н., Матоушова В., Адамцова 3., Шкинев В.М. Двухфазные водные системы на основе полиэтиленгликоля и неорганических солей // Высокомолекулярные соединения. 1989. Т.31, №10. С.2131-2135].

Задачей изобретения является разработка экстрагентов для выделения ионов металлов из водных растворов, содержащих ПАВ, высаливатель и воду, допускающих использование более широкого ассортимента компонентов.

Для решения поставленной задачи предлагается экстрагент для выделения ионов металлов из водных растворов, содержащий воду, поверхностно-активное вещество и высаливатель, где в качестве высаливателя используется хлорид аммония, а в качестве поверхностно-активного вещества - полиэтиленгликолевые эфиры моноэтаноламидов синтетических жирных кислот (синтамид-5) общей формулы C_nH_2n+1CONH(CH₂CH₂O)_mH (n=10-16; m=5-6) при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид аммония - 2-25; синтамид-5 - 5-45; вода - до 100.

Изобретение основано на способности расслаивания водных растворов синтамида-5 на две жидкие фазы при добавлении хлорида аммония.

Одна из фаз обогащается ПАВ, а вторая в основном содержит раствор высаливателя. Помимо обеспечения расслаивания хлорид аммония является комплексообразователем, образуя с некоторыми ионами металлов экстрагируемый ацидокомплекс, например в случае галлия или железа состава [MCl₄]^-.

Соотношение компонентов определено по изотерме растворимости трехкомпонентной системы синтамид-5 - хлорид аммония - вода (фиг.1). Из фиг.1 видно, что область жидкого двухфазного равновесия существует в интервалах концентрации, мас.%: воды - ˜30-95; синтамида-5 - ˜5-70; хлорида аммония - ˜2-25. Увеличение содержания воды более 95 мас.% приводит к гомогенизации системы. При содержании воды менее 30 мас.% в системе наблюдается выпадение осадков, что делает ее непригодной для экстракции. Выход за указанные пределы содержания синтамида-5 и хлорида аммония приводит к аналогичным результатам. Поскольку для экстракции ионов металлов оптимальными будут составы с высоким содержанием воды (меньший расход реагентов и увеличение степени абсолютного концентрирования за счет увеличения соотношения объемов фаз рафината и экстракта и экстракта), то в качестве рабочих соотношений были выбраны составы, соответствующие фигуративным точкам, лежащим внутри области расслаивания ближе к вершине диаграммы растворимости (фиг.1).

Описания экстрагента для выделения ионов металлов из водных растворов, характеризующегося признаками, идентичными всем признакам заявляемого решения, в источниках информации не обнаружено. Предлагаемый экстрагент отличается от выбранного прототипа тем, что выделение ионов металлов из водных растворов проводится с использованием в качестве экстрагента смеси синтамида-5, хлорида аммония и воды. Это позволяет сделать вывод о соответствии решения критерию изобретения "новизна".

Использование смеси синтамида-5, хлорида аммония и воды для выделения ионов металлов из водных растворов в источниках информации не обнаружено. Достижение заявляемого технического эффекта возможно только при использовании всех существенных признаков предлагаемого решения в совокупности, что обеспечивает соответствие его критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена диаграмма растворимости системы синтамид-5 - хлорид аммония - вода при 25°С. (Фазовые области: L - область гомогенных растворов; L₁+L₂ - область расслаивания; L₁+L₂+S - область монотектического равновесия; L+S - область кристаллизации соли.)

На фиг.2 представлено распределение 1·10^-4 моль ионов металлов в системе Н₂О - синтамид-5 - NH₄Cl в зависимости от концентрации H₂SO₄.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1.

Соответствующие количества растворов синтамида-5, хлорида аммония и воды при общем объеме 15 мл встряхивали в течение 1 минуты. После отстаивания измерили объем образовавшихся фаз. Полученные результаты представлены в таблице.

Таблица
Объемы фаз в системе синтамид-5 - хлорид аммония и вода в зависимости от соотношения компонентов при общем объеме 15 мл
№	Содержание, мас.%	Объем рафината, мл	Объем экстракта, мл
Синтамид-5	NH4CL	Н2О
1	5	2	93	14	1
2	20	20	60	12	3
3	45	10	45	3	12
4	10	10	80	12,8	2,2

При соотношении компонентов, соответствующих №4 табл., рН рафината составил 6,8. Экстракт представлял собой прозрачную, подвижную жидкость, объем которой не изменялся при добавлении в систему серной кислоты до концентрации 1,2 моль/л. При увеличении концентрации кислоты более 2,2 моль/л система гомогенизировалась.

Пример 2.

В делительную воронку поместили 1,5 г синтамида-5 (10 мас.%), 1,5 г хлорида аммония (10 мас.%), раствор, содержащий 1·10^-4 моль ионов металлов, соответствующее количество серной кислоты и довели дистиллированной водой до 15 мл. Воронку встряхивали в течение 1 мин. После разделения фаз, в экстракте определили содержание иона металла методом комплексонометрического титрования. Полученные результаты представлены на фиг.2. Как видно из фиг.2, галлий количественно извлекается в интервале концентраций серной кислоты 0,2-0,8 моль/л. Максимальная степень извлечения ионов металлов составляет, %: Tl(III) - 98, Sn(II) - 87, Ni - 45, Zn - 30, Fe(III) - 27.

Применение заявляемого изобретения расширяет ассортимент компонентов для экстрагентов ионов металлов из водных растворов, содержащих воду, ПАВ и высаливатель, по сравнению с прототипом и позволяет количественно выделять ионы таллия(III) и галлия и при этом избежать применения пожароопасных и токсичных веществ.

Экстрагент для выделения ионов металлов из водных растворов, содержащий воду, поверхностно-активное вещество и высаливатель, отличающийся тем, что в качестве высаливателя используется хлорид аммония, а в качестве поверхностно-активного вещества - полиэтиленгликолевые эфиры моноэтаноламидов синтетических жирных кислот общей формулы C_nH_2n+1CONH(CH₂CH₂O)_mH (n=10-16; m=5-6) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хлорид аммония	2-25
полиэтиленгликолевые эфиры
моноэтаноламидовсинтетических
жирных кислот общей формулы
CnH2n+1CONH(CH2CH2O)mH (n=10-16; m=5-6)	5-45
вода	до 100