Экстракция ионов свинца из водных растворов растительными маслами
Изобретение относится к способу экстракции ионов свинца из водных растворов и может быть использовано в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков. Способ включает контактирование экстрагента и водного раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение органической и водной фаз. При этом контактирование экстрагента и водного раствора осуществляют с использованием в качестве экстрагента растительных масел. Процесс ведут при отношении водной (В) к органической (О) фазе В:О≤7, pH 9-13 и регулировании величины рН в течение не более 1,5 часов. Технический результат заключается в высокой степени эффективности извлечения свинца из водных растворов с одновременной экономичностью и безопасностью процесса. 6 ил., 2 табл., 5 пр.
Способ экстракции свинца из водных растворов относится к области извлечения веществ органическими экстрагентами из водных растворов и может быть использован в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков.
Известны способы переработки свинцовых руд гидрометаллургическими методами, используя осаждение цинка на более активном металле; используют также электролитический метод или ионообменные смолы [Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия, том 1 - М: Мир, 1971, с.430-431].
Недостатком способов является их сложность, небольшой масштаб переработки, в основном, промпродуктов.
Наиболее близким техническим решением является способ [Патент 2134728 РФ, 1999, С22В, 3/26] экстракции ионов свинца из водных растворов при pH 4-8 смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в течение не более часа.
Недостатком способа является относительная дороговизна используемых экстрагентов.
Задачей изобретения является использование экономичного и эффективного способа для извлечения ионов свинца из водных растворов.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в экономичности и эффективности извлечения ионов свинца из водных растворов.
Этот технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции свинца из водного раствора, включающем контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение фаз, экстракцию осуществляют из водного раствора растительными маслами при отношении водной (B) к органической (O) фазы B:O≤7, pH 9-11 и регулировании величины pH в течение не более 1,5 часов.
Сущность способа поясняется данными фиг.1-6, в которых указаны концентрация ионов свинца в исходных растворах, время экстракции при заданной величине pH, концентрация свинца и величина pH в осветленной водной фазе, коэффициент распределения, рассчитываемый как отношение равновесных концентраций свинца в органической и водной фазах.
Перемешивание и поддержание заданного значения pH осуществляли до тех пор, пока в дальнейшем кислотно-основные характеристики системы изменялись незначительно. Заданное значение pH поддерживали в течение 1-3 ч, в дальнейшем величина pH изменялась незначительно. По достижении равновесия между органической и осветленной водной фазами органическую фазу отделяли от водной, в последней определяли величину pH и остаточную концентрацию цинка. Для поддержания заданного значения pH раствора в процессе экстракции в качестве нейтрализаторов использовали растворы щелочи NaOH и кислоты HNO3.
Используя значения концентраций свинца в водном растворе - исходном и после экстракции, рассчитывали коэффициент распределения цинка D между органической и водной фазами.
Примеры практического применения
Пример 1 (фиг.1)
На фиг.1 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от величины pH раствора. Экстрагент - оливковое масло, С0=5,1 г/дм3, время экстракции не более часа, O:B=1:3, t=20°C. Экстракция осуществляется при pH 9-13. Лучшие результаты экстракции получены при pH 11, D=38,36. При pH 8 образуются осадки. При pH >11 на дне стакана образуется налет.
Пример 2 (фиг.2)
На фиг.2 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от отношения B:O. Экстрагент - оливковое масло, С0=5,24 г/дм3, время экстракции - сутки, pH 11, t=20°C. Экстракция осуществляется при B:O≤7 (график 1). При B:O≤8 образуются осадки (график 2), при этом остаточная концентрация включала сумму концентраций ионов свинца в растворе и в осадке.
Пример 3 (фиг.3, табл.1)
На фиг.3 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от времени и начальной концентрации С0, г/дм3: 3,4; 8,3; 11,6; 16,1. Экстрагент - оливковое масло, O:B=1:3, pH 11, t=20°C. Экстракция осуществляется за время не более 1,5 часа.
Данные табл.1 для различных исходных концентраций характеризуют зависимости С=f(τ), ln(C0/C)=f(τ), 1/C=f(τ), 1/C2=f(τ).
| Таблица 1 | ||||
| Коэффициент корреляции для зависимостей С=f(τ), ln(C0/C)=f(τ), 1/С=f(τ), 1/C2=f(τ), полученных по данным фиг.3 | ||||
| C0, г/дм3 | R2 | |||
| С=f(τ) | ln(C0/C)=f(τ) | 1/C=f(τ) | 1/C2=f(τ) | |
| 3,41 | 0,562 | 0,783 | 0,986 | 0,977 |
| 5,41 | 0,531 | 0,743 | 0,981 | 0,969 |
| 8,28 | 0,655 | 0,949 | 0,955 | 0,847 |
| 11,58 | 0,565 | 0,871 | 0,991 | 0,963 |
| 16,13 | 0,539 | 0,961 | 0,977 | 0,928 |
Из данных табл.1 следует, что функции 1/С=f(τ) линейны и имеют вид
где K - константа скорости процесса.
Уравнение (2) описывает второй порядок процесса.
По данным фиг.3 рассчитаны значения К в уравнении (1):
| C0, г/дм3 | 3,41 | 5,41 | 8,28 | 11,58 | 16,13 |
| K, дм3·г-1·мин-1 | 0,069 | 0,056 | 0,056 | 0,010 | 0,006 |
В интервале исходных концентраций С0=3,41-16,13 г/дм3 с увеличением концентрации скорость процесса убывает.
Пример 4 (фиг.4, фиг.5, табл.2)
На фиг.4 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от времени экстракции и температуры t=15, 20, 35°C. Экстрагент - оливковое масло, C0=5,6-6,1 г/дм3, pH 11, O:B=1:3. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.
Данные табл.2 для различных температур характеризуют зависимости С=f(τ), ln(C0/C)=f(τ), 1/С=f(τ), 1/С2=f(τ).
| Таблица 2 | ||||
| Коэффициент корреляции для зависимостей С=f(τ), ln(C0/C)=f(τ), 1/С=f(τ), 1/С2=f(τ), полученных по данным фиг.4 | ||||
| T, K | R2 | |||
| С=f(τ) | ln(C0/C)=f(τ) | 1/C=f(τ) | 1/C2=f(τ) | |
| 288 | 0,646 | 0,924 | 0,973 | 0,868 |
| 293 | 0,599 | 0,889 | 0,983 | 0,879 |
| 308 | 0,564 | 0,852 | 0,988 | 0,888 |
По данным фиг.4 рассчитаны значения K в уравнении (1):
| t, °C | 15 | 20 | 35 |
| K, дм3·моль-1·мин-1 | 9,19 | 12,14 | 14,79 |
В интервале температур t=15-35°C увеличением температуры скорость процесса увеличивается.
На фиг.5 по данным фиг.4 показана зависимость lnK=f(103/T) ионов свинца для температур t=15, 20, 35°C (Т=288, 293, 308°K). Экстрагент - оливковое масло, С0=6,12 г/дм3, pH 11, O:B=1:3.
По данным фиг.5 для уравнения Аррениуса вида
lnk=lnk0-E/RT,
где lnk0 - предэкспонента,
E - энергия активации процесса экстракции, Дж/моль,
R=8,314 Дж/(моль·градус) - универсальная газовая постоянная, рассчитана энергия активации, равная E=15,76 кДж/моль.
Исходя из кинетического анализа реакции, можно предположить, что второй порядок процесса и величина энергии активации Е=15,76 кДж/моль свидетельствуют о том, что, вероятно, процесс экстракции ионов свинца растительным маслом лежит в кинетической области и лимитируется образованием комплекса ионов цинка с составляющими экстрагента, который сольватируется в органическую фазу.
Пример 5 (фиг.6)
На фиг.6 дана зависимость коэффициента распределения D от вида растительного масла: 1 - абрикосовое, 2 - тыквенное, 3 - кедровое, 4 - соевое, 5 - виноградное, 5 - виноградное, 6 - кукурузное, 7 - грецкого ореха, 8 - подсолнечного, 9 - льняного, 10 - оливкового. Условия экстракции: O:B=1:3, pH 11, С0=5 г/дм3, t=20°C.
Высокие показатели экстракции получены для тыквенного, грецкого ореха и подсолнечного масла (D>20), остальные масла имеют более высокие показатели (D>40).
Комплекс ионов свинца в экстракте имеет желтый, а осадки гидроксидов - белый цвет.
Высокие показатели экстракции получены, вероятно, потому, что в составе растительных масел содержатся олеиновая кислота и другие компоненты, способные экстрагировать ионы тяжелых металлов. Растительные масла - это насыщенные и ненасыщенные (с одной, двумя и тремя двойными связями) одноосновные органические кислоты с неразветвленной углеродной цепью и четным числом углеродных атомов (преимущественно C16 и C18). Так, содержание олеиновой кислоты, % мас.: в подсолнечном масле 24-40, в кукурузном масле - 30-49, в оливковом масле - около 80, в соевом масле - 23-29.
Кроме того, в растительных маслах обнаружены в небольших количествах жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов (от C15 до C23).
Высокие показатели экстракции ионов цветных металлов растительными маслами свидетельствуют также о том, что в зоне влияния промышленных предприятий ионы цветных металлов могут накапливаться в растениях из почвы, особенно при сбросе неочищенных промышленных сточных вод. Это говорит о высокой экологической опасности для растений и животных ионов цветных металлов, попадающих в почву в результате деятельности промышленных предприятий.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ экономичен за счет использования недорогого и эффективного экстрагента.
Способ экстракции ионов свинца из водного раствора, включающий контактирование экстрагента и водного раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение органической и водной фаз, отличающийся тем, что контактирование экстрагента и водного раствора осуществляют с использованием в качестве экстрагента растительных масел при отношении водной (В) к органической (О) фазе В:O≤7, pH 9-13 и регулировании величины pH в течение не более 1,5 ч.
