Способ концентрирования нафтолмоносульфокислот из водных растворов

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть рекомендовано для концентрирования нафтолмоносульфокислот (1-нафтол-4-сульфокислоты, 1-нафтол-5-сульфокислоты, 2-нафтол-6-сульфокислоты) в очищенных сточных водах производства азокрасителей. Описывается способ концентрирования нафтолмоносульфокислот из водных растворов, включающий экстракцию с использованием триоктиламиноксида (ТОАО) в присутствии сульфата аммония, причем предварительно готовят смесь триоктиламиноксида и расплавленного цетилового спирта при массовом соотношении 15-20:85-80 соответственно с последующим погружением в полученную горячую смесь герметичной стеклянной или полиэтиленовой капсулы со стальным стержнем внутри, дальнейшим извлечением ее и охлаждением при комнатной температуре с последующим помещением капсулы с образовавшейся на ней пленкой, содержащей триоктиламиноксид и цетиловый спирт, в анализируемый раствор, концентрированием нафтолмоносульфокислоты при вращении капсулы в переменном магнитном поле со скоростью 45-70 оборотов/мин в течение 20-25 мин и фотометрическим определением коэффициента концентрирования К по формуле

К=m_пл/m_раств,

где m_пл и m_раств - массы пленки смеси ТОАО с цетиловым спиртом и анализируемого водного раствора, г. По сравнению с ближайшим аналогом предложенный способ позволяет в 10 раз повысить коэффициент концентрирования нафтолмоносульфокислот и в три раза снизить время получения концентрата. 2 табл.

 

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть рекомендовано для извлечения нафтолмоносульфокислот [1-нафтол-4-сульфокислота (1Н4СК), 1-нафтол-5-сульфокислота (1Н5СК), 2-нафтол-6-сульфокислота (2Н6СК)] из очищенных сточных вод производства азокрасителей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ экстракционного концентрирования нафтолсульфокислот из раствора сульфата аммония с концентрацией 0,05-0,5 моль/дм³ раствором триоктиламиноксида в толуоле с концентрацией 0,25-0,5 моль/дм³ (Патент RU 2043625 С1, МКИ⁶ G 01 N 31/00, В 01 D 11/00. Способ экстракционного концентрирования нафтолсульфокислот / Торгов В.Г., Дроздова М.К., Ларионова З.А., Коренман Я.И., Калинкина С.П., Суханов П.Т., Подолина Е.А., Страшилина Н.Ю. Институт неорганической химии СО РАН, Воронежский технологический институт. - №93008902/04; Заявлено 16.02.93, Опубл. 10.09.95, Бюл. №25

Недостаток способа - низкий коэффициент концентрирования нафтолмоносульфокислот (≈50).

Технической задачей изобретения является повышение коэффициентов концентрирования нафтолмоносульфокислот при практически полном (97-99%-ном) извлечении из водного раствора и снижение времени получения концентрата.

Поставленная задача достигается тем, что в способе концентрирования нафтолмоносульфокислот из водных растворов, включающем экстракцию с использованием триоктиламиноксида (ТОАО) в присутствии сульфата аммония, новым является то, что предварительно готовят смесь ТОАО и расплавленного цетилового спирта при массовом соотношении 15-20:85-80 соответственно с последующим погружением в полученную горячую смесь герметичной стеклянной или полиэтиленовой капсулы со стальным стержнем внутри, дальнейшим извлечением ее и охлаждением при комнатной температуре с последующим помещением капсулы с образовавшейся на ней пленкой, содержащей ТОАО и цетиловый спирт, в анализируемый раствор, концентрированием нафтолмоносульфокислоты при вращении капсулы в переменном магнитном поле со скоростью 45-70 оборотов/мин в течение 20-25 мин и фотометрическим определением коэффициента концентрирования К по формуле

где m_пл и m_раств - массы пленки смеси ТОАО с цетиловым спиртом и анализируемого водного раствора, г.

Технический результат заключается в повышении коэффициентов концентрирования и снижении времени получения концентрата за счет того, что нафтолмоносульфокислоты концентрируют с применением твердой смеси ТОАО - цетиловый спирт, нанесенной на поверхность стеклянной или полиэтиленовой капсулы, содержащей внутри стальной стержень, которая вращается в переменном магнитном поле.

Предлагаемый способ концентрирования нафтолмоносульфокислот из водных растворов осуществляют следующим образом.

Цетиловый спирт помещают в химический стакан, нагревают до температуры плавления (49,3°С), термостатируют при 50±0,5°С. Готовят смесь ТОАО и цетилового спирта в соотношении (15-20):(85-80) % мас. Стальной стержень, помещенный в герметичный полиэтиленовый или стеклянный корпус (капсула), взвешивают на аналитических весах, пинцетом переносят в горячую смесь ТОАО и цетилового спирта, осторожно извлекают и охлаждают на воздухе в течение 15-20 с. Капсулу пинцетом помещают на чашку аналитических весов и взвешивают. По разности находят массу пленки смеси цетилового спирта и ТОАО, оставшейся на поверхности корпуса капсулы. При длине капсулы 2 см и диаметре 4 мм на ее поверхности остается 0,05±0,001 г смеси ТОАО и цетилового спирта.

К анализируемому раствору добавляют кристаллический сульфат аммония до получения раствора с содержанием соли 0,5-1,0 моль/дм³. В химический стакан отбирают 25 см³ полученного раствора, помещают капсулу с пленкой смеси ТОАО и цетилового спирта. Стакан устанавливают на поверхность стола стандартной магнитной мешалки и перемешивают 20-25 мин при скорости 45-70 оборотов/мин. Равновесную концентрацию нафтолмоносульфокислот в водном растворе находят фотометрически по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийной буферной смеси и персульфата аммония (КФК-2МП, λ=400 или 590 нм). В органическую фазу переходит по 97,0-98,5% нафтолмоносульфокислот по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе, коэффициент концентрирования 510-550.

По формулам (1) и (2) рассчитывают коэффициент концентрирования (при условии 97%-ного и более полного извлечения) и степень извлечения R:

где с_исх и с_равн - исходная и равновесная концентрации нафтолмоносульфокислоты в водном растворе.

Примеры осуществления способа

Пример 1 (по прототипу). К анализируемому водному раствору 1-нафтол-4-сульфокислоты добавляют кристаллический сульфат аммония до концентрации 0,5 моль/дм³, отбирают 50 см³ полученного раствора, добавляют 1 см³ раствора ТОАО в толуоле с концентрацией 0,5 моль/дм³, экстрагируют 10 мин, оставляют при комнатной температуре на 1 ч для фазового разделения. Содержание 1-нафтол-4-сульфокислоты в равновесном водном растворе находят по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийной буферной смеси и персульфата аммония [Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений - М.: Химия. - 1970. - 342 с.].

В органическую фазу переходит 99,9% 1Н4СК по сравнению с ее исходным содержанием в анализируемой пробе. Коэффициент концентрирования 50.

Пример 2 (экстракция в отсутствие ТОАО). Цетиловый спирт помещают в химический стакан, нагревают до температуры плавления (49,3°С), термостатируют при 50±0,5°С. Стальной стержень, помещенный в герметичный полиэтиленовый или стеклянный корпус (капсула), взвешивают на аналитических весах, пинцетом переносят в горячий цетиловый спирт, осторожно извлекают и охлаждают на воздухе в течение 15-20 с. Капсулу пинцетом помещают на чашку аналитических весов и взвешивают. По разности находят массу пленки цетилового спирта, оставшейся на поверхность корпуса капсулы. При длине капсулы 2 см и диаметре 4 мм на ее поверхности остается 0,05±0,001 г цетилового спирта.

К анализируемому раствору добавляют кристаллический сульфат аммония до получения раствора с содержанием соли 1,0 моль/дм³. В химический стакан отбирают 25 см³ полученного раствора, помещают капсулу с пленкой цетилового спирта. Стакан устанавливают на поверхность стола стандартной магнитной мешалки и перемешивают 20 мин при скорости 60 оборотов/мин. Равновесную концентрацию нафтолмоносульфокислот в водном растворе находят фотометрически по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийной буферной смеси и персульфата аммония (КФК-2МП, λ=400 или 590 нм).

В органическую фазу переходит менее 0,5% 1Н4СК, 1Н5СК и 2Н6СК по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе. Не достигается 97%-ное извлечение нафтолмоносульфокислот. Способ невыполним.

Пример 3 (за нижним пределом заявляемого содержания ТОАО в смеси с цетиловым спиртом). Цетиловый спирт помещают в химический стакан, нагревают до температуры плавления (49,3°С), термостатируют при 50±0,5°С. Готовят смесь, содержащую 14% мас. ТОАО и 86% мас. цетилового спирта. Стальной стержень, помещенный в герметичный полиэтиленовый или стеклянный корпус (капсула), взвешивают на аналитических весах, пинцетом переносят в горячую смесь цетилового спирта и ТОАО, осторожно извлекают и охлаждают на воздухе в течение 15-20 с. Капсулу пинцетом помещают на чашку аналитических весов и взвешивают. По разности находят массу пленки смеси цетилового спирта и ТОАО, оставшейся на поверхность корпуса капсулы. При длине капсулы 2 см и диаметре 4 мм на ее поверхности остается 0,05±0,001 г смеси ТОАО и цетилового спирта.

Далее анализ выполняют как в примере 2. В органическую фазу переходит 95,6% 1Н4СК, 95,4% 1Н5СК и 96,1% 2Н6СК по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе. Не достигается 97%-ное извлечение, способ невыполним.

Пример 4 (за верхним пределом заявляемого содержания ТОАО). Цетиловый спирт помещают в химический стакан, нагревают до температуры плавления (49,3°С), термостатируют при 50±0,5°С. Готовят смесь, содержащую 21% мас. ТОАО и 79% мас. цетилового спирта. Стальной стержень, помещенный в герметичный полиэтиленовый или стеклянный корпус (капсула), взвешивают на аналитических весах, пинцетом переносят в горячую смесь ТОАО и цетилового спирта, осторожно извлекают и охлаждают 15-20 с на воздухе. Капсулу пинцетом помещают на чашку аналитических весов и взвешивают. По разности находят массу пленки смеси ТОАО и цетилового спирта, оставшейся на поверхности корпуса капсулы. При длине капсулы 2 см и диаметре 4 мм на ее поверхности остается 0,05±0,001 г смеси ТОАО и цетилового спирта.

К анализируемому раствору нафтолмоносульфокислот добавляют кристаллический сульфат аммония до получения раствора с содержанием соли 0,5-1,0 моль/дм³. В химический стакан отбирают 25 см³ полученного раствора, помещают капсулу с пленкой смеси ТОАО и цетилового спирта. Стакан устанавливают на поверхность стола стандартной магнитной мешалки и перемешивают 20 мин при скорости 60 оборотов/мин. На поверхности воды образуется пленка ТОАО. Превышена растворимость ТОАО в цетиловом спирте, способ невыполним.

Пример 5 (экстракция при скорости вращения капсулы меньше заявляемой величины). Цетиловый спирт помещают в химический стакан, нагревают до температуры плавления (49,3°С), термостатируют при 50±0,5°С. Готовят смесь, содержащую 15% мас. ТОАО и 85% мас. цетилового спирта. Стальной стержень, помещенный в герметичный полиэтиленовый или стеклянный корпус (капсула), взвешивают на аналитических весах, пинцетом переносят в горячую смесь цетилового спирта и ТОАО, осторожно извлекают и охлаждают на воздухе в течение 15-20 с. Капсулу пинцетом помещают на чашку аналитических весов и взвешивают. По разности находят массу пленки смеси цетилового спирта и ТОАО, оставшейся на поверхности корпуса капсулы. При длине капсулы 2 см и диаметре 4 мм на ее поверхности остается 0,05±0,001 г смеси ТОАО и цетилового спирта.

К анализируемому раствору нафтолмоносульфокислот добавляют кристаллический сульфат аммония до получения раствора с содержанием соли 0,5-1,0 моль/дм³. В химический стакан отбирают 25 см³ полученного раствора, помещают капсулу с пленкой смеси ТОАО и цетилового спирта. Стакан устанавливают на поверхность стола стандартной магнитной мешалки и перемешивают 20 мин при скорости 40 оборотов/мин. Равновесную концентрацию нафтолмоносульфокислот в водном растворе находят фотометрически по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийной буферной смеси и персульфата аммония (КФК-2МП, λ=400 или 590 нм). В органическую фазу переходит 92,5% 1Н4СК, 92,1% 1Н5СК и 93,2% 2Н6СК по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе, не достигается экстракционное равновесие, требуется большее время перемешивания, способ невыполним.

Пример 6 (экстракция при скорости вращения капсулы более заявляемой величины). Готовят капсулу как в примере 5.

К анализируемому раствору нафтолмоносульфокислот добавляют кристаллический сульфат аммония до получения раствора с содержанием соли 0,5-1,0 моль/дм³. В химический стакан отбирают 25 см³ полученного раствора, помещают капсулу с пленкой смеси ТОАО и цетилового спирта. Стакан устанавливают на поверхность стола стандартной магнитной мешалки и перемешивают 20 мин при скорости 75 оборотов/мин. Равновесную концентрацию нафтолмоносульфокислот в водном растворе находят фотометрически по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийной буферной смеси и персульфата аммония (КФК-2МП, λ=400 или 590 нм). Вследствие увеличения центробежных сил пленка смеси ТОАО и цетилового спирта отрывается от поверхности капсул, остается на стенках стакана и в растворе. Способ невыполним.

Пример 7 (экстракция менее 20 мин). Анализ выполняют аналогично примеру 5. Смесь содержит 15% мас. ТОАО и 80% мас. цетилового спирта. Водно-солевой раствор нафтолмоносульфокислот перемешивают 15 мин при 45-70 оборотах/мин. В органическую фазу переходит 94,5% 1Н4СК, 93,9% 1Н5СК и 95,2% 2Н6СК по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе. Не достигается экстракционное равновесие, соответственно степень извлечения нафтолмоносульфокислот менее 97%. Способ невыполним.

Пример 8 (экстракция более 25 мин). Анализ выполняют аналогично примеру 5, содержание ТОАО в смеси 15% мас., перемешивают 30 мин при 60 оборотах в мин. В органическую фазу переходит 97,5% 1Н4СК, 97,1% 1Н5СК и 98,5% 2Н6СК по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе. Коэффициент концентрирования 510-540. Способ выполним, однако увеличивается время получения концентрата.

Пример 9 (внутри заявляемых интервалов содержания ТОАО в смеси с цетиловым спиртом, времени и скорости вращения капсулы). Цетиловый спирт помещают в химический стакан, нагревают до температуры плавления (49,3°С), термостатируют при 50±0,5°С. Готовят смесь, содержащую 15% мас. ТОАО и 85% мас. цетилового спирта. Стальной стержень, помещенный в герметичный полиэтиленовый или стеклянный корпус (капсула), взвешивают на аналитических весах, пинцетом переносят в горячую смесь цетилового спирта и ТОАО, осторожно извлекают и охлаждают на воздухе в течение 15-20 с. Капсулу пинцетом помещают на чашку аналитических весов и взвешивают. По разности находят массу пленки смеси цетилового спирта и ТОАО, оставшейся на поверхность корпуса капсулы. При длине капсулы 2 см и диаметре 4 мм на ее поверхности остается 0,05±0,001 г смеси цетилового спирта и ТОАО.

К анализируемому раствору нафтолмоносульфокислоты добавляют кристаллический сульфат аммония до получения раствора с содержанием соли 0,5-1,0 моль/дм³. В химический стакан отбирают 25 см³ полученного раствора, помещают капсулу с пленкой смеси ТОАО и цетилового спирта. Стакан устанавливают на поверхность стола стандартной магнитной мешалки и перемешивают 20 мин при скорости 60 оборотов/мин. Равновесную концентрацию нафтолмоносульфокислот в водном растворе находят фотометрически по реакции с 4-аминоантипирином в присутствии аммонийной буферной смеси и персульфата аммония (КФК-2МП, λ=400 или 590 нм). В органическую фазу переходит 97,5% 1Н4СК, 97,4% 1Н5СК и 98,2% 2Н6СК по сравнению с исходным содержанием в анализируемой пробе. Коэффициенты концентрирования соответственно 512, 510 и 520. Способ выполним.

Пример 10-13. Выполняются аналогично примеру 8, иллюстрируют возможности способа концентрирования нафтолмоносульфокислот внутри заявляемых интервалов содержания ТОАО в смеси с цетиловым спиртом, времени и скорости вращения капсулы с пленкой смеси (табл.1).

Сравнительная характеристика известного и предлагаемого способов концентрирования нафтолмоносульфокислот из водных растворов приведена в табл.2.

Таблица 1 Экстракционное концеитрирование нафтолмоносульфокислот по заявляемому интервалу содержания ТОАО в смеси с цетиловым спиртом, времени и скорости вращения капсулы с пленкой смеси
Номер примера	Кислота	Содержание ТОАО в смеси, % мас.	Скорость вращения	Время экстракции, мин	R, %	К
10	1Н4СК				97,1	512
	1Н5СК	15	45	20	97,3	515
	2Н6СК				98,0	535
11	1Н4СК				97,3	532
	1Н5СК	16	60	25	97,4	550
	2Н6СК				98,1	545
12	1Н4СК				97,3	528
	1Н5СК	18	70	20	97,5	522
	2Н6СК				98,2	540
13	1Н4СК				98,3	528
	1Н5СК	20	55	20	98,1	552
	2Н6СК				98,4	540
Таблица 2 Сравнительная характеристика предлагаемого способа и прототипа
Показатели	Известный способ	Предлагаемый способ
Коэффициент концентрирования	50	550-510
Время, затрачиваемое на концентрирование	Экстракция 10 мин, достижение межфазного расслаивания 1 час	20-25 мин

Способ концентрирования нафтолмоносульфокислот из водных растворов, включающий экстракцию с использованием триоктиламиноксида в присутствии сульфата аммония, отличающийся тем, что предварительно готовят смесь триоктиламиноксида и расплавленного цетилового спирта при массовом соотношении 15-20:85-80 соответственно с последующим погружением в полученную горячую смесь герметичной стеклянной или полиэтиленовой капсулы со стальным стержнем внутри, дальнейшим извлечением ее и охлаждением при комнатной температуре с последующим помещением капсулы с образовавшейся на ней пленкой, содержащей триоктиламиноксид и цетиловый спирт, в анализируемый раствор, концентрированием нафтолмоносульфокислоты при вращении капсулы в переменном магнитном поле со скоростью 45-70 об/мин в течение 20-25 мин и фотометрическим определением коэффициента концентрирования К по формуле

К=m_пл/m_раств,

где m_пл и m_раств - массы пленки смеси ТОАО с цетиловым спиртом и анализируемого водного раствора, г.