Экстракция ионов цинка из водных растворов растительными маслами
Изобретение относится к способу экстракции цинка из водного раствора. Способ включает контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение органической и водной фаз. Экстракцию осуществляют растительными маслами. Процесс ведут при отношении водной (B) к органической (О) фазе В:O≤7, pH 7-10 и регулировании величины pH в течение не более 60 мин. Технический результат заключается в высокой степени эффективности извлечения цинка из водных растворов с одновременной экономичностью и безопасностью процесса. 7 ил., 6 пр.
Способ экстракции цинка 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.
Известен способ электроэкстракции ионов цинка [Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. - М.: Мир, 1972, с.787 и 788].
Недостатком способа является большой расход электроэнергии и необходимость доизвлечения ионов цинка, например, сорбцией для извлечения ионов цинка из раствора после электроэкстракции до норм ПДК.
Наиболее близким техническим решением является способ [патент 2229526 РФ, 2004, C22B, 3/26 // C22B 15:00, 19:00, БИ №15] экстракции ионов цинка из водных растворов при pH 3-11 смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина.
Недостатком способа является относительная дороговизна используемых экстрагентов.
Задачей изобретения является использование экономичного и эффективного способа для извлечения ионов цинка из водных растворов.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в экономичности и эффективности извлечения ионов цинка из водных растворов.
Этот технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции цинка из водного раствора, включающем контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение фаз, экстракцию осуществляют из водного раствора растительными маслами при отношении водной (В) к органической (О) фазы В:O≤7, pH 7-10 и регулировании величины pH в течение не более 60 мин.
Сущность способа поясняется данными фиг.1-7, в которых указаны концентрация цинка в исходных растворах, время экстракции при заданной величине pH, концентрация цинка и величина pH в осветленной водной фазе, коэффициент распределения, рассчитываемый как отношение равновесных концентраций цинка в органической и водной фазах.
Перемешивание и поддержание заданного значения рН осуществляли до тех пор, пока в дальнейшем кислотно-основные характеристики системы изменялись незначительно. Заданное значение рН поддерживали в течение 1,0-3,5 ч, в дальнейшем величина рН изменялась незначительно. Однако, для большей гарантии достижения равновесия контакт органической и водной фаз осуществляли не менее суток. 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 H2SO4.
Используя значения концентраций цинка 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 цинка от величины рН раствора. Экстрагент - оливковое масло. С0=1,1 г/дм3, время экстракции 2 часа, O:В=1:3, t=20°С. Экстракция осуществляется при pH 7-10. Лучшие результаты экстракции получены при pH 10, D=207. При pH≥11 образуются осадки.
Пример 2 (фиг.2)
На фиг.2 дана зависимость остаточной концентрации ионов цинка от времени экстракции. Экстрагент - оливковое масло, С0=2,3 г/дм3, pH 10, O:В=1:3, t=20°С. Видно, что время экстракции не превышает 60 мин.
Пример 3 (фиг.3)
На фиг.3 дана зависимость остаточной концентрации ионов цинка от отношения В:O. Экстрагент - оливковое масло, С0=2,3 г/дм3, время экстракции - сутки, t=20°C, pH 10. Экстракция осуществляется при В:O≤7. При В:O>8 образуются осадки.
Пример 4 (фиг.4)
На фиг.4 дана зависимость остаточной концентрации ионов цинка от времени и начальной концентрации С0, г/дм3: 1,1; 1,5; 2,1; 2,4. Экстрагент - оливковое масло, O:В=1:3, t=20°С. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.
С помощью пакета программ Mathcad по данным фиг.4 получены зависимости остаточной концентрации С, г/дм3, от исходной концентрации С0, г/дм3, и времени τ, ч:
Статистические параметры уравнения: R2=0,999; Fрасч=28,589; Fтабл=4,027; 
в пределах: 1,1≤С0≤2,4 и 0,25≤τ≤1,00. Смин (1,1; 0,667)=-0,081; Смах(2,4;0,25)=1,032.
В связи с тем, что Fрасч>Fтабл, уравнение (1) адекватно отражает экспериментальные данные, представленные на рис.4, в условиях ограничений независимых переменных.
Установлено, что экстракция описывается уравнением первого порядка вида
где k - константа скорости процесса.
По данным фиг.4 рассчитаны значения k в уравнении (2):
| С0, г/дм3 | 1,10 1,5 2,1 2,4 |
| k, мин-1 | 0,070 0,065 0,060 0,049 |
В интервале исходных концентраций С0=1-2,4 г/дм3 с увеличением концентрации скорость процесса убывает.
Пример 5 (фиг.5, фиг.6)
На фиг.5 дана зависимость остаточной концентрации ионов меди от времени экстракции и температуры t=15, 20 и 35°С. Экстрагент - оливковое масло, С0=2,4 г/дм3, O:В=1:3. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.
Установлено, что экстракция описывается уравнением первого порядка (2).
По данным фиг.5 рассчитаны значения k в уравнении (2):
| t, °C | 15 20 35 |
| k, мин-1 | 0,027 0,048 0,121 |
При нагревании в пределах t=15-35°С скорость процесса увеличивается.
На фиг.6 дана зависимость логарифма остаточной концентрации ионов цинка от обратной температуры Т=288, 293, 308°K (t=15, 20, 35°C). Экстрагент - оливковое масло. С0=2,4 г/дм3, O:В=1:3.
По данным фиг.6 для уравнения Аррениуса вида
ln k=ln k0-E/RT,
где ln k0 - предэкспонента,
E - энергия активации процесса экстракции, Дж/моль,
R=8,314 Дж/(моль·градус) - универсальная газовая постоянная, рассчитана энергия активации, равная Е=54257 Дж/(моль·градус).
Первый порядок процесса и величина энергии активации Е=54 кДж/(моль·градус) свидетельствуют о том, что, вероятно, процесс экстракции ионов цинка растительным маслом лежит в кинетической области и лимитируется образованием комплекса ионов цинка с составляющими экстрагента, который сольватируется в органическую фазу.
Пример 6 (фиг.7)
На фиг.7 дана зависимость коэффициента распределения D от вида растительного масла: 1 - абрикосовое, 2 - тыквенное, 3 - кедровое, 4 - соевое, 5 - виноградное, 6 - кукурузное, 7 - грецкого ореха, 8 - подсолнечного, 9 - льняного, 10 - оливкового.
Условия экстракции: O:В=1:3, pH=10, t=20°С;
| а-С0=5,0 г/дм3; | б-С0=2,3 г/дм3; в-С0=1,1 г/дм3. |
Высокие показатели экстракции получены для абрикосового, тыквенного, кедрового, соевого, кукурузного, грецкого ореха и оливкового масел и плохо экстрагируют ионы цинка виноградное, подсолнечное и льняное масла.
Комплекс ионов цинка 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 С18). 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 С15 до С23).
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 цинка из водного раствора, включающий контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение органической и водной фаз, отличающийся тем, что экстракцию осуществляют растительными маслами при отношении водной (В) к органической (О) фазе В:O≤7, pH 7-10 и регулировании величины pH в течение не более 60 мин.
