Способ извлечения йода
Владельцы патента RU 2717508:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова» (RU)
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ, а именно к способу получения йода из природных вод, который может быть использован в фармацевтической и химической промышленности. Способ заключается в осуществлении экстракции подкисленного, нейтрального или слабощелочного раствора, содержащего элементный йод, жидким субкритическим диоксидом углерода при температуре 0-20°С и избыточном давлении 50-200 атм, в течение 15 минут, при соотношение фаз воды и диоксида углерода от 1:9 до 9:1 по объёму. Изобретение позволяет повысить степень извлечения йода, а также исключить из процесса пожароопасные органические экстрагенты и разбавители, что обеспечивает экологическую безопасность способа. 1 табл.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ, именно - к технологии получения йода из природных вод, используемого в фармацевтической и химической промышленности.
Заявляемый способ может быть использован для выделения йода как в лабораторной практике, так и в промышленности и пригоден и для периодических, и для непрерывных технологических методов.
Природные воды содержат йод в восстановленной форме (I-) и зачастую имеют щелочную реакцию среды. Малые концентрации йодид-ионов (≈ 100-10 мг/л) и указанные факторы делают процесс извлечения йода достаточно сложным и экономически дорогостоящим.
На большинстве промышленных предприятий в основу получения йода положен классический технологический процесс, заключающийся в подкислении огромных объемов вод (1 кг йода содержится в ≈50 тоннах воды) до pH≈2,5, последующем окислении йодид-ионов различными окислителями (хлор или хлорная вода), отдувке образующегося йода воздухом. Газовый поток с йодом поступает в скруббер с раствором, содержащим восстановитель, например Na2SO3, где снова переходит в форму I- и концентрируется в этой форме до содержания ≥30 г/л. Далее из концентрированного раствора путем повторного окисления йод выделяют в твердую фазу (Ксензенко В.И., Стасиневич Д.С. Химия и технология брома, йода и их соединений. - М.: Химия, 1995, 432 с.).
Основные недостатки способа заключаются в следующем:
- большой расход кислоты, необходимой для подкисления воды (при pH воды, равном 6-7, расход серной кислоты составляет до 400-500 кг на 1 кг извлекаемого йода);
- подкисление воды предопределяет необходимость нейтрализации отработанной воды перед закачкой ее в подземные пласты;
- при подкислении образуются нафтеновые кислоты, загрязняющие фильтрационные системы и продукт.
Определенной разновидностью процесса является замена операции восстановления образующегося молекулярного йода на сорбцию на синтетическом анионите (Патент РФ №2235059, МПК C01B 7/14, опубл. 2004.08.27) или экстракцию индивидуальным или смешанным органическим растворителем (трибутилфосфат или его растворы в керосине) (Патент РФ №2331576, МПК C01B 7/14, опубл. 2008.08.20).
Однако и указанные способы реализуются при подкислении исходных минеральных источников. Кроме того, многостадийность процесса приводит к его усложнению. Операция десорбции йода с сорбента протекает не в полной мере, что требует дополнительных отмывок смолы от йода.
Известен способ извлечения йода, включающий предварительное окисление иодид - иона пероксидом водорода с последующей экстракцией чистым трибутилфосфатом (ТБФ) в присутствии серной кислоты при соотношении объема органической фазы к объему водной фазы 1:6. Извлечение йода в органическую фазу составляет 95% [авторское свидетельство СССР № 300058. Опубликовано 05.12.1974. Бюллетень №45].
Недостатками известного способа является необходимость предварительного подкисления воды, использование токсичного и пожароопасного экстрагента - ТБФ, длительность отделения экстрагента от исходной воды.
Наиболее близкими к предлагаемому способу по сущности технического решения (жидкость - жидкостная экстракция), является способ экстракционного извлечения йода из кислых растворов ТБФ в керосине 1:1 при соотношении объема органической фазы к объему водной фазы 1:20. Данный способ принят за прототип. В данном случае степень извлечения йода в экстракт составляет около 99% [авторское свидетельство СССР № 1161459, опубликовано 15.06.1985. Бюллетень №22]. Недостатками прототипа являются затрудненная экстракция галогенидов из разбавленных водных растворов, использование пожароопасного разбавителя (керосин), токсичного и пожароопасного экстрагента - ТБФ, трудности при реэкстракции йода.
Технической задачей изобретения является исключение из процесса пожароопасных органических экстрагентов (ТБФ) и разбавителей (керосин) и повышение степени извлечения целевого продукта (йода).
Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе подкисленный или нейтральный, или слабощелочной раствор, содержащий элементный йод, экстрагируют жидким (субкритическим) диоксидом углерода при температуре 0-20°С и избыточном давлении 50-200 атм. Диоксид углерода стабилизирует pH раствора на уровне 4-6 единиц.
Соотношение фаз воды и диоксида углерода составляет от 1:9 до 9:1 по объёму. Время контакта фаз 5 - 15 минут.
Извлечение йода в экстракт составляет 96-99%, остаточная концентрация йода в водной фазе не более 2,4 мг/л, насыщение углекислотной фазы при многократной противоточной экстракции до 0,7 г/л.
Способ осуществляется следующим образом.
Раствор, содержащий молекулярный йод, экстрагируют жидким диоксидом углерода в герметичном аппарате, при этом соотношение Н2О:СО2 составляет 1:9 - 9:1 по объему. Избыточное давление составляет 50-200 атм, что гарантирует нахождение диоксида углерода в жидком агрегатном состоянии. Температура составляет 0-20°С. Время контакта фаз 10 минут, продолжительность отстаивания 5 минут.
Конкретные условия реализации способа (давление, температура, степень извлечения) могут варьироваться исходя из состава и характеристик природной воды.
Содержание йода, а также степень его извлечения из воды определяли по методикам, известным и общепризнанным в данной области. При проведении подтверждающих экспериментов использовался экстрактор SFE-5000 (ЦКП НО «Арктика», САФУ).
Примеры, подтверждающие возможность выделения иода по предлагаемому методу, приведены в таблице 1.
Из приведённых примеров видно, что по предлагаемому способу возможно выделение йода из воды с высокой степенью извлечения и соответственно, низким остаточным содержанием йода.
Для реализации заявляемого способа может быть использовано стандартное оборудование.
Заявляемый способ является экологически безопасным, т.к. получаемый продукт не содержит органических растворителей, а в результате проведения процесса не образуется токсичных или трудно утилизируемых отходов или побочных продуктов.
Заявляемый способ может быть использован для выделения йода как в лабораторной практике, так и в промышленности и пригоден и для периодических, и для непрерывных технологических методов.
Таблица 1. Примеры, подтверждающие возможность осуществления способа извлечения йода
| №/№ примера | Т, °С | Р, атм | рН | Объем водной фазы, л | Объем углекислотной фазы, л | Соотношение фаз (В:СО2) | Содержание иода в водной фазе, мг/л | Коэффициент распределения D | Степень извлечения R, % | |
| До извлечения | После извлечения | |||||||||
| 1 | 20 | 80 | 7 | 2,5 | 2,5 | 1:1 | 126 | 14,5 | 7,7 | 88,5 |
| 2 | 20 | 100 | 4 | 1,25 | 3,75 | 1:3 | 63 | 0,8 | 27,4 | 98,8 |
| 3 | 20 | 150 | 9 | 4,5 | 0,5 | 9:1 | 63 | 8,7 | 56,2 | 86,2 |
| 4 | 20 | 200 | 7 | 0,5 | 4,5 | 1:9 | 31 | н.о.* | >1000** | 99,9(9) |
| 5 | 10 | 100 | 4 | 0,5 | 4,5 | 1:9 | 126 | 7,3 | 1,8 | 94,2 |
| 6 | 10 | 150 | 7 | 2,5 | 2,5 | 1:1 | 31 | 4,2 | 6,3 | 86,3 |
| 7 | 10 | 200 | 9 | 4,5 | 0,5 | 9:1 | 63 | 14,7 | 29,6 | 76,7 |
| 8 | 0 | 50 | 4 | 0,5 | 4,5 | 1:9 | 126 | 22,2 | 0,5 | 82,4 |
| 9 | 0 | 150 | 7 | 1 | 4 | 1:5 | 31 | 1,1 | 6,7 | 96,4 |
| 10 | 0 | 200 | 9 | 4,375 | 0,625 | 7:1 | 63 | 18,6 | 16,7 | 70,5 |
Примечание: *н.о. - не обнаружено; ** Рассчитать не представляется возможным.
Способ извлечения йода из природной воды различной кислотности, включающий экстракцию жидким субкритическим диоксидом углерода при повышенном давлении, отличающийся тем, что температура составляет 0 – 20°С, а давление 50 – 200 атм, соотношение фаз воды и диоксида углерода составляет от 1:9 до 9:1 по объёму, продолжительность экстракции составляет 15 минут.
