способ извлечения ионов железа (iii) из водного раствора

Формула изобретения

1. Способ извлечения ионов железа (III) из водного раствора, включающий контактирование раствора с сорбирующим материалом, отличающийся тем, что в качестве сорбирующего материала используют кожицу фасоли, предварительно выдержанную в течение суток в 0,1 н. растворе НСl или H₂SO₄, а сорбцию осуществляют при рН 1-2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кожица фасоли селективно сорбирует ионы Fe (III) из смеси солей, содержащих ионы Fe (III) и Fe (II).

Описание изобретения к патенту

Способ извлечения ионов железа(III) из водного раствора относится к области извлечения веществ ионообменными материалами и может быть использован в цветной и черной металлургии, при очистке промышленных и бытовых стоков, а также в сельском хозяйстве и медицине.

Известны способы извлечения ионов железа(III) адсорбцией на катионобменных смолах [Р.Рипан, И.Четяну. Неорганическая химия, т.2. Химия металлов. Из-во «Мир», М., 1972. С.687].

Недостатком способа является высокая стоимость сорбентов.

Наиболее близким техническим решением является способ извлечения ионов железа(III) из водного раствора [Ru 2046102 С1, 20.10.1995 (D2)] сорбирующим материалом (углеродминеральным сорбентом), включающий контактирование раствора с сорбирующим материалом.

Недостатком способа является то, что неизвестны оптимальные условия сорбции ионов железа семенами фасоли и их составными частями.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является нахождение оптимальных условий для быстрого и эффективного способа извлечения ионов железа(III) из промышленных и бытовых стоков с использованием продуктов сельскохозяйственного производства.

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, является улучшение кинетических характеристик процесса извлечения ионов железа из водного раствора при одновременной высокой степени их извлечения, снижение расхода реагентов, экономичность процесса за счет использования отходов сельскохозяйственного производства.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе извлечения ионов железа(III) из водного раствора, включающем контактирование раствора с сорбирующим материалом, в качестве сорбента используют кожицу фасоли, предварительно выдержанную в течение суток в 0,1 н. растворе HCl или H₂ SO₄, а сорбцию осуществляяют при рН=1-2, причем кожица фасоли селективно сорбирует ионы Fe(III) также из смеси солей, содержащих ионы Fe(III) и Fe(II).

Сущность способа поясняется результатами сорбции ионов железа(III) из водного раствора, данными в табл.1-6 и на фиг.1-3.

Примеры конкретного выполнения способа.

Для исследования использовали семена фасоли урожая 2008 г. Предварительно сорбент в течение суток выдерживали в 0,1 н. растворах HCl или H ₂SO₄, в 0,1 н. растворе NaOH либо в дистиллированной воде.

Сорбцию ионов железа осуществляли из 100 см³ исходного раствора FeCl₃ или FeSO ₄. Массы сорбента в г составили: фасоль 15, кожица 1, семядоли 14.

Сорбцию проводили в статических условиях при непрерывном перемешивании, в процессе сорбции поддерживали заданное значение рН растворов непрерывной нейтрализацией раствора щелочью NaOH или кислотой HCl (H₂SO₄). Коррекцию величины рН до заданного значения осуществляли в пределах трех часов и через каждые сутки от начала сорбции.

Показатели сорбции даны в виде остаточной концентрации ионов железа в данный момент времени от начала сорбции С, мг/дм ³, рН - постоянной величины рН в процессе сорбции, СОЕ, мг/г, - сорбционной обменной емкости сорбента в мг сорбата на 1 г сорбента, при достижении системой равновесия и ОЕ, мг/г, - емкости сорбента, в мг сорбата на 1 г сорбента, в данный момент времени, мин.

Пример 1 (табл.1).

В табл.1 даны результаты сорбции Fe(III) при рН=2 фасолью и ее составными частями из раствора FeCl₃.

Таблица 1
Предварительная обработка сорбента	Время сорбции, мин	Концентрация Fe(III), г/дм	СОЕ, мг/г
исходная	остаточная
Кожица, масса 1 г
кислая	60	1,303	1,171	24,0
щелочная	60	1,303	1,126	4,1
водная	60	1,303	1,262	4,1
Семядоли, масса 14 г
кислая	60	1,160	0,923	1,7
щелочная	60	1,160	0,992	1,2
водная	60	1,160	1,022	1,0

Лучшие результаты сорбции получены при использовании в качестве сорбента кожицы фасоли, особенно при кислой обработке сорбента.

Пример 2 (табл.2, фиг.1-3)

В табл.2 даны результаты сорбции ионов железа(III) кожицей фасоли в зависимости от величины рН, предварительной обработки сорбента, времени сорбции и исходной концентрации раствора. Масса кожицы 1 г.

На фиг.1 дана зависимость извлечения в % мас. от исходной концентрации С_исх, г/дм³.

На фиг.2 дана зависимость равновесной концентрации С_равн, г/дм ³, от исходной концентрации С_исх, г/дм³ .

На фиг.3 дана зависимость СОЕ, мг/г, от равновесной концентрации С_равн, г/дм³.

Графики зависимости на фиг.1-3 построены по данным табл.2.

Из данных табл.2 следует, что лучшие результаты сорбции получены при кислой обработке сорбента и рН=2.

Таблица 2
рН сорбции	Время сорбции, ч	Концентрация Fe(III), г/дм3	ОЕ, мг/г	Извлечение, % мас.
исходная	остаточная
Кислая обработка сорбента (0,1 н раствор HCl)
2	1	1,189	0,949	24,0	20
1	1	1,303	1,290	1,0	1
2	1	1,303	1,171	13,0	10
2	24	1,303	1,081	22,0	17
2	1	2,953	2,732	22,1	7
2	3	2,953	2,550	40,3	14
2	48	2,953	2,292	66,1	22
1	1	3,644	3,115	52,9	15
1	24	3,644	3,080	56,4	15
2	1	3,644	2,806	83,8	23
2	3	3,644	2,730	91,4	25
2	24	3,644	2,652	99,2	27
2	48	3,644	2,630	101,4	28
1	1	5,762	4,713	29,9	30
1	24	5,762	4,529	104,9	18
2	1	5,762	4,529	123,3	21
2	3	5,762	4,100	166,2	29
2	24	5,762	4,060	170,2	30
2	48	5,762	4,008	175,4	30
2	1	6,766	4,695	207,0	31
2	3	6,766	4,220	255,0	38
2	24	6,766	4,120	216,0	32
2	48	6,766	3,939	283,0	42
2	72	6,766	3,919	285,0	42
2	1	8,106	4,848	325,8	40
2	3	8,106	4,279	382,7	47
2	24	8,106	3,750	436,6	54
2	48	8,106	3,555	455,1	56
2	72	8,106	3,360	474,6	59
2	1	9,918	5,302	461,6	47
2	3	9,918	4,442	547,6	55
2	24	9,918	3,476	644,2	65
2	48	9,918	3,126	679,2	68
2	72	9,918	2,775	714,3	72
Водная обработка сорбента (дистиллированная вода)
1	1	1,303	1,303	-	-
2	1	1,303	1,262	4,1	3
2	24	1,303	1,072	23,1	18
Щелочная обработка сорбента (0,1 н. раствор NaOH)
1	1	1,303	1,303	1,0	-
2	1	1,303	1,126	4,1	14
2	24	1,303	1,303	1,0	-

Из данных фиг.1 следует, что в интервале С_исх=1,189-5,762 г/дм ³ извлечение Fe(III) вызвано сорбцией ионов Fe(III) кожицей фасоли, а в интервале С_исх=5,762-9,918 г/дм³ извлечение ионов железа, вероятно, вызвано сорбцией кожицей фасоли ионов железа другого состава.

Из данных фиг.2 следует, что максимум на графике вызван теми же причинами, что и при рассмотрении фиг.1.

По данным фиг.3 линии а и б могут быть представлены уравнениями:

СОЕ=38,261С_равн (R²=0,9023) - линия а

СОЕ=-375,26С_равн+1749 (R²=0,9972) - линия б

Пересечение линий определяет значение С_равн, при котором СОЕ по иону Fe(III) имеет в данных условиях максимальное значение:

С_равн =4,2295 г/дм³; СОЕ_макс=161,8261 мг/г.

Значит, извлечение ионов Fe(III) сорбцией осуществляется до равновесной концентрации С_равн=4,2295 г/дм ³, что соответствует С_исх=5,9693 г/дм³ . Из раствора с большей концентрацией кожицей фасоли сорбируются ионы железа другого состава.

Пример 3 (табл.3)

В табл.3 даны результаты сорбции Fe(II) из раствора FeSO₄ кожицей фасоли. Масса кожицы 1 г.

Таблица 3
рН сорбции	Время сорбции, ч	Концентрация Fe(II), г/дм3	СОЕ, мг/г	Извлечение, % мас.
исходная	остаточная
Кислая обработка сорбента (0,1 н. раствор H2SO 4)
2	1	1,491	1,409	8,2	5,5
3	1	1,491	1,443	4,8	4,8
Водная обработка сорбента (дистиллированная вода)
2	1	1,491	1,412	7,9	5,3
3	1	1,491	1,392	9,9	6,6
Щелочная обработка сорбента (0,1 н. раствор NaOH)
2	1	1,491	1,377	11,4	7,6
3	1	1,491	1,403	8,8	5,9

Из данных табл.3 следует, что ионы Fe(II) слабо сорбируются кожицей фасоли.

Незначительная сорбция ионов железа из раствора FeSO ₄, вероятно, связана с наличием в растворе небольшого количества окисленных ионов Fe(III).

Пример 4 (табл.4 и 5)

В табл.4 даны результаты сорбции ионов железа кожицей фасоли из смеси солей FeCl₃ и FeSO₄ при кислой обработке сорбента (0,1 н раствор H₂SO ₄) и рН=2. Масса кожицы 1 г.

Таблица 4
Время сорбции, ч	Концентрация Fe, г/дм3	СОЕ, мг/г	Извлечение, % мас.
Feобщ	Fe(III)	Fe(II)
исходная	остаточная	исходная	остаточная	исходная	остаточная
1	3,268	2,935	1,656	1,213	1,612	1,723	44,4	33,3
3	3,268	2,677	1,656	0,885	1,612	1,793	77,1	18,1
24	3,268	2,759	1,656	0,939	1,612	1,820	71,7	15,6

Из данных табл.4 следует, что кожица фасоли из смеси солей FeCl₃ и FeSO ₄ сорбирует только ионы Fe(III).

За счет окислительно-восстановительной реакции между ионами Fe(III) и кожицей фасоли с течением времени увеличивается концентрация ионов Fe(II). Поэтому СОЕ сорбента по иону Fe(III) растет, а извлечение из раствора общего железа Fe_общ падает за счет перехода Fe(III) Fe(II).

В табл.5 даны результаты сорбции ионов железа кожицей фасоли из раствора соли FeCl₃ при кислой обработке сорбента (0,1 н. раствор H₂SO ₄) и рН=2. Время сорбции 96 ч. Масса кожицы 1 г.

Таблица 5
№ опыта	Концентрация Fe, г/дм3	СОЕ, мг/г	Извлечение, % мас.
Feобщ	Fe(III)	Fe(II)
исходная	остаточная	исходная	остаточная	исходная	остаточная
1	8,169	2,107	8,169	0,688	следы	1,419	748,1	74,2
2	10,595	2,197	10,595	0,778	следы	1,419	981,7	79,3

Из данных табл.5 следует, что, аналогично данным табл.4, по мере сорбции ионов Fe(III) из раствора соли FeCl₃ нарастает концентрация ионов Fe(II) в растворе.

В табл.6 даны результаты сорбции Fe(II) из раствора FeSO₄ семядолями, масса семядолей 14 г.

Таблица 6
рН сорбции	Время сорбции, ч	Концентрация Fe (II), г/дм3	СОЕ, мг/г	Извлечение, % мас.
исходная	остаточная
Кислая обработка сорбента (0,1 н. раствор H2SO 4)
1	1	1,160	1,040	0,86	10,3
2	1	1,160	0,923	1,69	20,4
Водная обработка сорбента (дистиллированная вода)
1	1	1,160	1,040	0,86	10,3
2	1	1,160	1,022	0,99	11,9
Щелочная обработка сорбента (0,1 н раствор NaOH)
1	1	1,160	1,003	1,12	13,5
2	1	1,160	0,992	1,20	14,5

Из данных табл.6 следует, что ионы Fe (II) слабо сорбируются семядолями фасоли.

По сравнению с прототипом по данным табл.1-6 и фиг.1-3 показаны возможности быстрого и эффективного извлечения железа(III) из промышленных и бытовых стоков с использованием продуктов сельскохозяйственного производства.

Из смеси солей, содержащих ионы Fe(III) и Fe(II), сорбцией кожицей фасоли можно селективно удалить ионы Fe(III).