экстракция ионов свинца из водных растворов растительными маслами

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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, С ₀=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/дм ³, 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( ), ln(C₀/C)=f( ), 1/C=f( ), 1/C²=f( ).

Таблица 1
Коэффициент корреляции для зависимостей С=f( ), ln(C0/C)=f( ), 1/С=f( ), 1/C2=f( ), полученных по данным фиг.3
C0, г/дм3	R2
	С=f( )	ln(C0/C)=f( )	1/C=f( )	1/C2=f( )
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( ) 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/дм ³, pH 11, O:B=1:3. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.

Данные табл.2 для различных температур характеризуют зависимости С=f( ), ln(C₀/C)=f( ), 1/С=f( ), 1/С²=f( ).

Таблица 2
Коэффициент корреляции для зависимостей С=f( ), ln(C0/C)=f( ), 1/С=f( ), 1/С2=f( ), полученных по данным фиг.4
T, K	R2
	С=f( )	ln(C0/C)=f( )	1/C=f( )	1/C2=f( )
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, дм 3·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 C ₁₈). 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.