способ экстракции ионов из растворов

Формула изобретения

Способ экстракции ионов из растворов, включающий обработку экстрагента и раствора, контакт экстрагента и раствора, отличающийся тем, что в процессе экстракции отклонение величины pH экстракции от оптимального значения в зависимости от времени экстракции поддерживают согласно следующей зависимости:

pH = pH_oexp(-kt^m),

где pH - отклонение величины pH от оптимального значения;

p_o - максимальное отклонение величины pH от оптимального значения в начальный момент времени;

t - время экстракции;

k, m - константы, определяемые по экспериментальным данным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к извлечению веществ органическими экстрагентами из водных растворов и может быть использовано в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков.

Известны способы экстракции ионов из растворов, включающие подготовку исходного раствора и экстрагента, контакт раствора и экстрагента. Подготовка исходного раствора включает создание определенных кислотно-основных характеристик раствора [1].

Недостатками способов является то, что в ряде случаев в процессе экстракции кислотно-основные характеристики раствора изменяются, что сказывается на кинетике процесса и степени извлечения экстрагируемого вещества, т.к. в процессе экстракции не корректируют эти характеристики до оптимальных значений.

Наиболее близким к заявленному техническим решением является способ экстракции меди кислыми органическими растворителями по реакции типа

Cu²_в⁺+2HA_o= CuA_2o+2H⁺_в [2].

В этом способе в зависимости от состава применяемых экстрагентов создают определенные кислотно-основные характеристики исходного раствора.

Недостатком способа является то, что в процессе экстракции не регулируют кислотно-основные характеристики исходного раствора до оптимальных значений, что снижает степень извлечения экстрагируемого вещества, ухудшает кинетические параметры процесса, увеличивает расход экстрагента.

Задачей изобретения является интенсификация процесса экстракции за счет регулирования кислотно-основных характеристик в процессе экстракции.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в улучшении кинетических характеристик процесса и степени извлечения экстрагируемого вещества, а также в уменьшении расхода экстрагента и числа операций экстракции.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции ионов из растворов, включающем обработку раствора и экстрагента, контакт растворов и экстрагента, в процессе экстракции отклонение величины pH экстракции от оптимального значения в зависимости от времени экстракции поддерживают согласно следующей зависимости:

pH = pH_oexp(-kt^m). (1) ,

где

pH - отклонение величины pH от оптимального значения;

t - время экстракции;

p_o - максимальное отклонение величины pH от оптимального значения в начальный момент времени;

k и m - константы, определяемые по экспериментальным данным.

Величина pH среды для ряда систем является интегрирующим показателем сложного физико-химического процесса экстракции, регулированием которого до оптимального значения улучшали физико-химические характеристики процесса.

Непрерывную нейтрализацию раствора до оптимальных значений pH осуществляли небольшими порциями нейтрализатора, т.к. при добавлении значительного количества последнего можно перейти в область pH, в которой экстракция осуществляется медленно.

Сущность способа поясняется данными табл. 1 - 3 и фиг. 1 - 6, где даны показатели экстракции никеля, меди и хрома из водных растворов с концентрацией 500 мг/дм³ по металлу при нейтрализации раствора до заданной величины pH экстракции и поддержании ее постоянной во времени экстракции в соответствии с уравнением (1), которое для процессов, представленных данными табл. 1 - 3 и графиков фиг. 1 - 6, имело вид

pH = pH_oexp(-0,01t^3,5), (2)

где

t - время, мин.

В качестве экстрагента использовали техническую смазку, СП-3 состава, мас.%:

Олеиновая кислота - 10 - 12

Триэтаноламин - 4,5 - 6,0

Машинное масло (инертный разбавитель) - Остальное

Примеры конкретного выполнения способа.

Экстракцию осуществляли из 200 дм³ исходного раствора сульфата никеля, или меди, или хлора с концентрацией 500 мг/дм³ по металлу (Me = Ni(II), Cu (II), Cr (III).

Исходный раствор готовили растворением в воде солей NiSO₄7H₂O, CuSO₄5H₂O и Cr₂(SO₄)₃6H₂O марки х.ч., концентрацию металла определяли объемным, весовым и фотокалориметрическим методами соответственно, кислотно-основные характеристики раствора контролировали pH-метром.

Показатели экстракции представлены в виде C, в мг/дм³ в расчете на металл, - концентрации металла (Me = Ni, Cu, Cr), K = C_орг/C_вод и K" = C_экстр/C_водн - коэффициенты распределения металла между органической (смазка СП-3) или экстрагентом (олеиновая кислота и триэтаноламин) и водной фазами pH - постоянной величины pH раствора в процессе экстракции.

Экстрагент добавляли к исходному водному раствору сульфата объемом 190 дм³ в количестве 10 дм³ (5 мас.%).

Время перемешивания и поддержания заданного значения pH составляло 1 - 2 ч, по истечении этого времени в дальнейшем кислотно-основные характеристики системы изменялись незначительно. По достижении равновесия между органической и водной фазами через сутки отстаивания органическую фазу отделяли от осветленной водной фазы, в последней определяли pH и остаточную концентрацию металла.

Используя значения концентраций металла в водном растворе исходном и после экстракции, рассчитывали коэффициенты распределения.

Пример 1 (табл. 1, фиг. 1 и 2).

Экстракцию никеля (II) из водного раствора осуществляли в соответствии с уравнением (2), в котором 1,25 pH_o 4,4. В интервале 1 pH7 постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора щелочью NaOH, при pH 8 постоянную величину pH экстракции поддерживали нейтрализацией раствора кислотой H₂SO₄.

Лучшие показатели экстракции получены при pH 8 за время 2 ч; K = 83,09; K" = 471,10.

Пример 2 (табл. 2, фиг. 3 и 4).

Экстракцию меди (II) из водного раствора осуществляли в соотношении с уравнением (2), в котором 0,2 pH_o 1,3 при оптимальном значении pH экстракции, находящемся в пределах значений 4pH10.

Постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора кислотой H₂SO₄.

Из данных табл. 2 и графиков фиг. 3 и 4 следует, что экстракция меди (II) предлагаемым способом завершалась за время не более 2 ч, максимальные коэффициенты распределения K = 231,00 - 277,88 и K" = 1309,77 - 1575,58 получены при pH 7,2 - 8,5.

Пример 3 (табл. 3, фиг. 5 и 6).

Экстракцию хрома (III) из водного раствора осуществляли в соответствии с уравнением 2, в котором 0,3 pH_o 1,5 при оптимальном значении pH экстракции, находящемся в пределах значений 4<pH<8.pH6 постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора щелочью NaOH, в интервале 7pH8 постоянную величину pH в процессе экстракции поддерживали нейтрализацией раствора кислотой H₂SO₄.

Из данных табл. 3 и графиков фиг. 5 и 6 следует, что экстракция хрома (III) предлагаемым способом завершалась за время не более 2 ч, максимальные коэффициенты распределения K = 16000 и K" = 90000 получены при pH 7,75.

Для сравнения результатов экстракции по предлагаемому способу и прототипу в табл. 4 - 6 даны результаты экстракции никеля (II), меди (II) и хрома (III) в зависимости от величины pH исходного раствора без последующего регулирования величины pH в процессе экстракции (прототип).

Экспериментальные данные, представленные в табл. 4 - 6, получены при следующих условиях. К исходному раствору объемом 190 дм³ с определенной величиной pH добавляли экстрагент в количестве 10 дм³. Если при добавлении экстрагента величина pH изменялась, ее корректировали до значения pH исходного раствора, в дальнейшем в процессе экстракции величина pH не регулировалась.

В табл. 4 даны результаты экстракции никеля (II) в зависимости от величины pH исходного раствора без последующего регулирования pH в процессе экстракции (прототип).

Из данных табл. 4 следует, что в результате экстракции pH исходного раствора изменяется в сторону подкисления.

Лучшие показатели экстракции K = 3,09 и K" = 16,35 получены при pH_исх = 5, через сутки pH уменьшилось до значения 1,95.

Из сравнения данных табл. 1 и 4 следует, что предлагаемый способ расширяет интервал pH экстракции и степень извлечения никеля (II), коэффициент распределения никеля по сравнению с таковым по прототипу возрастает на порядок.

В табл. 5 и на графиках фиг. 7 и 8 даны результаты экстракции меди (II) в зависимости от pH исходного раствора без последующего регулирования pH в процессе экстракции (прототип).

Из данных табл. 5 и графиков фиг. 7 и 8 следует, что в результате экстракции pH исходного раствора изменяется в сторону подкисления.

Лучшие показатели экстракции K = 19,31 и K" = 107,34 получены при pH_исх = 5, через сутки pH уменьшилось до значения 4,85.

Из сравнения данных табл. 2 и 5, а также графиков фиг. 3, 4 и 7, 8 следует, что предлагаемый способ расширяет интервал pH экстракции и степень извлечения меди (II), коэффициент распределения меди по сравнению с таковым по прототипу возрастает на два порядка.

В табл. 6 и на графиках фиг. 9 и 10 даны результаты экстракции хрома (III) в зависимости от величины pH раствора без последующего регулирования pH в процессе экстракции (прототип).

Из данных табл. 6 и графиков фиг. 9, 10 следует, что в результате экстракции pH исходного раствора изменяется в сторону подкисления.

Лучшие показатели экстракции K = 70,62 и K" = 392,66 получены при pH 7, через сутки pH уменьшилось до значения 4,8.

Из сравнения данных табл. 3 и 6, а также графиков фиг. 5, 6 и 9, 10 следует, что предлагаемый способ расширяет интервал pH экстракции и степень извлечения хрома (III), коэффициент распределения хрома по сравнению с таковым по прототипу возрастает на три порядка.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом интенсифицирует процесс экстракции, улучшает процесс отстоя и разделения фаз, позволяет осуществлять селективное извлечение элементов.

Селективное извлечение элементов можно осуществлять как при заданной величине pH, так и путем постепенного изменения величины pH в сторону увеличения или уменьшения и поддержания измененной величины pH раствора на каждой периодической операции экстракции.