Результат интеллектуальной деятельности: ЭКСТРАКЦИЯ ИОНОВ ЦИНКА (II) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ТРИБУТИЛФОСФАТОМ

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 извлечения ионов цинка(II) гидролитическим осаждением из водных растворов [Вольдман Г.М., Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов. - М., Металлургия, 1993, с. 303-307].

Недостатком способа является то, что осадки гидроксосолей цинка(II) гидрофильны и плохо фильтруются.

Наиболее близким техническим решением является способ экстракции, наряду с другими металлами, ионов цинка из солянокислых водных растворов трибутилфосфатом (ТБФ) при переработке природного и техногенного сырья [Резник И.Д., Соболь С.И., Худяков В.М. Кобальт, том 2, М., Машиностроение, 1995. С. 91-93].

Недостатком способа является то, что отсутствуют данные о влиянии на экстракцию ионов цинка исходной концентрации цинка в водном растворе, температуры, концентрации соляной кислоты и поваренной соли, соотношения органической O и водной B фаз O:B.

Задачей изобретения является использование экономичного и эффективного способа для извлечения цинка из водных растворов.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в экономичности и эффективности извлечения цинка из водных растворов.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции цинка из водного раствора трибутилфосфатом (ТБФ), включающем контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение фаз, экстракцию осуществляют из водного раствора с концентрацией 3 н. HCl, 240 г/дм³ NaCl порционным введением ТБФ при температуре t=20°C.

Сущность способа поясняется данными табл. 1-6 и фиг. 1-2, в которых указаны концентрация цинка в исходных растворах, время экстракции, концентрация цинка в осветленной водной фазе и экстракте, коэффициент распределения D, рассчитываемый как отношение равновесных концентраций цинка в органической и водной фазах, извлечением ε, % масс. от исходного.

Экстракцию осуществляли из растворов объемом V_раст=0,1 дм³ с концентрациями поваренной соли C^NaCl=240 г/дм³ и соляной кислоты C^HCl=2 и 3 н., температурами 20 и 60°C и различном соотношении объемов органической O и водной B фаз O:B. Исходные растворы готовили растворением в дистиллированной воде хлорида цинка. В качестве экстрагента использовали трибутиловый эфир фосфорной кислоты (C₄H₉O)₃PO (х.ч.). Экстракцию проводили при постоянном перемешивании. Реэкстракцию осуществляли промывкой дистиллированной водой.

Примеры практического применения

Пример 1 (табл. 1-2)

В табл. 1 даны результаты экстракции при использовании ТБФ объемом V_ТБФ=0,04 дм³ при t=20°C, C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³, O:B = 2:5, время экстракции 10 мин.

В табл. 2 даны результаты экстракции при порционном, постадийном использовании ТБФ при t=20°C, C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³. Экстракцию осуществляли в 5 стадий, на каждой стадии использовали ТБФ объемом V_ТБФ=0,02 дм³, O:B=1:5, суммарное использование объема ТБФ составило V_ТБФ=0,1 дм, ∑O:B = 1:1, время экстракции на каждой стадии 5 или 10 мин. Извлечение цинка при большем времени экстракции на каждой стадии немного возрастает.

Сравнение экстракций в 1 стадию в течение 10 мин с использованием 0,04 дм (табл. 1) и в 2 стадии (табл. 2) по 5 мин (в сумме 10 мин) и по 10 мин (в сумме 20 мин) с использованием ТБФ V_ТБФ=0,04 дм³ позволяет сделать следующие выводы:

1. Порционное введение экстрагента по 5 мин увеличивает извлечение цинка с 44,85 до 47,28% масс., а по 10 мин до 48,20% масс. соответственно, молярное соотношение в экстракте ТБФ:Zn = 6:1.

2. Увеличение времени экстракции на каждой стадии от 5 до 10 мин повышает извлечение цинка с 47,28 до 48,20% масс.

Пример 2 (табл. 3-4)

В табл. 3-4 даны результаты порционного введения экстрагента при t=20 и 60°C и времени экстракции на каждой стадии 10 мин из растворов с концентрацией C^HCl=2 н., C^NaCl=240 г/дм³ и C_исх, г/дм³ = 31,40 Zn (табл. 3) и из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и C_исх, г/дм³ = 30,50 Zn (табл. 4), на каждой стадии O:B = 1:5, всего ∑O:B = 1:1.

Из данных табл. 3-4 можно сделать следующие выводы:

1. Худшие результаты извлечения получены из растворов с концентрацией C^HCl=2 н., 240 г/дм³ NaCl и температуре t=60°C, лучшие - из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=20°C.

2. Извлечение цинка 85,73% осуществляется из растворов с концентрацией C^HCl=2 н.., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=20°C с исходной концентрацией 31,40 г/дм³ Zn на пятой стадии: ∑O:B = 1:1, ТБФ:Zn = 6:1.

3. Извлечение цинка 90,92% осуществляется из растворов с концентрацией 3 н. HCl, 240 г/дм³ NaCl и температуре t=20°C с исходной концентрацией 30,50 г/дм³ Zn на пятой стадии: ∑O:B = 1:1, ТБФ:Zn = 6:1.

4. Расчеты показывают, что извлечение цинка 96,96% может быть получено из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=20°C с исходной концентрацией 30,50 г/дм³ Zn на шестой стадии: ∑O:B = 1,2:1.

5. Кинетический порядок реакции равен единице, а энергия активации E=14-16 кДж/моль.

Пример 3 (табл. 5-6)

В табл. 5-6 даны результаты разовой экстракции при t=20 и 60°C из растворов с концентрацией C^HCl=2 н., C^NaCl=240 г/дм³ и C_исх, г/дм³ = 31,40 Zn (табл. 5) и из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и C_исх, г/дм³ = 30,50 Zn (табл. 6), O:B = 1:1.

Из данных табл. 5-6 можно сделать следующие выводы:

1. При разовом введении экстрагента экстракция завершается за 10 мин.

2. Худшие результаты извлечения получены из растворов с концентрацией C^HCl=2 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=60°C, лучшие - из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=20°C.

3. Извлечение цинка 74,36% осуществляется из растворов с концентрацией C^HCl=2 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=20°C с исходной концентрацией 31,40 г/дм³ Zn за 50 мин и O:B = 1:1, ТБФ:Zn = 10:1.

4. Извлечение цинка 78,66% осуществляется из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температуре t=20°C с исходной концентрацией 30,50 г/дм³ Zn за 50 мин и O:B = 1:1, ТБФ:Zn = 10:1.

Пример 4 (фиг. 1)

На фиг. 1 по данным табл. 3-6 показано сравнение результатов экстракции при разовом и порционном введении экстрагента для растворов с концентрациями C_исх=30,5-31,4 Zn, C^HCl=2-3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температурами 20 и 60°C:

а - зависимость остаточной концентрации от этапов экстракции,

б - зависимость извлечения от этапов экстракции.

Каждый этап осуществляется в течение 10 мин.

Из данных фиг. 1 можно сделать следующие выводы:

1. Порционное введение экстрагента повышает извлечение цинка в 1,15-1,24 раза.

2. Порционное введение экстрагента сокращает расход экстрагента: для получения одинакового результата экстракции при порционном введении экстрагента за время 40 мин требуется O:B = 4:5, а при разовом введении экстрагента за время 10 мин O:B = 1:1.

При регенерации каждой порции экстрагента можно сократить расход экстрагента в 5 раз.

3. Лучшие результаты экстракции получены при порционном введении экстрагента из растворов с концентрацией C^HCl=3 н., C^NaCl=240 г/дм³ и температурой t=20°C.

На фиг. 2 дана принципиальная технологическая схема извлечения ионов цинка из водных растворов их солей.