Способ извлечения кадмия и цинка из природных и сточных вод

Изобретение относится к области аналитической химии, химической технологии и экологии и может быть использовано для определения малых количеств кадмия и цинка в сточных и природных водах.

Известен способ группового извлечения элементов из природных и сточных вод (1). Способ включает сорбцию Cu, Pb, Со, Cd, Mn, Fe, Zn, Ni, Cr на полимерном хелатообразующем сорбенте полистирол-азо-2-окси-3-метилениминодиуксусная кислота, при этом сорбцию ведут при рН 1,5-3,0 повторное при рН 5,0-7,5 в течение 120 мин.

Недостатками данного способа являются низкая селективность к определенному металлу, трудоемкость и главный недостаток - длительность анализа.

Известен также способ группового извлечения Cu, Cd, Zn из водных растворов (2). Способ включает извлечение ионов тяжелых металлов из водных растворов путем контактирования их с модифицированными активными хлортриазиновыми красителями целлюлозосодержащими сорбентами в течение 5-30 мин при комнатной температуре.

Недостатками являются неизбирательность, низкая степень извлечения, трудоемкость и длительность анализа.

Известен также способ группового извлечения никеля, кобальта, кадмия и ванадия из растворов (3). Способ включает введение в раствор полимерного хелатного сорбента полистирол-азо-4-окси-3-арсонобензола и сорбцию проводят при рН 4,5-6,0, комнатной температуре и времени перемешивания раствора 10-15 мин.

Недостатком известного способа является неизбирательное концентрирование ионов кадмия в отличие от предлагаемого способа.

Известен также способ извлечения свинца и кадмия из промышленных вод (4). Способ включает введение в раствор белого шлама, являющегося продуктом, образующимся при автоклавном удалении кремния и из алюминатных растворов глиноземного производства, и осуществление процесса сорбции при перемешивании жидкой фазы, содержащей упомянутые загрязнения, в течение 6-32 ч.

Недостатком известного способа то, что процесс сорбции является длительным, в отличие от предлагаемого способа.

Известен также способ извлечения цинка и никеля и получения модифицированного цеолита (5). Способ получения сорбента включает перемешивание в течение 30 мин природного цеолита с раствором, содержащим гексаметилдисилазана в толуоле, сливание остатка толуола и сушку полученного сорбента в течение 3 сут на открытом воздухе и затем в течение 6 ч в муфельной печи при 110°С. Сорбент помещают в раствор, содержащий ионы цинка или никеля, и встряхивают при температуре 20°С в течение 3 ч. Затем определяют остаточное содержание металлов микрофотометром.

Недостаток известного способа в том, что процесс сорбции является длительным и для определения остаточного содержания металлов необходима экстракция в отличие от предлагаемого способа.

Известен также способ микробиологической очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов: цинка, кадмия и свинца (6). Способ заключается в том, что очистки стоков от тяжелых металлов используют бактериальную смесь микроорганизмов, состоящую из штаммов Prodococcus ruber (ИЭГМ АС 219; ИЭГМ АС 220; ИЭГМ АС 221; ИЭГМ АС 222; ИЭГМ АС 338; ИЭГМ АС 347). В колбу помещали сточную воду, содержащую тяжелые металлы и ацетат аммония в концентрации 2 г/л, а затем в нее добавляли культуру Prodococcus ruber и через 72 ч проверяли остаточное содержание тяжелых металлов.

Недостатком известного способа то, что процесс сорбции является длительным и необходимы дополнительные реагенты в отличие от предлагаемого способа.

Известен также способ очистки сточных вод и других кислых растворов, содержащих мышьяк и тяжелые металлы - хром, марганец, железо, никель, медь, цинк, стронций, кадмий и свинец. Для осуществления способа обработку водных растворов проводят в две стадии с удалением образующегося осадка после каждой стадии, при этом на первой стадии осаждение проводят ионами железа, затем окислителем с последующим доведением рН до 6,5-7,0, а на второй стадии - ионами трехвалентного железа с последующим доведением рН до 10,0-10,5. Обе стадии проводят в течение 6 суток.

Недостаток известного способа в том, что процесс сорбции является длительным и необходимы дополнительные реагенты в отличие от предлагаемого способа.

Известен также способ определения цинка, кадмия, свинца и меди в природных водах экстракционно-вольтамперометрическим методом (8). Способ заключается в том, что металлы совместно с ртутью извлекают в расслаивающуюся систему вода - антипирин-сульфосалициловая кислота - тио-ционат калия, формируют нижнюю фазу ионной органической жидкости, аликвоту которой наносят на поверхность графитового электрода, который помещают в трехэлектродную ячейку с 0,1 моль/л KSCN, без задержки подают потенциал накопления ртути -1,4 В в течение 30 с и затем в режиме анодной развертки регистрируют вольтамперограмму в квадратно-волновом режиме в пределах -1,20 до +0,20 В в виде пиков анодного окисления цинка, кадмия, свинца и меди.

Недостаток известного способа в том, что процесс сорбции является длительным и необходимы дополнительные реагенты в отличие от предлагаемого способа.

Наиболее близким по технической сущности является способ извлечения кадмия из растворов (9). Способ включает введение в раствор полимерного хелатообразующего сорбента - полистирол-азо-роданин и осуществление процесса сорбции при комнатной температуре, рН 7-9 и времени перемешивания раствора 20 мин.

Недостатком известного способа является низкая сорбционная емкость в отличие от предлагаемого способа.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение ряда сорбентов с более селективными функционально-аналитическими группами (ФАГ) на ионы кадмия и цинка и изучение их сорбционных свойств.

Технический результат достигается созданием эффективных неподвижных фаз для извлечения ионов кадмия и цинка путем введения в раствор полимерного хелатообразующего сорбента - полистирол-азо-бензол-азо-роданина и осуществления процесса сорбции при комнатной температуре, рН 6-8 и в динамическом режиме со скоростью 2 мл/мин, а процесс извлечения ионов кадмия и цинка из сточных и природных вод включает использование сорбента, элюирование сорбированных ионов и их определение методом ААС, при этом в качестве сорбента используют полистирол-азо-бензол-азо-роданин, а в качестве элюента 2М раствор HCl.

Сущность способа извлечения ионов кадмия и цинка из природных и сточных вод включает использование сорбента, элюирование сорбированных ионов и создание неподвижных фаз для извлечения ионов кадмия и цинка путем введения в раствор полимерного хелатообразующего сорбента - полистирол-азо-бензол-азо-роданина и осуществление процесса сорбции при комнатной температуре, рН 6-8 и в динамическом режиме со скоростью 2 мл/мин.

Для оценки способности сорбента к концентрированию рассматривали кинетические параметры, полноту сорбции ионов кадмия и цинка, влияние матричного состава раствора.

Практическое апробирование нового способа очистки сточных вод от ионов цинка и кадмия

В качестве объектов анализа были взяты образцы завода ОАО «Авиаагрегат».

Избыточное содержание ионов кадмия и цинка осаждали действием щелочи, фильтровали через фильтровальную бумагу «синяя лента» и затем создавали рН 6-8 0,1 М растворами NaOH и HCl. Сорбент массой 3 г помещали в хроматографическую колонку и пропускали сточную воду через нее со скоростью 2 мл/мин, промывали сорбент несколько раз дистиллированной водой и элюировали определяемые элементы 10 мл 2М раствора HCl. Полноту очистки сточных вод контролировали методом атомно-абсорбционной спектроскопии при оптимальных условиях анализа рассматриваемого элемента.

Правильность нового комплексного способа очистки сточных вод от ионов кадмия и цинка с помощью модельных растворов приведены в таблице 1 и методом в образцах воды завода ОАО «Авиаагрегат» - в таблице 2.

Воспроизводимость определяли как величину относительного стандартного отклонения S_r.

Разработанный способ очистки сточных вод от ионов цинка и кадмия полистирол-азо-бензол-азо-роданином позволил с достаточной точностью (S_r=0,03-0,05) извлекать исследуемые элементы из больших объемов проб вод сложного фонового состава.

Как показывают результаты исследования, предлагаемый сорбент способен доводить концентрации ионов цинка и кадмия до предела ниже уровня ПДК.

Преимуществами предлагаемого способа являются:

1. Способность к избирательному концентрированию ионов кадмия и цинка в присутствии следующих ионов: Na⁺, K⁺, Са²⁺, Ва²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Ni²⁺ и Со²⁺.

2. Увеличение чувствительности сорбента к ионам кадмия и цинка (предел чувствительности порядка 10^-3 мг/л).

3. Высокая сорбционная емкость сорбента по иону кадмия цинка (8,6 раз выше, чем у прототипа).

4. Возможность сорбции в слабокислой и нейтральной среде.

5. Многократное использование (10-15 раз).

Использованная литература

1. Н.Н. Басаргин, Н.В. Чернова, Ю.Г. Розовский, патент №1792923 - опубл. 07.02.93, Бюл. №5.

2. Т.Е. Никифорова, В.А. Козлов, О.И. Одинцова, М.И. Кротова, патент №2351548 - опубл. 10.04.2009.

3. Н.Н. Басаргин, И.Э. Киселева, Ю.Г. Розовский, патент №1678872 - опубл. 23.09.93, Бюл. №35.

4. М.Э. Бураев, Л.П. Луцкая, В.В. Котомцев, О.Г. Макеев, Л.Н. Черепанов, Ю.А. Забалуев, В.В. Резниченко, М.Г. Мансуров, Ю.Л. Байкин, Е.П. Устич, А.А. Карионов, М.Г. Морозов, A.M. Бураев, Е.С. Куликов, С.В. Костюкова, патент №2412756 - опубл. 27.02.2011.

5. А.В. Макаров, А.К. Халиуллин, Е.А. Руш, М.В. Обуздина, О.Н. Игнатова, патент №2524111 - опубл. 27.07.2014.

6. Г.Н. Соловых, Е.И. Ушакова, И.Б. Ившина, Е.К. Раимова, патент №2216525 - опубл. 20.11.2003.

7. С.Н. Курсков, В.Н. Чупис, О.Ю. Растегаев, патент №2390500 - опубл. 27.05.2010.

8. С.В. Темерев, О.Б. Логинова, патент №2383014 - опубл. 27.02.2010.

9. М.А. Бабуев, Р.Х. Арсланбейков, A.M. Амиров, патент №2417952 - опубл. 25.11.2009.