Результат интеллектуальной деятельности: ЭКСТРАКЦИЯ ИОНОВ ЦИНКА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ РАСТИТЕЛЬНЫМИ МАСЛАМИ

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 электроэкстракции ионов цинка [Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. - М.: Мир, 1972, с.787 и 788].

Недостатком способа является большой расход электроэнергии и необходимость доизвлечения ионов цинка, например, сорбцией для извлечения ионов цинка из раствора после электроэкстракции до норм ПДК.

Наиболее близким техническим решением является способ [патент 2229526 РФ, 2004, C22B, 3/26 // C22B 15:00, 19:00, БИ №15] экстракции ионов цинка из водных растворов при pH 3-11 смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина.

Недостатком способа является относительная дороговизна используемых экстрагентов.

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

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

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции цинка из водного раствора, включающем контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение фаз, экстракцию осуществляют из водного раствора растительными маслами при отношении водной (В) к органической (О) фазы В:O≤7, pH 7-10 и регулировании величины pH в течение не более 60 мин.

Сущность способа поясняется данными фиг.1-7, в которых указаны концентрация цинка в исходных растворах, время экстракции при заданной величине pH, концентрация цинка и величина pH в осветленной водной фазе, коэффициент распределения, рассчитываемый как отношение равновесных концентраций цинка в органической и водной фазах.

Перемешивание и поддержание заданного значения рН осуществляли до тех пор, пока в дальнейшем кислотно-основные характеристики системы изменялись незначительно. Заданное значение рН поддерживали в течение 1,0-3,5 ч, в дальнейшем величина рН изменялась незначительно. Однако, для большей гарантии достижения равновесия контакт органической и водной фаз осуществляли не менее суток. 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 H₂SO₄.

Используя значения концентраций цинка 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 цинка от величины рН раствора. Экстрагент - оливковое масло. С₀=1,1 г/дм³, время экстракции 2 часа, O:В=1:3, t=20°С. Экстракция осуществляется при pH 7-10. Лучшие результаты экстракции получены при pH 10, D=207. При pH≥11 образуются осадки.

Пример 2 (фиг.2)

На фиг.2 дана зависимость остаточной концентрации ионов цинка от времени экстракции. Экстрагент - оливковое масло, С₀=2,3 г/дм³, pH 10, O:В=1:3, t=20°С. Видно, что время экстракции не превышает 60 мин.

Пример 3 (фиг.3)

На фиг.3 дана зависимость остаточной концентрации ионов цинка от отношения В:O. Экстрагент - оливковое масло, С₀=2,3 г/дм³, время экстракции - сутки, t=20°C, pH 10. Экстракция осуществляется при В:O≤7. При В:O>8 образуются осадки.

Пример 4 (фиг.4)

На фиг.4 дана зависимость остаточной концентрации ионов цинка от времени и начальной концентрации С₀, г/дм³: 1,1; 1,5; 2,1; 2,4. Экстрагент - оливковое масло, O:В=1:3, t=20°С. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.

С помощью пакета программ Mathcad по данным фиг.4 получены зависимости остаточной концентрации С, г/дм³, от исходной концентрации С₀, г/дм³, и времени τ, ч:

Статистические параметры уравнения: R²=0,999; F_расч=28,589; F_табл=4,027; в пределах: 1,1≤С₀≤2,4 и 0,25≤τ≤1,00. С_мин (1,1; 0,667)=-0,081; С_мах(2,4;0,25)=1,032.

В связи с тем, что F_расч>F_табл, уравнение (1) адекватно отражает экспериментальные данные, представленные на рис.4, в условиях ограничений независимых переменных.

Установлено, что экстракция описывается уравнением первого порядка вида

где k - константа скорости процесса.

По данным фиг.4 рассчитаны значения k в уравнении (2):

В интервале исходных концентраций С₀=1-2,4 г/дм³ с увеличением концентрации скорость процесса убывает.

Пример 5 (фиг.5, фиг.6)

На фиг.5 дана зависимость остаточной концентрации ионов меди от времени экстракции и температуры t=15, 20 и 35°С. Экстрагент - оливковое масло, С₀=2,4 г/дм³, O:В=1:3. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.

Установлено, что экстракция описывается уравнением первого порядка (2).

По данным фиг.5 рассчитаны значения k в уравнении (2):

При нагревании в пределах t=15-35°С скорость процесса увеличивается.

На фиг.6 дана зависимость логарифма остаточной концентрации ионов цинка от обратной температуры Т=288, 293, 308°K (t=15, 20, 35°C). Экстрагент - оливковое масло. С₀=2,4 г/дм³, O:В=1:3.

По данным фиг.6 для уравнения Аррениуса вида

ln k=ln k₀-E/RT,

где ln k₀ - предэкспонента,

E - энергия активации процесса экстракции, Дж/моль,

R=8,314 Дж/(моль·градус) - универсальная газовая постоянная, рассчитана энергия активации, равная Е=54257 Дж/(моль·градус).

Первый порядок процесса и величина энергии активации Е=54 кДж/(моль·градус) свидетельствуют о том, что, вероятно, процесс экстракции ионов цинка растительным маслом лежит в кинетической области и лимитируется образованием комплекса ионов цинка с составляющими экстрагента, который сольватируется в органическую фазу.

Пример 6 (фиг.7)

На фиг.7 дана зависимость коэффициента распределения D от вида растительного масла: 1 - абрикосовое, 2 - тыквенное, 3 - кедровое, 4 - соевое, 5 - виноградное, 6 - кукурузное, 7 - грецкого ореха, 8 - подсолнечного, 9 - льняного, 10 - оливкового.

Условия экстракции: O:В=1:3, pH=10, t=20°С;

Высокие показатели экстракции получены для абрикосового, тыквенного, кедрового, соевого, кукурузного, грецкого ореха и оливкового масел и плохо экстрагируют ионы цинка виноградное, подсолнечное и льняное масла.

Комплекс ионов цинка 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 С₁₈). 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 С₁₅ до С₂₃).

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.