Сорбционное извлечение ванадия из минерализованных растворов волокнистым ионитом

УДК 661.879:66.094.94

Нве Шван У, А.В. Шиляев, И.Д. Трошкина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

СОРБЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ВАНАДИЯ ИЗ

МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ РАСТВОРОВ ВОЛОКНИСТЫМ ИОНИТОМ

Изучена сорбция ванадия(У) волокнистыми ионитами (ФИБАН) из минерализованных растворов. Получены равновесные и кинетические характеристики сорбции ванадия аминокарбоксильным ионитом АК-22, содержащим следующие функциональные группы: =NH, -NH2, -COOH, =N. Кинетику сорбции ванадия изучали в статических и динамических условиях. Рассчитаны эффективные коэффициенты диффузии ванадия и энергия активации процесса сорбции.

Sorption of vanadium(V) from mineralized solutions by fibrous ionites (FIBAN) have been studied. Equilibrium and kinetic characteristics of vanadium sorption by ionite FIBAN AK-22 contained following functional groups: =NH, -NH2, -COOH, =N were obtained. Kinetic of vanadium sorption was investigated in batch experiments and in dynamic conditions. Effective diffusion coefficients of vanadium and activation energy of sorption were calculated.

Извлечение ванадия из сбросных растворов, образующихся при переработке природного минерального сырья, является альтернативным процессом увеличения его добычи, способствующим улучшению экологической обстановки в промышленной зоне. Концентрация ванадия в отработанных растворах может достигать 200 мг/л.

Наиболее токсичными являются соединения пятивалентного ванадия. Они тормозят синтез жирных кислот, ингибируют некоторые ферментные системы. Предел допустимых концентраций ванадия в минерализованных водах составляет 0,4 мг/дм3.

Для извлечения ванадия из растворов с таким низким содержанием целесообразно применять сорбционный метод, основанный на использовании материалов различного типа, в том числе волокнистых, обладающих лучшими кинетическими характеристиками по сравнению с гранулированными сорбентами.

Цель работы - получение сорбционных характеристик волокнистых ионитов марки ФИБАН при извлечении ванадия из разбавленных минерализованных растворов.

Волокнистые сорбенты типа ФИБАН получены путем полимераналогичных превращений полиакрилнитрильных волокон. Особенности методики синтеза и свойства волокон представлены в работе [1] (разработка Института физико-органической химии Академии Наук Беларуси). Они отличаются развитой системой мезо- и микропор. В работе использовали полифункциональный ионит (с амино- и карбоксилсодержащими группами: =NH, -NH2, -COOH, =N) - (ФИБАН АК-22).

Кинетику сорбции ванадия^) этим волокнистым ионитом изучали методом ограниченного объема раствора на установке с термостатируемыми ячейками при температурах 293, 313 и 333 К. Модельный раствор содержал: ванадия - 100 мг/л; сульфат-ионов - 30 г/л; хлорид-ионов - 1 г/л; рН 4,0.

Отношение навески волокна (г) к объёму раствора (мл) составляло 1 : 5000 (10 мг : 50 мл). Содержание ванадия в растворах определяли фотометрическим методом [2] с использованием электрофотоколориметра КФК-3-1.

Интегральные кинетические кривые сорбции ванадия представлены на рис. 1.

Время.мнн

Рис. 1. Интегральные кинетические кривые сорбции ванадия из сернокислых растворов ионитом ФИБАН АК-22

По данным полученных интегральных кинетических кривых сорбции ванадия волокнистым ионитом графически рассчитано время полупревращеният0,5 (табл. 1).

Табл. 1. К расчету эффективных коэффициентов диффузии ванадия (V) ионитом

ФИБАН АК-22

Температура, К Время Эффективный

полупревращения, с коэффициент диффузии ванадия, м2/с

293 8100 2,01 - 10-15

313 7800 2,08 - 10-15

333 6000 2,71 - 10-15

С учетом времени полупревращения рассчитаны эффективные коэффициенты диффузии ванадия в ионите АК-22. Расчет проводили по формуле:

Бэф = (0,65- Я2) / то,5,

где Бэф - эффективный коэффициент диффузии ванадия в сорбенте, м /с; Я - радиус волокна ионита ФИБАН АК-22, м;. т0,5 - время полупревращения (полусорбции), с.

Как видно из табл. 1, эффективные коэффициенты диффузии ванадия

15 2

имеют порядок 10- м /с.

Значение кажущейся средней энергии активации, рассчитанной по уравнению, подобному уравнению Аррениуса, с использованием величин эффективных коэффициентов диффузии ванадия в ионите ФИБАН АК-22 составило (6,3 ± 2,0) кДж/моль. Полученная величина энергии активации

может свидетельствовать о внешнедиффузионном характере сорбции ванадия волокнистым выбранным ионитом ФИБАН.

Равновесные характеристики сорбции ванадия были получены при комнатной температуре. Изотерма сорбции ванадия ионитом ФИБАН АК-22 представлена на рис. 2.

Рис. 2. Изотерма сорбции ванадия ионитом волокна ФИБАН АК- 22

Она имеет выпуклую форму и может быть описана уравнением Ленгмюра. Обработка данных по этому уравнению в линеаризованных координатах (рис. 3) позволила получить константу Ленгмюра Кг, равную (0,19±0,09) л/г.

Рис. 3. Линеаризованная изотерма сорбции ванадия из сернокислых растворов

ионитом ФИБАН АК-22

При этом коэффициент корреляции Я составил 0,8. Максимальная емкость ионита по ванадию достигает 93,1 мг/г.

Сорбцию в динамических условиях из раствора проводили в колонке объемом 2,7 см3 (диаметр колонки - 0,7 см, высота - 7 см). Линейная скорость пропускания раствора составляла 5 м/ч. Выходная кривая сорбции ванадия ионитом ФИБАН АК-22 представлена на рис. 4.

140

О 500 1000 1500 2000 2500 3000

Удельный объем

Рис 4. Выходная кривая сорбции ванадия ионитом ФИБАН АК- 22

Кинетический коэффициент сорбции ванадия ионитом ФИБАН АК-22 по динамическим данным был рассчитан по формуле:

Р = CE / Со • т ,

где fi - внешнедиффузионный коэффициент, ч-1; СЕ - ионообменная емкость сорбента, мг /мл; Со - исходная концентрация элемента в растворе, мг/л; т - время, ч.

Определенная по уравнению величина кинетического коэффициента

3 1

сорбции ванадия составила 1,0-10- ч- .

Таким образом, полученные в работе равновесные, кинетические и динамические характеристики сорбции показали применимость волокнистого аминокарбоксильного ионита ФИБАН АК-22 для извлечения ванадия(У) из минерализованных сбросных растворов. Установлено, что процесс сорбции ванадия(У) протекает во внешнедиффузионной области и характеризуется кажущейся энергией активации (6,3 ± 2,0) кДж/моль, определенной в интервале температур (293 ^333) К.

Библиографические ссылки:

1. Солдатов В.С., Сергеев Г.И. Волокнистые иониты - перспективные сорбенты для выделения ионов тяжелых металлов из водных растворов // Журн. Всероссийск. химическ. общества. 1990. № 1.С. 101-106.

2. Музгин В.Н., Хамзина Л.Б., Золотавин В.Л., Безруков И.Я. Аналитическая химия ванадия. М.: Наука. 1981.216 с.