ЭКСТРАКЦИЯ ИОНОВ СВИНЦА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ РАСТИТЕЛЬНЫМИ МАСЛАМИ
EXTRACTION OF LEAD IONS FROM AQUEOUS SOLUTION BY VEGETABLE OILS

Способ экстракции свинца 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.
Известны способы переработки свинцовых руд гидрометаллургическими методами, используя осаждение цинка на более активном металле; используют также электролитический метод или ионообменные смолы [Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия, том 1 - М: Мир, 1971, с.430-431].
Недостатком способов является их сложность, небольшой масштаб переработки, в основном, промпродуктов.
Наиболее близким техническим решением является способ [Патент 2134728 РФ, 1999, С22В, 3/26] экстракции ионов свинца из водных растворов при pH 4-8 смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в течение не более часа.
Недостатком способа является относительная дороговизна используемых экстрагентов.
Задачей изобретения является использование экономичного и эффективного способа для извлечения ионов свинца из водных растворов.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в экономичности и эффективности извлечения ионов свинца из водных растворов.
Этот технический результат достигается тем, что в известном способе экстракции свинца из водного раствора, включающем контактирование экстрагента и раствора, перемешивание смеси, отстаивание и разделение фаз, экстракцию осуществляют из водного раствора растительными маслами при отношении водной (B) к органической (O) фазы B:O≤7, pH 9-11 и регулировании величины pH в течение не более 1,5 часов.
Сущность способа поясняется данными фиг.1-6, в которых указаны концентрация ионов свинца в исходных растворах, время экстракции при заданной величине pH, концентрация свинца и величина pH в осветленной водной фазе, коэффициент распределения, рассчитываемый как отношение равновесных концентраций свинца в органической и водной фазах.
3
Перемешивание и поддержание заданного значения pH осуществляли до тех пор, пока в дальнейшем кислотно-основные характеристики системы изменялись незначительно. Заданное значение pH поддерживали в течение 1-3 ч, в дальнейшем величина pH изменялась незначительно. 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 HNO.
Используя значения концентраций свинца в водном растворе - исходном и после экстракции, рассчитывали коэффициент распределения цинка D между органической и водной фазами.
Примеры практического применения
Пример 1 (фиг.1)
0
3
На фиг.1 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от величины pH раствора. Экстрагент - оливковое масло, С=5,1 г/дм, время экстракции не более часа, O:B=1:3, t=20°C. Экстракция осуществляется при pH 9-13. Лучшие результаты экстракции получены при pH 11, D=38,36. При pH 8 образуются осадки. При pH >11 на дне стакана образуется налет.
Пример 2 (фиг.2)
0
3
На фиг.2 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от отношения B:O. Экстрагент - оливковое масло, С=5,24 г/дм, время экстракции - сутки, pH 11, t=20°C. Экстракция осуществляется при B:O≤7 (график 1). При B:O≤8 образуются осадки (график 2), при этом остаточная концентрация включала сумму концентраций ионов свинца в растворе и в осадке.
Пример 3 (фиг.3, табл.1)
0
3
На фиг.3 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от времени и начальной концентрации С, г/дм: 3,4; 8,3; 11,6; 16,1. Экстрагент - оливковое масло, O:B=1:3, pH 11, t=20°C. Экстракция осуществляется за время не более 1,5 часа.
0
2
Данные табл.1 для различных исходных концентраций характеризуют зависимости С=f(τ), ln(C/C)=f(τ), 1/C=f(τ), 1/C=f(τ).
Таблица 1
Коэффициент корреляции для зависимостей С=f(τ), ln(C<sub>0</sub>/C)=f(τ), 1/С=f(τ), 1/C<sup>2</sup>=f(τ), полученных по данным фиг.3
C<sub>0</sub>, г/дм<sup>3</sup>
R<sup>2</sup>
С=f(τ)
ln(C<sub>0</sub>/C)=f(τ)
1/C=f(τ)
1/C<sup>2</sup>=f(τ)
3,41
0,562
0,783
0,986
0,977
5,41
0,531
0,743
0,981
0,969
8,28
0,655
0,949
0,955
0,847
11,58
0,565
0,871
0,991
0,963
16,13
0,539
0,961
0,977
0,928
Из данных табл.1 следует, что функции 1/С=f(τ) линейны и имеют вид
где K - константа скорости процесса.
Уравнение (2) описывает второй порядок процесса.
По данным фиг.3 рассчитаны значения К в уравнении (1):
C<sub>0</sub>, г/дм<sup>3</sup>
3,41
5,41
8,28
11,58
16,13
K, дм<sup>3</sup>·г<sup>-1</sup>·мин<sup>-1</sup>
0,069
0,056
0,056
0,010
0,006
0
3
В интервале исходных концентраций С=3,41-16,13 г/дм с увеличением концентрации скорость процесса убывает.
Пример 4 (фиг.4, фиг.5, табл.2)
0
3
На фиг.4 дана зависимость остаточной концентрации ионов свинца от времени экстракции и температуры t=15, 20, 35°C. Экстрагент - оливковое масло, C=5,6-6,1 г/дм, pH 11, O:B=1:3. Экстракция осуществляется за время не более 60 мин.
0
2
Данные табл.2 для различных температур характеризуют зависимости С=f(τ), ln(C/C)=f(τ), 1/С=f(τ), 1/С=f(τ).
Таблица 2
Коэффициент корреляции для зависимостей С=f(τ), ln(C<sub>0</sub>/C)=f(τ), 1/С=f(τ), 1/С<sup>2</sup>=f(τ), полученных по данным фиг.4
T, K
R<sup>2</sup>
С=f(τ)
ln(C<sub>0</sub>/C)=f(τ)
1/C=f(τ)
1/C<sup>2</sup>=f(τ)
288
0,646
0,924
0,973
0,868
293
0,599
0,889
0,983
0,879
308
0,564
0,852
0,988
0,888
По данным фиг.4 рассчитаны значения K в уравнении (1):
t, °C
15
20
35
K, дм<sup>3</sup>·моль<sup>-1</sup>·мин<sup>-1</sup>
9,19
12,14
14,79
В интервале температур t=15-35°C увеличением температуры скорость процесса увеличивается.
3
3
0
На фиг.5 по данным фиг.4 показана зависимость lnK=f(10/T) ионов свинца для температур t=15, 20, 35°C (Т=288, 293, 308°K). Экстрагент - оливковое масло, С=6,12 г/дм, pH 11, O:B=1:3.
По данным фиг.5 для уравнения Аррениуса вида
0
lnk=lnk-E/RT,
0
где lnk - предэкспонента,
E - энергия активации процесса экстракции, Дж/моль,
R=8,314 Дж/(моль·градус) - универсальная газовая постоянная, рассчитана энергия активации, равная E=15,76 кДж/моль.
Исходя из кинетического анализа реакции, можно предположить, что второй порядок процесса и величина энергии активации Е=15,76 кДж/моль свидетельствуют о том, что, вероятно, процесс экстракции ионов свинца растительным маслом лежит в кинетической области и лимитируется образованием комплекса ионов цинка с составляющими экстрагента, который сольватируется в органическую фазу.
Пример 5 (фиг.6)
0
3
На фиг.6 дана зависимость коэффициента распределения D от вида растительного масла: 1 - абрикосовое, 2 - тыквенное, 3 - кедровое, 4 - соевое, 5 - виноградное, 5 - виноградное, 6 - кукурузное, 7 - грецкого ореха, 8 - подсолнечного, 9 - льняного, 10 - оливкового. Условия экстракции: O:B=1:3, pH 11, С=5 г/дм, t=20°C.
Высокие показатели экстракции получены для тыквенного, грецкого ореха и подсолнечного масла (D>20), остальные масла имеют более высокие показатели (D>40).
Комплекс ионов свинца в экстракте имеет желтый, а осадки гидроксидов - белый цвет.
16
18
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 C и C). 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.
15
23
Кроме того, в растительных маслах обнаружены в небольших количествах жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов (от C до C).
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.