СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (III) ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА
METHOD OF EXTRACTING IRON (III) IONS FROM AQUEOUS SOLUTION

Способ извлечения ионов железа(III) из водного раствора относится к области извлечения веществ ионообменными материалами и может быть использован в цветной и черной металлургии, при очистке промышленных и бытовых стоков, а также в сельском хозяйстве и медицине.
Известны способы извлечения ионов железа(III) адсорбцией на катионобменных смолах [Р.Рипан, И.Четяну. Неорганическая химия, т.2. Химия металлов. Из-во «Мир», М., 1972. С.687].
Недостатком способа является высокая стоимость сорбентов.
Наиболее близким техническим решением является способ извлечения ионов железа(III) из водного раствора [Ru 2046102 С1, 20.10.1995 (D2)] сорбирующим материалом (углеродминеральным сорбентом), включающий контактирование раствора с сорбирующим материалом.
Недостатком способа является то, что неизвестны оптимальные условия сорбции ионов железа семенами фасоли и их составными частями.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является нахождение оптимальных условий для быстрого и эффективного способа извлечения ионов железа(III) из промышленных и бытовых стоков с использованием продуктов сельскохозяйственного производства.
Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, является улучшение кинетических характеристик процесса извлечения ионов железа из водного раствора при одновременной высокой степени их извлечения, снижение расхода реагентов, экономичность процесса за счет использования отходов сельскохозяйственного производства.
2
4
Данный технический результат достигается тем, что в известном способе извлечения ионов железа(III) из водного раствора, включающем контактирование раствора с сорбирующим материалом, в качестве сорбента используют кожицу фасоли, предварительно выдержанную в течение суток в 0,1 н. растворе HCl или HSO, а сорбцию осуществляяют при рН=1-2, причем кожица фасоли селективно сорбирует ионы Fe(III) также из смеси солей, содержащих ионы Fe(III) и Fe(II).
Сущность способа поясняется результатами сорбции ионов железа(III) из водного раствора, данными в табл.1-6 и на фиг.1-3.
Примеры конкретного выполнения способа.
2
4
Для исследования использовали семена фасоли урожая 2008 г. Предварительно сорбент в течение суток выдерживали в 0,1 н. растворах HCl или HSO, в 0,1 н. растворе NaOH либо в дистиллированной воде.
3
3
4
Сорбцию ионов железа осуществляли из 100 см исходного раствора FeCl или FeSO. Массы сорбента в г составили: фасоль 15, кожица 1, семядоли 14.
2
4
Сорбцию проводили в статических условиях при непрерывном перемешивании, в процессе сорбции поддерживали заданное значение рН растворов непрерывной нейтрализацией раствора щелочью NaOH или кислотой HCl (HSO). Коррекцию величины рН до заданного значения осуществляли в пределах трех часов и через каждые сутки от начала сорбции.
3
Показатели сорбции даны в виде остаточной концентрации ионов железа в данный момент времени от начала сорбции С, мг/дм, рН - постоянной величины рН в процессе сорбции, СОЕ, мг/г, - сорбционной обменной емкости сорбента в мг сорбата на 1 г сорбента, при достижении системой равновесия и ОЕ, мг/г, - емкости сорбента, в мг сорбата на 1 г сорбента, в данный момент времени, мин.
Пример 1 (табл.1).
3
В табл.1 даны результаты сорбции Fe(III) при рН=2 фасолью и ее составными частями из раствора FeCl.
Таблица 1
Предварительная обработка сорбента
Время сорбции, мин
Концентрация Fe(III), г/дм
СОЕ, мг/г
исходная
остаточная
Кожица, масса 1 г
кислая
60
1,303
1,171
24,0
щелочная
60
1,303
1,126
4,1
водная
60
1,303
1,262
4,1
Семядоли, масса 14 г
кислая
60
1,160
0,923
1,7
щелочная
60
1,160
0,992
1,2
водная
60
1,160
1,022
1,0
Лучшие результаты сорбции получены при использовании в качестве сорбента кожицы фасоли, особенно при кислой обработке сорбента.
Пример 2 (табл.2, фиг.1-3)
В табл.2 даны результаты сорбции ионов железа(III) кожицей фасоли в зависимости от величины рН, предварительной обработки сорбента, времени сорбции и исходной концентрации раствора. Масса кожицы 1 г.
исх
3
На фиг.1 дана зависимость извлечения в % мас. от исходной концентрации С, г/дм.
равн
исх
3
3
На фиг.2 дана зависимость равновесной концентрации С, г/дм, от исходной концентрации С, г/дм.
равн
3
На фиг.3 дана зависимость СОЕ, мг/г, от равновесной концентрации С, г/дм.
Графики зависимости на фиг.1-3 построены по данным табл.2.
Из данных табл.2 следует, что лучшие результаты сорбции получены при кислой обработке сорбента и рН=2.
Таблица 2
рН сорбции
Время сорбции, ч
Концентрация Fe(III), г/дм<sup>3</sup>
ОЕ, мг/г
Извлечение, % мас.
исходная
остаточная
Кислая обработка сорбента (0,1 н раствор HCl)
2
1
1,189
0,949
24,0
20
1
1
1,303
1,290
1,0
1
2
1
1,303
1,171
13,0
10
2
24
1,303
1,081
22,0
17
2
1
2,953
2,732
22,1
7
2
3
2,953
2,550
40,3
14
2
48
2,953
2,292
66,1
22
1
1
3,644
3,115
52,9
15
1
24
3,644
3,080
56,4
15
2
1
3,644
2,806
83,8
23
2
3
3,644
2,730
91,4
25
2
24
3,644
2,652
99,2
27
2
48
3,644
2,630
101,4
28
1
1
5,762
4,713
29,9
30
1
24
5,762
4,529
104,9
18
2
1
5,762
4,529
123,3
21
2
3
5,762
4,100
166,2
29
2
24
5,762
4,060
170,2
30
2
48
5,762
4,008
175,4
30
2
1
6,766
4,695
207,0
31
2
3
6,766
4,220
255,0
38
2
24
6,766
4,120
216,0
32
2
48
6,766
3,939
283,0
42
2
72
6,766
3,919
285,0
42
2
1
8,106
4,848
325,8
40
2
3
8,106
4,279
382,7
47
2
24
8,106
3,750
436,6
54
2
48
8,106
3,555
455,1
56
2
72
8,106
3,360
474,6
59
2
1
9,918
5,302
461,6
47
2
3
9,918
4,442
547,6
55
2
24
9,918
3,476
644,2
65
2
48
9,918
3,126
679,2
68
2
72
9,918
2,775
714,3
72
Водная обработка сорбента (дистиллированная вода)
1
1
1,303
1,303
-
-
2
1
1,303
1,262
4,1
3
2
24
1,303
1,072
23,1
18
Щелочная обработка сорбента (0,1 н. раствор NaOH)
1
1
1,303
1,303
1,0
-
2
1
1,303
1,126
4,1
14
2
24
1,303
1,303
1,0
-
исх
исх
3
3
Из данных фиг.1 следует, что в интервале С=1,189-5,762 г/дм извлечение Fe(III) вызвано сорбцией ионов Fe(III) кожицей фасоли, а в интервале С=5,762-9,918 г/дм извлечение ионов железа, вероятно, вызвано сорбцией кожицей фасоли ионов железа другого состава.
Из данных фиг.2 следует, что максимум на графике вызван теми же причинами, что и при рассмотрении фиг.1.
По данным фиг.3 линии а и б могут быть представлены уравнениями:
равн
2
СОЕ=38,261С(R=0,9023) - линия а
равн
2
СОЕ=-375,26С+1749 (R=0,9972) - линия б
равн
Пересечение линий определяет значение С, при котором СОЕ по иону Fe(III) имеет в данных условиях максимальное значение:
равн
макс
3
С=4,2295 г/дм; СОЕ=161,8261 мг/г.
равн
исх
3
3
Значит, извлечение ионов Fe(III) сорбцией осуществляется до равновесной концентрации С=4,2295 г/дм, что соответствует С=5,9693 г/дм. Из раствора с большей концентрацией кожицей фасоли сорбируются ионы железа другого состава.
Пример 3 (табл.3)
4
В табл.3 даны результаты сорбции Fe(II) из раствора FeSO кожицей фасоли. Масса кожицы 1 г.
Таблица 3
рН сорбции
Время сорбции, ч
Концентрация Fe(II), г/дм<sup>3</sup>
СОЕ, мг/г
Извлечение, % мас.
исходная
остаточная
Кислая обработка сорбента (0,1 н. раствор H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)
2
1
1,491
1,409
8,2
5,5
3
1
1,491
1,443
4,8
4,8
Водная обработка сорбента (дистиллированная вода)
2
1
1,491
1,412
7,9
5,3
3
1
1,491
1,392
9,9
6,6
Щелочная обработка сорбента (0,1 н. раствор NaOH)
2
1
1,491
1,377
11,4
7,6
3
1
1,491
1,403
8,8
5,9
Из данных табл.3 следует, что ионы Fe(II) слабо сорбируются кожицей фасоли.
4
Незначительная сорбция ионов железа из раствора FeSO, вероятно, связана с наличием в растворе небольшого количества окисленных ионов Fe(III).
Пример 4 (табл.4 и 5)
3
4
2
4
В табл.4 даны результаты сорбции ионов железа кожицей фасоли из смеси солей FeCl и FeSO при кислой обработке сорбента (0,1 н раствор HSO) и рН=2. Масса кожицы 1 г.
Таблица 4
Время сорбции, ч
Концентрация Fe, г/дм<sup>3</sup>
СОЕ, мг/г
Извлечение, % мас.
Fe<sub>общ</sub>
Fe(III)
Fe(II)
исходная
остаточная
исходная
остаточная
исходная
остаточная
1
3,268
2,935
1,656
1,213
1,612
1,723
44,4
33,3
3
3,268
2,677
1,656
0,885
1,612
1,793
77,1
18,1
24
3,268
2,759
1,656
0,939
1,612
1,820
71,7
15,6
3
4
Из данных табл.4 следует, что кожица фасоли из смеси солей FeCl и FeSO сорбирует только ионы Fe(III).
общ
За счет окислительно-восстановительной реакции между ионами Fe(III) и кожицей фасоли с течением времени увеличивается концентрация ионов Fe(II). Поэтому СОЕ сорбента по иону Fe(III) растет, а извлечение из раствора общего железа Fe падает за счет перехода Fe(III)→Fe(II).
3
2
4
В табл.5 даны результаты сорбции ионов железа кожицей фасоли из раствора соли FeCl при кислой обработке сорбента (0,1 н. раствор HSO) и рН=2. Время сорбции 96 ч. Масса кожицы 1 г.
Таблица 5
№ опыта
Концентрация Fe, г/дм<sup>3</sup>
СОЕ, мг/г
Извлечение, % мас.
Fe<sub>общ</sub>
Fe(III)
Fe(II)
исходная
остаточная
исходная
остаточная
исходная
остаточная
1
8,169
2,107
8,169
0,688
следы
1,419
748,1
74,2
2
10,595
2,197
10,595
0,778
следы
1,419
981,7
79,3
3
Из данных табл.5 следует, что, аналогично данным табл.4, по мере сорбции ионов Fe(III) из раствора соли FeCl нарастает концентрация ионов Fe(II) в растворе.
4
В табл.6 даны результаты сорбции Fe(II) из раствора FeSO семядолями, масса семядолей 14 г.
Таблица 6
рН сорбции
Время сорбции, ч
Концентрация Fe (II), г/дм<sup>3</sup>
СОЕ, мг/г
Извлечение, % мас.
исходная
остаточная
Кислая обработка сорбента (0,1 н. раствор H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)
1
1
1,160
1,040
0,86
10,3
2
1
1,160
0,923
1,69
20,4
Водная обработка сорбента (дистиллированная вода)
1
1
1,160
1,040
0,86
10,3
2
1
1,160
1,022
0,99
11,9
Щелочная обработка сорбента (0,1 н раствор NaOH)
1
1
1,160
1,003
1,12
13,5
2
1
1,160
0,992
1,20
14,5
Из данных табл.6 следует, что ионы Fe (II) слабо сорбируются семядолями фасоли.
По сравнению с прототипом по данным табл.1-6 и фиг.1-3 показаны возможности быстрого и эффективного извлечения железа(III) из промышленных и бытовых стоков с использованием продуктов сельскохозяйственного производства.
Из смеси солей, содержащих ионы Fe(III) и Fe(II), сорбцией кожицей фасоли можно селективно удалить ионы Fe(III).