Извлечение труднорастворимых соединений лантана (III) из водных растворов оксалата электрофлотационным методом

УДК 544.6

Р. Д. Тангалычев, Е. Н. Гайдуков, В. А. Сысоев, Н. Б. Березин

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ТРУДНОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛАНТАНА (III) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ОКСАЛАТА ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Ключевые слова: Электрофлотация, оксалат лантана, труднорастворимые соединения, ПАВ и флокулянты.

Выполнены исследования электрофлотационного процесса извлечения труднорастворимых соединений лантана(Ш) в водных растворах оксалатов, установлено оптимальное значение pH среды, при заданном составе раствора. Экспериментально определено влияние добавок ПАВ и флокулянтов. Объектами исследования являются модельные растворы, содержащие лантан(Ш) в различных соединениях, в большинстве своём - оксалата лантана, а также соединений с ПАВ и флокулянтами различных типов: катионные, анионные, неионогенные. В работе использован лабораторный непроточный флотатор периодического действия.

Keywords: Electroflotation, lanthanum oxalate, sparingly soluble compounds, surfactants andflocculants.

The studies electroflotation's extraction process of sparingly soluble lanthanum (III) compounds in aqueous solutions of hydroxides and oxalates, choose the optimal pH range for a given part of the solution. Almost determined the effect of surfactants and flocculants additives. Objects of the study are model solutions containing lanthanum(III) in different compounds, most of them - lanthanum oxalate, and compounds with surfactants and flocculants different types: cationic, anionic, nonionic. We use laboratory not flow skimmer batch.

Введение

Редкоземельные элементы имеют стратегическое значение во многих отраслях промышленности и используются при разработке инновационных технологий в металлургии, атомной энергетике, оптике, медицине, химической и стекольной промышленности, производстве телекоммуникационного оборудования и в других областях.

Важнейшим для технологии лантаноидов минералом является монацитовый песок, представляющий собой смесь фосфатов редкоземельных металлов. Впервые минерал монацит был открыт в 1829 году на Южном Урале.

Основные области применения лантана это катализаторы крекинга нефти, оптика и оптоволокно, модификаторы чугуна и низколегированных сталей, аккумуляторы, накопители водорода, сенсоры, конденсаторы, резисторы и др.[1,2].

РФ занимает одно из лидирующих позиций по запасам редкоземельных металлов (в частности лантана). Но, к сожалению, их извлечение и обработка не является приоритетной целью и осуществляется попутным образом или вовсе не происходит, а РЗМ остаются в отвалах обогатительных фабрик. Потребление же редкоземельных металлов в конечных продуктах в РФ оценивается в 2-3 тыс. тонн в год. Потребность российской промышленности 95% - 100% удовлетворяется за счет импорта концентратов РЗМ из зарубежья [3].

Индивидуальные редкие земли обычно осаждаются в виде оксалатов, которые обжигаются до получения оксидов. Высокая чистота оксидов может быть достигнута с помощью применения ионообменной и электрофлотационной технологии.

Важнейшим свойством лантаноидов, как известно, является их большое сходство между

собой. Оно обусловлено, главным образом тем, что последовательное заселение электронами f -орбиталей вызывает незначительное изменения атомных и ионных радиусов, а 4^орбитали экранируются наружной оболочкой 5s25p6.

В работе детально исследована возможность извлечения труднорастворимых соединений лантана из водных растворов с использованием процесса электрохимического окисления и электрофлотации [1,2].

Электрофлотация является одним из перспективных направлений очистки

технологических растворов и извлечения труднорастворимых соединений.

Преимуществом электрофлотационного метода является высокая степень извлечения, чистота процесса, а также экологический и экономический факторы [5].

Целью данной работы является исследование электрофлотационного процесса извлечения труднорастворимых соединений лантана (III) из индивидуальных растворов оксалатов,

моделирующих реальные системы, образующиеся в результате химической обработки руды.

Экспериментальная часть

Для извлечения лантана использовалась методика, подробно описанная в работе [6].

Исследования по электрофлотационному извлечению проводились при температуре 20±2 °С в непроточном лабораторном электрофлотаторе объёмом 500 мл с площадью поперечного сечения аппарата 10 см2; в качестве анода использовали электрод ОРТА, катодом служила сетка из нержавеющей стали. Схема установки показана на рисунке 1.

Рис. 1 - Схема лабораторной электрофлотационной установки периодического действия: 1 - колонна электрофлотатора, 2 -вентиль; 3 - электродный блок; 4 - анод; 5 -катод; 6 - резиновая прокладка; 7 - источник постоянного тока

Для определения концентрации лантана использовался масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой Thermo Scientific XSeriesII. Степень извлечения индивидуального элемента а

рассчитывалась по уравнению:

,где Сисх и Сост - содержание лантана исходное и после обработки, мг/л.

Первый этап заключался в составлении модельного раствора с неизменяемыми концентрациями: ионов лантана(Ш) - 1 г/л, концентрация ионов оксалата - 1 г/л; добавки флокулянтов и ПАВ - 10мг/л. Заданы стандартные условия электрофлотационного процесса: объёмная плотность тока - 0,4 А/л; t - 22 оС; время отбора проб -5,10,20 минут.

Второй этап основывался на поиске оптимального значение рН среды для образования и извлечения труднорастворимых соединений оксалата лантана при электрофлотационном процессе. Результаты приведены на рисунке 2.

Третий этап заключается в исследовании влияния ПАВ и флокулянтов на эффективность извлечения труднорастворимых соединений оксалата лантана(Ш). Проведено исследование следующих добавок: катионный флокулянт С-496, анионный флокулянт А-137, неионогенный флокулянт N-300 (все - серии Superfloc), катионный ПАВ Катинол, анионный ПАВ NaDDS, неионогенный ПАВ ПЭ0-1500.

Результаты и их обсуждения

На основании полученных данных установлено оптимальное значение кислотности среды (pH=8). Степень извлечения уже через 5 минут имела значение в 79 %, а к 20 минутам увеличилась до 91%. Дальнейшая фильтрация образовавшейся дисперсной фазы позволяет увеличить степень извлечения до 98%.

Степень извлечения лантана (III) при начальных концентрациях до 5 г/л без добавок может достигать 91%, однако при повышении концентрации эффективность процесса снижается.

Рис. 2 - Влияние рН на эффективность электрофлотационного извлечения лантана (III) в условиях оксалатного фона

Положительное влияние на

электрофлотационное извлечение лантана (III) при больших начальных концентрациях оказывают некоторые виды флокулянтов и ПАВ. Данные по влиянию добавок на степень извлечения лантана (III) представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние флокулянтов и ПАВ катионного, анионного и неионогенного типов на степень извлечения труднорастворимых соединений лантана

Добавка Степень извлечения лантана

(III), %

5 мин 10 мин 20 мин

^2O4)2+ 79 88 91

+С-496 89 92 93

+A-137 18 80 86

+N-300 89 93 95

+Катинол 45 49 50

+NaDDS 80 82 85

+ПЭО-1500 96 95 98

Условия эксперимента: pH = 8; Jv = 0,4 А/л; Cucx(La ) = 5 г/л; Сдсб = 10мг/л.

Примечание: Все добавки использовались при наличии оксалат-ионов в растворе.

Как видно из таблицы 1, ПАВ ПЭО-1500 показал высокую эффективность - уже через 5 минут электрофлотационной обработки степень извлечения достигает 96%, а через 20 минут доходит до 98%; также эффективен флокулянт N-300 (степень извлечения достигает 95% после 20 минут обработки). Остальные виды добавок незначительно влияют на процесс электрофлотационного извлечение лантана (III). Для ПАВ ПЭО-1500 проведены дополнительные эксперименты, показавшие, что при его введении, диапазон начальных концентраций лантана (III), при которых электрофлотационная обработка протекает с высокой эффективностью, расширяется до 10 г/л.

В связи с эффективностью действии добавки ПА0-1500 целесообразным привести некоторые данные:

Полиэтиленоксид, (полиоксиэтилен) общей формулы [—ОСН2СН2—]n. Для

высокомолекулярного полиэтиленоксида: АНпп = 16,76 Дж/г; Ср0 = 2,05-2,18 Дж/(гК); модуль упругости при растяжении 200-500 МПа, относительное удлинение 700-1200%.

Полиэтиленоксид растворим в бензоле, ацетонитриле, СС14, хлороформе, ДМФА и многих других органических растворителях, при повышенных температурах - в спиртах, ацетоне, анизоле, диоксане. Не растворяется в парафинах, гликолях, глицерине. Растворяется в воде, но выпадает в осадок из водных растворов выше 100°С

Выводы

1. Экспериментально показана возможность эффективного электрофлотационного извлечения оксалатов лантана их водных сред, как индивидуального соединения, так и в присутствии добавок ПАВ и флокулянтов.

2. Определены оптимальные параметры проведения электрофлотационного процесса: объемная плотность тока = 0,4 А/л, Сисх^а3+) = 1г/л, С(ПАВ) = 10 мг/л, С(оксалат-ионов) = 3 г/л, кислотность среды (рН) = 8; и влияние ПАВ и

флокулянтов на интенсивность и эффективность извлечения оксалата лантана. Применение ПЭО-1500 повышает степень извлечения до 98%.

Литература

1. Химия и технология редких и рассеянных элементов. Часть 2. Под ред. К.А. Большакова. Высшая школа, Москва, 1976. 360 с.

2. С.С. Коровин, Г.В. Зимина, А.М. Резник и др., Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология. Книга 1. Под. ред. С.С. Коровина. МИСиС, Москва, 1996. 376 с.

3. Коган Б.И. Редкие металлы: состояние и перспективы // М.: Наука. 1978. —356 с.

4. Гайдуков Е.Н., Колесников А.В., Гайдукова А.М. Извлечение и разделение труднорастворимых соединений лантана и церия из водных растворов с использованием электрохимического окисления и электрофлотации//Вестник технологического университета. - 2016.- Т. 19, №9. С. 119-121.

5. Себба Ф. Ионная флотация // М.: Металлургия. 1985. -167 с.

6. Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий. Химия, Москва, 2007. с. 307.

© Р. Д. Тангалычев, магистрант каф. технологии электрохимических производств КНИТУ; Е. Н. Гайдуков, асп. каф. кафедры ТНВиЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева; В. А. Сысоев, д-р техн. наук, проф. каф. плазмохимических и нанотехнологии высокомолекулярных материалов КНИТУ; Н. Б. Березин, д-р химических наук, проф. кафедры технологии электрохимических производств КНИТУ, berezin@kstu.ru.

© R. D. Tangalychev - is the undergraduate of department of technology of electrochemical productions of KNRTU; E. N. Gajdukov - graduate student, RCHTU D.I.Mendwleev; V. A. Sysoev - PhD, Professor of the Department of plasma chemical nanotechnology and macromolecular materials KNRTU; N. B. Berezin - Doctor of Chemistry, professor of chair of technology of electrochemical productions of KNRTU, berezin@kstu.ru.