Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СЕЛЕКТИВНАЯ ДЕСОРБЦИЯ АМИНО-КАРБОКСИЛЬНЫХ АМФОЛИТОВ

Тимофеев К.Л. 1 Набойченко С.С. 2 Лебедь А.Б. 1 Акулич Л.Ф. 1
1 ОАО "Уралэлектромедь"
2 УРФУ им. первого президента России Б.Н. Ельцина
Одним из ключевых условий эффективного использования ионообменных смол является обеспечение полной регенерации материалов с получением концентрированных элюатов. В работе представлены результаты исследований десорбции амино-карбоксильного амфолита Lewatit TP 207 соляной и серной кислотами. Установлено, что в условиях насыщения ионита по цинку до проскока значительную часть емкости занимают ионы кальция, которые в процессе регенерации десорбируются в первую очередь. Обнаружено, что наиболее эффективным элюентом для десорбции цинка является 15 % серная кислота: степень десорбции – 99,4 %, средняя концентрация цинка в товарном регенерате – 20-22 г/дм3.
десорбция
амино-карбоксильный амфолит
селективность
1. Ласкорин Б.Н., Слесарева Д.Д., Жарова Е.В. Десорбция меди с амфолита ВПК с применением комплексообразователей // Журнал прикладной химии. - 1975. - № 1. - С. 43.
2. Скороходов В.И. Сорбционное извлечение цветных металлов из шахтных вод / В.И. Скороходов [и др.] // Цветные металлы. - 2000. - № 11-12. - С. 71-74.
3. Скороходов В.И., Радионов Б.К., Горяева О.Ю. Сорбция комплексных ионов цинка ионитами из хлоридных растворов // Журнал прикладной химии. - 2004. - Т. 77. - Вып. 9.
4. Соколова Л.П., Скорняков В.В. Электрохимическая регенерация анионита при ионообменной очистке кислых сточных вод заводов цветных металлов // Сборник трудов № 15 «Очистка сточных и оборотных вод предприятий цветной металлургии». - Институт «КАЗМЕХАНОБР», 1975. - С. 54-59.
5. Фрумина Н.С., Кручкова Е.С., Муштакова С.П. Аналитическая химия кальция. - М. : Наука, 1974.
6. Херинг Р. Хелатообразующие ионообменники / пер. с нем. - 1971.
7. Desorption of heavy metals from ion exchange resin with water and carbon dioxide d. L. Silva1 and g. Brunner / Brazilian Journal of Chemical Engineering. - 2006. - Vol. 23. - N. 2. - P. 213-218. - April-June.
Введение

Известны разнообразные методы десорбции сорбентов комплексообразующими реагентами, растворенным углекислым газом, электрохимическими способами [1; 4; 7].

Однако при десорбции большинства ионообменных материалов наиболее технологически приемлемыми являются растворы минеральных кислот с учетом их доступности.

Амино-карбоксильные амфолиты успешно применяют, в частности, и в процессах глубокой очистки сточных вод с повышенным содержанием катионов жесткости. Эффективная десорбция данных материалов может обеспечить рациональное разделение поглощенных элементов с последующей реализацией товарных элюатов.

Методика исследований и материалы

Использовали амино-карбоксильный амфолит Lewatit TP 207, успешно испытанный для извлечения цветных металлов из предварительно нейтрализованных шахтных вод, следующего состава, мг/дм3: [Cu] - 0,001-0,34, [Zn] - 1,1-19,4, [Fe]<0,1, [Ca] - 231-410, [Mg] - 41,5-159, [SO42-] - 800-1500; pH - 6,4-8,7. Процесс ионообменной доочистки заключался в фильтровании нейтрализованной воды через ионит объемом 1 дм3, загруженный в две последовательно соединенные сорбционные колонны (по 0,5 дм3). Завершали эксперимент при достижении проскока по цинку в очищенную воду (>0,01 мг/дм3) и выводили ионит на регенерацию.

Был исследован процесс десорбции амино-карбоксильного амфолита серной и соляной кислотами с концентрацией 150 г/дм3. Скорость подачи элюента - 1 удельный объем/час, состав элюатов контролировали через 0,2 удельного объема ионита атомно-адсорбционным методом на приборе Percin Elmer «AAnalyst 100». Концентрацию кислоты определяли титрованием.

Результаты и обсуждение

Десорбция ионита соляной кислотой

Рисунок 1. Выходные кривые десорбции ионита Lewatit TP 207 соляной кислотой (I ступень): 1 - цинк; 2 - медь; 3 - кальций; 4 - магний.

 

Рисунок 2. Выходные кривые десорбции ионита Lewatit TP 207 соляной кислотой (II ступень): 1 - цинк; 2 - медь; 3 - кальций; 4 - магний.

Полученные данные (рис. 1, 2) показали рациональность реализации технологии ступенчатой очистки: на первой ступени медь занимает 8,1% емкости ионита, тогда как на второй только 3,2%, что позволяет более полно реализовать емкость ионита для извлечения цинка.

Несмотря на меньшую селективность амино-карбоксильных ионитов к ионам жесткости (в сравнении с ионами цветных металлов) [6], их поглощение идет существенно (особенно ионов кальция). На первой ступени они занимают 29% (11,08 г/дм3) от общей емкости, а на второй 47% (14,7 г/дм3), что свидетельствует о предпочтительной сорбируемости ионов жесткости с последующим их замещением ионами цветных металлов.

Высокие значения обменной емкости по ионам жесткости являются показателем неполного насыщения ионита цветными металлами. Несмотря на это, происходит проскок по цинку в фильтрат, т.е. ионы кальция и магния, хотя и вытесняются цинком, но не достаточно полно.

Десорбция ионов жесткости происходит при пропускании первых 1,5 удельных объемов ионита. После чего из ионита начинают вытесняться ионы цинка и меди, т.е. на стадии регенерации кислотами возможно селективное разделение ценных компонентов от кальция и магния.

Максимальное содержание цинка в регенерате при элюировании соляной кислотой - 12,6 г/дм3. Основная часть цинка концентрируется в 1,6 удельного объема элюата.

«Растянутость» выходных кривых десорбции цинка при элюировании соляной кислотой может объясняться образованием хлоридных комплексов цинка ([ZnCl4]2-, [ZnCl3]-, [ZnCl2]0) и их повторным поглощением амфолитом Lewatit ТР 207 [2].

Увеличение фильтроцикла по цинку возможно достичь при реализации дополнительных ступеней сорбции. Емкость ионита на первых стадиях будет преимущественно занята тяжелыми металлами (цинком), которые будут вытеснять ионы жесткости на последующие ступени [3]. Однако подобная обработка шахтных вод представляется технологически сложной, и ее реализация возможна только в случае значительных концентраций извлекаемых примесей.

Получение слабоконцентрированных элюатов, а также повышенные объемы (более 4,5) удельных объемов элюента свидетельствуют о неэффективности использования соляной кислоты для десорбции амино-карбоксильных ионитов, насыщенных цинком.

Десорбция ионита серной кислотой

Результаты десорбции ионита с первой ступени сорбционной очистки представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Выходные кривые десорбции ионита Lewatit TP 207 серной кислотой: 1 - цинк; 2 - медь.

Всего в процессе десорбции было получено 2,42 удельного объема элюата, который можно разделить на следующие основные порции:

  • первые 0,8 удельного объема - «бедные» элюаты, содержащие включения белого гипсового осадка;
  • 0,8 удельного объема - «богатые» элюаты;
  • последние 0,82 удельного объема - «бедные» элюаты.

Состав получаемых порций элюатов представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав получаемых порций элюатов, г/дм3

Количество,

удельных объемов

Cu

Zn

Fe

H2SO4

первые 0,8

0,001

0,019

0,0015

3,13

0,8

0,72

21,1

0,017

63,8

0,82

0,22

1,75

0,01

132,8

Степень десорбции после пропускания 2 удельных объемов элюента составила 99,42%.

Средняя концентрация цинка в богатом элюате составила 21,1 г/дм3. Возможно его осаждение после нейтрализации раствора известковым молоком и содой.

Ввиду низкой концентрации меди и практически полного отсутствия железа (удаляют на стадии нейтрализации) в исходной воде, их содержание в ионите, и следовательно в элюате, незначительно (максимальная концентрация 0,97 г/дм3 и 0,027 г/дм3 соответственно). При проведении процесса сорбции повышение содержания железа недопустимо ввиду его высокой сорбируемости ионитами. При повышенной концентрации меди она будет эффективно извлекаться на первой ступени сорбции.

В процессе регенерации ионита наблюдали выпадение в слое ионита и в первых 0,8 удельного объема элюата белого осадка следующего химического состава, %: Cu - <0,02; Fe - 0,013; Zn - 0,013; Ca - 19,9; SO42- - 56,17, что близко к формуле гипса CaSO4∙2H2O.

После десорбции произвели отмывку ионита дистиллированной водой. В процессе отмывки происходило растворение белого осадка в слое ионита и переход кальция в промывную воду из-за большей растворимости гипса в подкисленных растворах (СH2SO4<75 г/дм3). Эти наблюдения подтверждены постепенным уменьшением его концентрации в промывной воде (таблица 2). Сообщается [5], что с серной кислотой образуются растворимые продукты присоединения CaSO4∙H24 и CaSО4∙3H24.

Таблица 2 - Состав растворов, получаемых на стадии отмывки ионита, г/дм3

Удельный объем

Cu

Zn

Mg

Ca

H2SO4

2

0,0024

0,0042

0,003

1,24

74,9

4

-

-

-

0,88

9,5

6

-

-

-

0,74

3,9

8

-

-

-

0,5

3,15

17,6

-

-

-

0,45

рН=1,8

При регенерации амино-карбоксильного амфолита, насыщенного из сернокислых сред, серная кислота является наиболее экономичным и удобным элюентом.

Выводы

  1. В условиях проскока по цинку значительную часть емкости ионита занимают ионы кальция, несмотря на низкую селективность амино-карбоксильных амфолитов к ионам жесткости.
  2. В процессе десорбции ионита минеральными кислотами возможно достигнуть разделения ионов жесткости и ионов цветных металлов.
  3. Регенерацию амино-карбоксильных амфолитов целесообразно проводить 15-17%-ным раствором серной кислоты.

Рецензенты:

  • Рычков В.Н., д.х.н., профессор, старший научный сотрудник, директор физико-технического института ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург.
  • Чумарев В.М., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов ИМЕТ УрО РАН, г. Екатеринбург.

Библиографическая ссылка

Тимофеев К.Л., Набойченко С.С., Лебедь А.Б., Акулич Л.Ф. СЕЛЕКТИВНАЯ ДЕСОРБЦИЯ АМИНО-КАРБОКСИЛЬНЫХ АМФОЛИТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=5638 (дата обращения: 14.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074