CC BY
120
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1 .PRIL.60-66 УДК 66.061.352+546.723
А. Ю. Соколов1, А. Г. Касиков2
1 Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета
2 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
ЭКСТРАКЦИЯ ЖЕЛЕЗА (III) ИЗ РАСТВОРОВ ХЛОРОВОДОРОДНОЙ КИСЛОТЫ 2-ОКТАНОНОМ
Аннотация
В ходе работы изучалась возможность экстракции железа (III) из растворов хлороводородной кислоты 2-октаноном. Получены данные о влиянии концентраций хлороводородной кислоты, железа (III) и кетона на процесс экстракции. Получены изотермы экстракции и реэкстракции железа (III). Ключевые слова:
экстракция, железо (III), 2-октанон.
A. Yu. Sokolov1, A. G. Kasikov2
1 Apatity Branch of Murmansk State Technical University
2 I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia
EXTRACTION OF IRON (III) FROM HYDROCHLORIC ACID SOLUTIONS BY 2-OKTANONE
Abstract
The possibility of extraction of iron (III) from hydrochloric acid solutions by 2-oktanone was investigated. The data on the effect of the concentrations of hydrochloric acid, iron (III) and ketone on the extraction process were received. Isotherms of extraction and stripping were studied. Keywords:
extraction, iron (III), 2-octanone.
Введение
Хлорид железа (III) является одной из наиболее востребованных неорганических солей. Широкое распространение хлорное железо получило в качестве коагулянта в процессе очистки промышленных и городских сточных вод. Чистое хлорное железо используют при получении порошков железа и его оксида, в производстве сплавов для электронной промышленности, травлении медных пластин и других материалов из меди, а также синтезе различных соединений железа [1, 2].
Одним из наиболее доступных источников FeCb являются железосодержащие растворы хлороводородной кислоты, образующиеся в самых разнообразных процессах, в том числе при травлении в сталелитейной промышленности, при котором окалина удаляется с помощью хлороводородной кислоты. Образующиеся солянокислые растворы могут содержать не только железо, но и никель, цинк, марганец, а также ряд других металлов. Задача извлечения железа из хлоридных растворов возникает и при переработке сырья, содержащего цветные металлы [3].
Одним из наиболее распространенных методов извлечения из растворов является его гидролитическое осаждение. Однако при переработке кислых растворов способ малопригоден из-за необходимости нейтрализовать большие объемы кислоты. Избежать нейтрализации кислоты возможно, если использовать для извлечения железа (III) метод жидкостной экстракции.
Сведения о поведении железа (III) при экстракции из растворов HCl имеются для большого числа органических реагентов — простых и сложных эфиров, спиртов, кетонов, различных фосфорорганических соединений и др. Железо экстрагируется в большинстве случаев достаточно хорошо, что и позволяет использовать этот приём в аналитической или радиохимической практике [4].
Ранее было установлено, что при экстракции железа (III) кислородсодержащими растворителями из растворов с концентрацией хлорид-иона менее 8 моль/дм3 формы существования железа в экстракте и в равновесной водной фазе различны. В экстракте железо присутствует в виде тетрахлороферриат-иона, в водной фазе — в виде других хлоридных и аквакомплексов. Как показано в работе [5], присутствие органического растворителя сдвигает равновесие реакции образования хлоридных комплексов железа в сторону FeCU-иона.
Для изучения возможности жидкостной экстракции железа (III) применялись различные экстрагенты: фосфорорганические кислоты (D2EHPA, PC88A), карбоновые кислоты (Versatic 10), третичные амины (Alamine 336), четвертичные аммониевые соли (Aliquat 336), нейтральные экстрагенты (трибутилфосфат (ТБФ), метилизобутилкетон (МИБК), Cyanex 921, Cyanex 923, амиды), хелатные экстрагенты (Lix 860).
Экстракция фосфорорганическими кислотами происходит по катионообменному механизму, поэтому ионы многих металлов экстрагируются вместе с железом. Карбоновые кислоты имеют высокую растворимость в водной фазе, что приводит к потере экстрагента. Кроме того, в случае использования катионообменных экстрагентов при переработке солянокислых растворов также требуется их предварительная нейтрализация [6].
Наиболее распространенные нейтральные экстрагенты (ТБФ, алифатические одноатомные спирты, МИБК) также имеют свои недостатки: трибутилфосфат относится ко второму классу опасности веществ (ПДК = 0,5 мг/м3) [7], спирты экстрагируют хлороводородную кислоту [8, 9], а температура вспышки МИБК 14 °С. 2-октанон же по этим показателям более предпочтителен: он относится к четвёртому классу опасности (ПДК = 200 мг/м3) [7], а его температура вспышки, по разным источникам, — 55-62 °С. К тому же кетоны практически не экстрагируют соляную кислоту [10]. Поэтому, в данной работе рассмотрена возможность экстракции железа из растворов хлороводородной кислоты 2-октаноном.
Оборудование и реактивы
Раствор хлорида железа (III) с концентрацией 4,5 моль/дм3 готовили растворением навески FeCb6H2Ü в дистиллированной воде. В дальнейшей работе данный раствор использовали в качестве исходного, последующие растворы были приготовлены разбавлением исходного до нужных концентраций.
В качестве экстрагента использовали 2-октанон марки «Ч». В качестве инертного разбавителя -- октан.
Концентрацию железа в водной фазе определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе AAnalyst 400 (США) или путем комплексонометрического титрования по следующей методике: к аликвоте добавляли 10 мл ацетатного буферного раствора, несколько крупинок сульфосалициловой кислоты и титровали 0,1 N раствором трилона Б до перехода окраски из красно-фиолетовой в жёлтую [11]. Концентрацию железа в органической фазе определяли по разнице его содержания в исходном растворе и рафинате.
Методика эксперимента
Жидкостную экстракцию проводили интенсивным встряхиванием смеси водной, содержащей определенные концентрации Fe (III) и HCl, и органической фазы при различных соотношениях О:В в течение 5 мин при температуре 298 К. После расслоения фаз отделяли органическую фазу от водной, к органической приливали определенные объемы дистиллированной воды и проводили реэкстракцию в течение 5 мин при температуре 298 К. После расслоения фаз отделяли органическую фазу от водной. При проведении исследований кинетики экстракции и реэкстракции время перемешивания варьировали от 0,5 до 15 мин.
Результаты и их обсуждение
В начале работы была изучена кинетика процессов экстракции и реэкстракции железа (III) 2-октаноном. Установлено, что в процессе экстракции Fe (III) равновесие достигается в течение 0,5 мин. При увеличении времени контакта фаз степень извлечения не изменяется.
Изучая кинетику перехода железа (III) из органической фазы в водную было выявлено, что Fe (III) на 96 % переходит в реэкстракт из фазы экстрагента за 1 мин. При дальнейшем увеличении времени контакта фаз значение реэкстракции не изменяется (рис. 1).
Степень реэкстражщш. % 100
95
90
85
80
75
70
0 5 10 15
1, мин
Рис. 1. Зависимость степени реэкстракции железа (III) от времени контакта фаз
Зависимость влияния концентрации хлороводородной кислоты на экстракцию железа (III) 2-октаноном представлена на рисунке 2. Видно, что при концентрации HCl меньше 2 моль/дм3 экстракция практически не происходит, а при увеличении концентрации соляной кислоты от 2 до 6 моль/дм3 экстракция Fe (III) резко увеличивается. При дальнейшем увеличении концентрации хлороводородной кислоты экстракция остаётся практически неизменной.
Анализируя зависимость экстракции Fe (III) от концентрации 2-октанона (рис. 3) можно прийти к выводу, что экстракционная способность 2-октанона резко падает при снижении его концентрации в смеси с инер тным разбавителем. Если при объемной концентрации 2-октанона100 % коэффициент распределения составляет 90, то уже при добавлении 20 % октана падает до 11, а для 50 % раствора 2-октанона коэффициент распределения не превышает 1.
Из зависимости lgD от lgC (2-октанон) было также определено сольватное число, которое составило при экстракции железа (III) из 6-молярной HCl 5,56.
j>---- ♦---♦
Рис. 2. Влияние концентрации HCl на экстракцию Fe (III) 2-октаноном.
С (Fe) = 0,18 моль/дм3
Рис. 3. Влияние концентрации 2-октанона на экстракцию Fe (III).
С (Fe) = 0,18 моль/дм3, С (HCl) = 6 моль/дм3
Для определения полноты экстракции железа (III) из растворов хлороводородной кислоты получены две изотерма экстракции Fe (III). Первая изотерма (рис. 4.) получена путем варьирования соотношения объемов органической и водной фаз (О:В), а вторая (рис. 5) — путём изменения концентрации железа (III) соответственно.
Рис. 4. Изотерма экстракции Бе (III) 2-октаноном при различных соотношениях О:В. С (Бе) = 0,18 моль/дм3, С(НС1) = 6 моль/дм3, Т = 298 ± 1 К
Их полученных изотерм экстракции видно, что для полного перехода железа (III) из водной фазы в органическую необходимо три ступени экстракции. Различия в изотермах можно объяснить тем, что при экстракции Fe (III) из растворов, в которых концентрация железа более 0,5 моль/дм3, 2-октанон начинает поглощать большее количество воды из рафината, чем при экстракции из менее концентрированных растворов. Кроме того, при увеличении концентрации железа (III) увеличивалась и концентрация хлоридных ионов.
Рис. 5. Изотерма экстракции железа (III) 2-октаноном при изменении концентрации Fe (III). С (HCl) = 6 моль/дм3, Т = 298 ± 1 К
Также была получена изотерма реэкстракции при различных соотношениях О:В (рис. 6). Для полного извлечения железа (III) из органической фазы в водную необходимо 5 ступеней реэкстракции. При этом на первой стадии извлечения Fe (III) из органической фазы в водную при соотношении О:В = 10:1 получен реэкстракт с концентрацией 1,42 моль/дм3, что говорит о возможности с помощью 2-октанона проводить не только глубокую экстракцию железа (III) из раствора хлороводородной кислоты, но и получать на стадии водной реэкстракции концентрированные по железу растворы.
Рис. 6. Изотерма реэкстракции Fe (III) из фазы 2-октанона при различных соотношениях О:В. C (Fe,^) = 0,80 моль/дм3, Т = 298 ± 1 К
Заключение
Использование 2-октанона позволяет всего за 1 ступень извлечь Fe (III) более чем на 98 % при экстракции из 6-молярной хлороводородной кислоты и времени контакта фаз 0,5 мин. Для полной экстракции Fe (III) необходимо 3 ступени, для полной реэкстракции — 5 ступеней. Железо (III) практически количественно переходит из органической фазы в водную за 1 мин. После первой ступени реэкстракции возможно получить реэкстракт с концентрацией железа (III) 1,42 моль/дм3.
Таким образом, 2-октанон является перспективным экстрагентом для извлечения железа (III) из растворов хлороводородной кислоты.
Литература
1. Межд. з-ка WO9943408, МПК6 B01D 11/04, C01B 9/02, C01G 49/10. Solvent Extraction of Ferric Chloride / Wadhawan Satish C.; № WO1999US04141; заявл. 25.02.99; опубл. 02.09.99; приор. 25.02.98, № 19980075936P (США).
2. Копкова Е. К. Гидрохлоридная экстракционная технология высокочистого оксида железа из магнетитов: автореф дисс. Апатиты. 2003. 27 с.
3. Пат. 2615527 РФ, МПК C01B 9/02, C01G 49/06, C01B 7/07, C22B 3/10, 3/44, C23G 1/36 (2006.01). Способ концентрирования и отделения хлоридов металлов в/из содержащего хлорид железа (III) раствора соляной кислоты / Вайссенбек, Херберт, Фогль, Дитер; СМС СИМАГ ПРОУСЕСС ТЕКНОЛОДЖИЗ ГМБХ (Австрия). № 2014129074; заявл. 12.12.12; опубл. 05.04.17, Бюл. № 10; приор. 16.12.11, № 20110001838 (Австрия).
4. Золотов Ю. А., Иофа Б. З., Чучалкин Л. К. Экстракция галогенидных комплексов металлов. М.: Наука, 1973. 379 с.
5. Золотов Ю. А., Серякова И. В., Антипова-Каратаева И. И., Куценко Ю. И., Карякин А. В. Влияние органического растворителя на образование тетрахлороферриат-иона при экстракции железа из хлоридных растворов // Журнал Неорганической химии. 1962, Т. Vll, вып. 5. С. 1197-1203.
6. Zhang G., Chen D., Wei G., Zhao H., Wang L., Qi T., Meng F., Meng L .Extraction of Iron (III) from Chloride Leaching Liquor with High Acidity Using Tri-N-Butyl Phosphate and Synergistic Extraction Combined with Methyl Isobutyl Ketone // Separation and Purification Technology. 2015. Vol. 150. Pp. 132-138.
7. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны: гиг. нормативы // Минздрав России. М., 2003.
8. Касиков А. Г., Петрова А. М. Экстракция серной и хлороводородной кислот высокомолекулярными алифатическими спиртами различного строения // Журнал прикладной химии. 2008. Т. 81, вып. 12. С. 1966-1970.
9. Дегтев М. И., Закономерности экстракции ионов железа (III) из хлороводородных растворов алифатическими спиртами // Вестник Пермского ун-та. 2013. Вып. 1 (9). С. 37-46.
10. Николотова Т. И., Карташова Н. А. Экстракция нейтральными органическими соединениями // Справочник по экстракции / под ред. А. М. Розена. М.: Атомиздат: 1976. Т. 1. 600 с.
11. Шарло Г. Методы аналитической химии. Количественный анализ неорганических соединений. М.: Химия, 1965. 976 с.
Сведения об авторах
Соколов Артем Юрьевич,
студент
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, Россия, 184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 50а, e-mail: [email protected]
Касиков Александр Георгиевич,
кандидат химических наук
ИХРЭМС ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия, e-mail: [email protected]
SokolovArtemYurievich,
Student
Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Russia, Apatity, Fersman str., 50a, e-mail: [email protected]
Kasikov Alexander Georgievich,
PhD (Chemistry)
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia, e-mail: [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1 .PRIL.66-71 УДК 541.145: 546.824.31
П. А. Солодкая, М. Л. Беликов
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. И. Тананаева ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Co-МОДИФИЦИРОВАННОГО ДИОКСИДА ТИТАНА НА ПРИМЕРЕ РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ: АНИЛИН, ФЕРРОИН, МЕТИЛЕНОВЫЙ СИНИЙ
Аннотация
Изучены фотокаталитические свойства Co-модифицированного диоксида титана на примере различных органических красителей. Показано, что Co-модифицированный TiO2 проявляет избирательную фотокаталитическую активность (ФКА) по отношению к разным красителям. Ключевые слова:
диоксид титана, кобальт, модифицирование, фотокаталитические свойства, красители.
P. A. Solodkaya, M. L. Belikov
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "KSC of the RAS", Apatity, Russia
PHOTO-CATALYTIC PROPERTIES OF Co-MODIFIED TITANIUM DIOXIDE USING THE EXAMPLE OF VARIOUS ORGANIC DYES: ANILINE, FERROIN, METHYLENE BLUE
Abstract
The photocatalytic properties of various organic dyes have been studied. It is shown that Co-modified TO2 exhibits selective photocatalytic activity (PKA) with respect to different dyes. Keywords:
titanium dioxide, cobalt, modification, photocatalytic properties, dyes.
