CC BY
15
УДК 622.765:542.61:546.571 Б01: 10.15587/2312-8372.2019.168744
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФЛОТОЕКСТРАКЦП 1ОН1В КОБАЛЬТУ З ВОДНИХ РОЗЧИН1В
Обушенко Т. I., Толстопалова Н. М., Баранюк Н. В.
1. Вступ
Iснуючi технологii очищення стiчних вод вщ iонiв важких металiв е недосконалими. Це обумовлюе необхiднiсть пошуку та впровадження альтернативних методiв, спрямованих на повне очищення спчних вод вщ полютантiв рiзноi природи. Для досягнення бшьш повного очищення стiчних вод вщ iонiв важких металiв пропонуеться застосовувати метод флотоекстракцп, який мае низку переваг в порiвняннi з шшими вiдомими флотацiйними методами [1, 2]. Ушкальнютю даного процесу е спошб вилучення сфлотованоi речовини (сублату) шляхом концентрування його в шарi органiчноi рiдини - екстрагенту - а поверхнi водноi фази [3-5]. Сублат здатен або утворювати суспензш, що утримуеться завдяки змочуванню, або розчинятися в оргашчнш фазi [6, 7]. Рiвновага в даному процес встановлюеться на межi подiлу водно-органiчноi фази. Кiлькiсть зiбраного сублату в оргашчному шарi не залежить вщ його об'ему, оскiльки рiвновага не встановлюеться у всш системi. Проходження сублату в органiчний шар через межу подшу фаз представляе процес, зумовлений рухом потоку бульбашок газу. Це не е стихшним процесом розподшу, який пов'язаний з вщносною розчиннiстю сублату у двох фазах. Не зважаючи на всi переваги флотоекстракцп, на сьогодш цей метод очищення ще не набув широкого промислового застосування. Проте е численш експериментальш результати дослiджень закономiрностей i оптимальних параметрiв даного процесу, як обгрунтовують доцiльнiсть розширеного використання флотоекстракцп [8, 9]. Тому актуальным е експериментальне дослщження характеру впливу на ефектившсть вилучення наступних параметрiв: природа екстрагенту, рН середовища, тривалiсть флотоекстракцп, значення молярного сшввщношення ПАР (поверхнево-активно речовина):Метал, витрата газу, температура водно!' фази. Таким чином, об'ектом дослгдженням е флотоекстракщя в системi кобальт-додецилсульфат натрш. А метою даноХроботы е дослщження процесу флотоекстракцii як методу очищення спчних вод вщ важких металiв на прикладi юшв кобальту (II).
2. Методика проведення досл1джень
Для дослiдження процесу флотоекстракцп використовували цилiндричну скляну колонку дiаметром 35 мм. Повiтря подавали компресором у нижню частину колонки, витрату контролювали ротаметром. Диспергування повiтря проводилося через фшьтр Шота. Концентрацiя юшв кобальту в модельних
3 3
розчинах становила 20 мг/дм . Об'ем розчину - 200 см , об'ем екстрагенту
^зоамшового спирту) - 10 см . Процес флотоекстракцп проводили до встановлення постшно! залишково! концентрацп юшв кобальту, яку визначали фотометричним методом на однопроменевому скануючому спектрофотометрi Portlab 501 (Великобриташя) [10]. Корегування рН проводилося розчинами NaOH та HCl з концентращею 0,1 моль/дм (рН водних розчишв вимiрювали за допомогою рН-метра рН-150МИ (Росiя)). Ефективнiсть процесу флотоекстракцп ощнювали за ступенем видалення iонiв кобальту.
3. Результати досл1джень та обговорення
На рис. 1 зображено залежшсть ступеня
вилучення юшв Со2+ вiд
2+
молярного сшввщношення Со :ПАР.
Рис. 1. Залежшсть ступеня вилучення юшв кобальту (II) вщ молярного
сшввщношення ПАР:кобальт
Вщповщно до результатiв (рис. 1), в дiапазонi молярних спiввiдношень Со :ПАР вiд 1:0,5 до 1:1,5, стутнь вилучення кобальту е недостатшм. Це пояснюеться тим, що ще! кiлькостi ПАР недостатньо для повного зв'язування кобальту в сублат. При використанш додецилсульфату натрш найвищий
стутнь видалення юшв кобальту становить 84,46 % при сшввщношенш
2+
Со2+:ПАР=1:2. Далi
ариаеться зниження ефективностi флотоекстракцп,
9+
оскшьки при зростаннi кшькосл ПАР в розчинi (Со :ПАР=1:2,5 i т. д.) у воднш фазi з'являеться надлишкова кшьюсть анiонiв ПАР.
2+
Дослiджено залежнiсть ступеню вилучення Со вiд рН розчину. Водневий показник корегували в дiапазонi 3-11 (рис. 2).
ч ЕС
ас
<D ET
Ч К и л ас
'Б ЕГ
О
90 80 70 60 50 40 30 20 10
7
рН
10
.1
Рис. 2. Залежшсть ступеня вилучення юшв кобальту (II) вщ рН
2+
Найкраще видалення Со вщбуваеться при рН 10. При даному рН сублат кобальту перебувае у виглядi нейтрально!' молекули пдроксиду, що гiдрофобiзуеться ПАР.
На рис. 3 представлено залежшсть ступеня вилучення Со2+ вщ тривалостi
9+
процесу флотоекстракцп при рiзному молярному сшввщношенш Со2+:ПАР. Процес проводили протягом 25 хвилин. Вiдбiр проби на анаиз проводили кожнi 5 хвилин.
Рацюнальна тривалiсть процесу становить 20 хвилин. Збшьшення
2+
становить
тривалостi флотоекстракцii майже не впливае на стутнь вилучення Со2
ч X X
<и ^
Ч К и л ас
'ас О
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Час, хв
Со:ПАР
■ 1:0,5
■ 1:1
■ 1:1,5
■ 1:2 ■ 1:2,5
Рис. 3. Залежшсть ступеня вилучення юшв кобальту (II) вщ тривалост процесу
при рiзному молярному сшввщношенш
Витрата повiтря е важливим фактором при проведеннi процесу флотоекстракцп (рис. 4).
0
3
4
5
6
8
9
Рис. 4. Зaлежнiсть студня вилyчення юшв кобaльтy (II) вiд витpaти повпря
Вилyчення iонiв кобaльтy стaновить лише 72,4 % при витpaтi повпря в дiaпaзонi 25-35 см /xв, оскiльки дaноï кiлькостi бyльбaшок повiтpя недостaтньо для повного переносу полютaнтy в оpгaнiчнy фaзy. Haйвищий стyпiнь вилучення iонiв кобaльтy спостеpiгaeться зa витpaти повiтpя 45 см ^в. 3a бiльшиx знaченняx спостеpiгaeться незнaчне зменшення ступеня вилучення. Це пояснюeться тим, що при збшьшенш швидкостi pyxy бyльбaшок повпря вiдбyвaeться чaсткове порушення цiлiсностi оргашчного шapy i, як нaслiдок, чaстинa сyблaтy повеpтaeться y водну фaзy.
Ha рис. 5 пpедстaвлено зaлежнiсть ступеня вилучення iонiв Со2+ вщ темпеpaтypи водно!' фaзи. Дослiдження проводили в дiaпaзонi 10-40 °С. Пapaметpи флотоекстpaкцiï: тpивaлiсть процесу - 20 xв, молярне
9+
спiввiдношення Со :ПАР - 1:2, рН 10.
Рис. 5. Зaлежнiсть ступеня вилучення юшв кобaльтy (II) вiд темпеpaтypи водно1'
фaзи
Процес проходить за адсорбцшним механизмом 1, вщповщно, з1 зростанням температури вщбуваеться зменшення ефективност процесу, що пояснюе зменшення ступеня видалення кобальту. На рис. 6 зображено граф1чш залежносп натурального логарифму концентраци юшв кобальту вщ тривалосп процесу флотоекстракци. Це перший порядок реакци, адже граф1чна залежшсть е прямолшшною.
2.5
о О
О
й
1.5
0.5
293 R2 = 0.993 ■298 R2 = 0.9925 303 R2 = 0.9934
10 15
Час, хв
20
25
Рис. 6. Залежшсть натурального логарифму концентрацп юшв кобальту в1д тривалост процесу флотоекстракци за р1зних температур
Для розрахунку константи швидкост реакци використовували формулу (для реакци першого порядку):
к=71пс1г'
де т - тривалють флотоекстракци; С0 \ Ст - початкова 1 поточна концентрацп юшв кобальту.
Результати розрахунюв константи наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Константи швидкост реакци процесу флотоекстракци
Температура, К 293 298 303
к, хв- 0,096 0,090 0,065
2
1
0
0
5
Перший порядок процесу та значення константи швидкост процесу вказуе на переб1г флотоекстракци в режим1 стацюнарно! дифузи, коли л1мгтуючою стад1ею е дифуз1я часточок, що видаляються, бшя поверхш пухиршв газу [11].
4. Висновки
3
Дослщжено вилучення юшв кобальту концентрашею 20 мг/дм з водних розчишв в систем! кобальт-додецилсульфат натрш методом флотоекстракци.
На 0CH0Bi експериментальних дослiджень отримано оптимальт умови процесу: об'ем екстрагенту ^зоамшовий спирт) - 10 см , стввщношення iонiв кобальту до поверхнево-активно! речовини - 1:2, рН 10, витрата повпря - 45 см/хв, тривашсть процесу - 20 хв, температура водно! фази - 20 °С. За цих умов стутнь видалення ютв кобальту становить близько 85 %. Процес флотоектракцп ютв кобальту описуеться кiнетичним рiвнянням першого порядку, розраховано константи швидкостг Запропонований спосiб флотоекстракцiйного очищення може стати альтернативним та iнновацiйним методом очищення спчних вод перед скиданням у водойми або у випадку повернення !х в оборотне водопостачання.
Лiтература
1. Lu Y., Zhu X. Solvent Sublation: Theory and Application // Separation and Purification Methods. 2001. Vol. 30, Issue 2. P. 157-189. doi: http://doi.org/10.1081/spm-100108158
2. Bi P., Dong H., Dong J. The recent progress of solvent sublation // Journal of Chromatography A. 2010. Vol. 1217, Issue 16. P. 2716-2725. doi: http://doi.org/10.1016/j.chroma.2009.11.020
3. Теоретичт засади та практичне застосування флотоекстракцп: огляд / Астрелш I. М., Обушенко Т. I., Толстопалова Н. М., Таргонська О. О. // Вода i водоочист технологи. 2013. № 3. С. 3-23.
4. System as Ternary Complexes of 1,10-Phenanthroline and Thiocyanate Ion / Kim Y., Shin J., Choi Y., Lee W. // Bulletin of the Korean Chemical Society. 2003. Vol. 24, Issue 12. P. 1775-1780. doi: http://doi.org/10.5012/bkcs.2003.24.12.1775
5. Study of a mathematical model of metal ion complexes in solvent sublation / Lu Y. J., Liu J. H., Xiong Y., Zhu X. H. // Journal of Colloid and Interface Science. 2003. Vol. 263, Issue 1. P. 261-269. doi: http://doi.org/10.1016/s0021-9797(03)00192-9
6. Determination of zinc and lead in water samples by solvent sublation using ion pairing of metal-naphthoate complexes and tetra-n-butylammonium ion / Kim Y., Choi Y., Lee W., Lee Y. // Bulletin of the Korean Chemical Society. 2001. Issue 22. P. 821-826.
7. Solvent sublation trace noble metals by formation of metal complexes with 2-mercaptobenzothiazole / Kim Y., Shin J., Lee W., Lee Y. // Bulletin of the Korean Chemical Society. 2001. Issue 22. P. 19-24.
8. Перлова О. В., Сазонова В. Ф. Флотоэкстракционное извлечение соединений лантана из разбавленных водных растворов // Вюник ОНУ. 2012. Т. 17, № 1 (41). С. 52-57.
9. Wastewater Treatment from Toxic Metals by Flotoextraction / Obushenko T. I., Astrelin I. M., Tolstopalova N. M., Varbanets M. A., Kondratenko T. A. // Journal of Water Chemistry and Technology. 2008. Vol. 30, Issue 4. P. 241-245. doi: http://doi.org/10.3103/s1063455x08040073
10. Набиванець Б. Й., Сухан В. В., Калабша Л. В. Аналогична хiмiя природного середовища: тдручник. К.: Либщь, 1996. 304 с.
11. Lobacheva O. L., Chirkst D. E., Dzhevaga N. V. Solvent sublation of yttrium ions from dilute aqueous solutions by use of sodium dodecyl sulfate // Russian Journal of Applied Chemistry. 2012. Vol. 85, Issue 8. P. 1153-1156. doi: http://doi.org/10.1134/s1070427212080022
