CC BY
16CHEMICAL SCIENCES
ФЛОТОЕКСТРАКЦ1Я 1ОН1В КОБАЛЬТУ З ВОДНИХ РОЗЧИН1В
Обушенко T.I.
старший викладач Нацюнальний технгчний унгверситет Украши «Кшвський полгтехтчний унгверситет гменг1горя Сгкорського»
Хгмгко-технологгчний факультет Толстопалова Н.М. Кандидат технгчних наук, доцент Нацюнальний технгчний унгверситет Украши «Кшвський полгтехтчний унгверситет гменг 1горя Сгкорського»
Чир'ева М.Д. студентка
Нацюнальний технгчний унгверситет Украши «Кшвський полгтехтчний унгверситет гменг 1горя Сгкорського»
Свгрська С.Е. студентка
Нацюнальний технгчний унгверситет Украши «Кшвський полгтехтчний унгверситет гменг 1горя Сгкорського»
SOLVENT SUBLATION OF COBALT IONS FROM WATER SOLUTIONS
Obushenko T.
Senior Lecturer National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» Tolstopalova N. PhD, Associate Professor National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Chyrieva M.
Student National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Svirska S.
student
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Анотащя
Об'ектом дослвдження e флотоекстракщя в систем! кобальт-додецилсульфат натрш. В робот досль джено модельш водш розчини кобальту з використанням анюнно! поверхнево-активно! речовини (ПАР) -додецилсульфату натрш та 1зоамшового спирту в якосп оргашчно! фази. Отримано ращональш умови процесу: рН 10,5, молярне сшввщношення Со2+:ПАР=1:2, об'ем екстрагенту ^зоамшовий спирт) - 10 см3, тривалють процесу - 20 хв. За цих умов стушнь видалення юнш кобальту в 1зоамшовий спирт склала 95,6 %.
Abstract
The object of research is solvent sublation in the cobalt - sodium dodecylsulphate system. In this work, model cobalt aqueous solutions were investigated using anionic surfactant, sodium dodecyl sulfate and isoamyl alcohol as the organic phase. The following rational process conditions were obtained: pH 10,5, molar ratio Со2+ : surfactant = 1:2, extractant volume (isoamyl alcohol) - 10cm3 , process duration - 20 min. Under these conditions, the extraction degree of cobalt ions in isoamyl alcohol was 95,6 %.
Ключов1 слова: флотоекстракщя, кобальт, очищення слчних вод. Keywords: solvent sublation, cobalt, wastewater purification.
Вступ. Основними джерелами забруднення вод тяжкими металами e металургшш, металообро-бт i хiмiчнi заводи. Для тяжких металiв не юнуе на-дшних методiв самоочищения. Токсичшсть металу пов'язана з його впливом на обмш речовин живих
оргаиiзмiв i здоров'я людини. Бшьшють iонiв тяжких металiв вiдрiзняються канцерогенними, мута-генними властивостями i володiють кумулятивним ефектом.
З огляду на сучасш методи видалення iонiв ва-жких металiв з стiчних вод е доцшьним розробляти
шновацшш технологи очищения спчних вод вщ ю-нiв тяжких металiв. Як1сть очищено! слчно! води повинна задовольняти потребам до И повернення для промислово-технiчних потреб щдприемства, i до скидання в мюьку систему каналiзацi!. Саме таким перспективним методом е флотоекстракцiя [1].
Опис методу. Технолопю флотоекстракци вперше було запропоновано як рiзновид юнно! флотацп у тих випадках, коли утворення пiни, що мае потрiбнi для юнно! флотацп властивостi, немо-жливе або необхiдно кiлькiсно вщокремити пiну для подальшого аналiзу [2]. Характерною рисою цього флотацшного процесу е спосiб вiддiлення сфлотовано! речовини (сублату) шляхом концент-рування його в шарi оргашчно! рiдини на поверхш водно! фази.
Переваги та недолiки флотоекстракцi!:
- вiдсутнiсть шни;
- можливiсть роботи з великими об'емами водних об'екпв, концентрування яких може пере-вищити спiввiдношення 100:1, це надме флотоек-стракцiю великим потенщалом при аналiзi елемен-тш, як1 знаходяться у водi в мшро- i нанок1лькостях;
- активна речовина виноситься бульбаш-ками газу i надходить у верхнiй шар пдрофобно! рь дини без змшування фаз;
- ступiнь вилучення в процес флотоекстрак-цi! не залежить вiд вiдношення об'емiв водно! та ор-ганiчно! фаз;
- у багатьох випадках речовину, яка вилуча-еться, сконцентровано в органiчнiй фаз^ що значно полегшуе !! подальшу обробку.
Традицiйно до основних недолЫв вiдносять низьку, в порiвняннi з флотащею, продуктивнiсть за рахунок невелико! витрати газу, що не руйнуе верхнього шару органiчно! рiдини в розподшьчому апаратi [2-4].
Bei флотоекстракцшш системи складаються з наступних елеменлв [5-7]:
- джерело газу (це може бути як звичайний компресор так i газовий балон, найбшьш поширенi гази - повiтря, аргон та азот);
- системи регулювання швидкосп потоку та тиску газу;
- ротаметр (використовуеться для вимiрю-вання барботажу газу через колонку);
- колонка (зазвичай використовуються скляш або пластиковi колонки, в нижнш частинi яких знаходиться перегородка з необхвдною порис-тiстю).
Пiдбiр екстрагенту. Велике значения у флотоекстракци вiдiграе пiдбiр екстрагенту. Було досль джено процес з iзоамiловим спиртом, гептаном, iзо-октаном, октанолом та ундециловим спиртом. Ро-бочий об'ем водного розчину, що мiстить юни Со2+ - 200 см3, концентращею - 0,01 мг/см3. Поверх-нево-активна речовина - натрш додецилсульфат (ДСН). Дослщжено, що найкращим екстрагентом е iзоамiловий спирт, що мае розгалужену структуру i як наслiдок кращу здатнiсть до утримування субла-пв. Порiвняльна характеристика екстрагентiв за ступенем вилучення наведена на рис. 1. Об'ем оргашчно! фази - 10 см3. Зпдно отриманих даних най-вища ступiнь вилучення складае 95,6%.
Рис. 1 Поргвняльна характеристика екстрагентгв за ступенем вилучення йон1в Со2+.
Залежшсть ступеня вилучення юшв Со2+ вiд амввммошеммч Со2+:ПАР. На графшу (рис. 2) пока-заш результати експериментiв при наступних сшвввдношеннях Со2+ : ДСН = 1:0,5; 1:1,5; 1:2; 1:2,5.
100 90
80
«
33 33
<D
iy
33 и л 33
70 60
50
40
33 30
fT
О 20
10
0,5
1,5
2,5
0
0
1
2
3
Стввщношення Со:ПАР
Рис. 2 Залежтсть ступеня вилучення йон1в кобальта (II) eid молярного спгввгдношення Кобальт : ДСН (тривалкть процесу - 20 хвилин; рН 10,5; органiчна фаза - iзоамiловий спирт).
При сшввщношент Со2+ : ДСН в д1апазош ввд 1:0,5 до 1:1,5 стутнь вилучення не е максималь-ним, що пояснюеться недостатньою шльшстю по-верхнево-активно! речовини для повноти зв'язу-вання кобальту в сублат. Дослщжено, що сшввщно-шення Со2+: ДСН = 1:2 е найоптимальшшим i стутнь видалення складае 95,6 %. Зниження сту-пеню при подальшому збшьшент спiввiдношення можна пояснити появою надлишково! кiлькостi ПАР у воднiй фазг В результатi чого затрудняеться
перехвд речовини з водно! у оргашчну фазу та нако-пичення Г! на поверхнi роздiлу фаз вода-органчний шар.
Залежтсть ступеню вилучення Со2+ вщ рН розчину. рН вихiдного розчину, що дослвджувався, корегували в iнтервалi 2-11. Для змiни водневого показника використовували 0,1 М розчини хлорво-днево! кислоти та гiдроксиду натрш. Дослвджено вплив рН на стутнь вилучення, час процесу - 20 хв, мольне сшвввдношенш Со2+ : ДСН = 1:2, об'ем водно! та оргашчно! фази ^зоамшовий спирт) - 200 см3 та 10 см3 вщповщно.
я н н е
сг у
ч
33
в
л аз
'Ез
пут
С
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
11
13
pH
Рис. 3 Залежтсть ступеня вилучення йонiв кобальту (II) eid рН.
Зпдно з отриманими даними найкраще вилучення кобальту (II) проходить за рН 10-10,5, коли сублат кобальту знаходиться у виглядi нейтрально! молекули пдроксиду.
Залежтсть ступеня вилучення Со2+ вщ три-валосл процесу флотоекстракцп. Процес флотоекстракцп проводився протягом 40 хвилин. Проба
1
3
5
7
9
на аналiз вщбиралась кожнi 5 хвилин. На рис. 4 наведет результата проведених експерименпв.
Як видно з рис. 4 оптимальна тривалють про-цесу склала 20 хвилин з 95,6% видаленням коба-
льту при сшввщношенш Со:ДСН = 1:2. При трива-лостi процесу довше 20 хвилин спостерiгаеться зниження ступеню видалення, що можна пояснити частковим переходом сублату з оргашчно! у водну фазу.
100
95
90
sT
К X
а 85
iy
4
и 80 л
5
'¡У 75
О
70
Ме:ПАР
0,5 1
1,5 2
2,5
65
0 10 20 30 40 50
Час, хв
Рис. 4 Залежшсть ступеня вилучення йошв кобальту (II) в1д тривалостI процесу при р1зному молярному стввгдношенш.
Було детальшше дослвджено вплив молярного сшвввдношення Ме:ПАР для рН 9-11. Отримаш даш наведеш на рис. 5.
95
90
о4
кГ н 85
н
<и
^ 80
Ч
К
в 75
л
ас
'Е 70
ЕГ
С 65
60
рН 9 рН 10 рН 11 рН 12
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50
Стввщношення Ме:ПАР
3,00
Рис. 5 Залежшсть ступеня вилучення ютв кобальту (II) при ргзних сп1вв1дношеннях
(тривалгсть процесу - 20 хв).
Отже, отримаш даш сввдчать, що молярне стввщношення е важливим фактором в процеа флотоекстракци. Проте, ильки правильно пщб-ране рН дозволить досягти максимального ступеня вилучення.
Залежшсть ступеня вилучення кобальту ввд стввщношення водноТ та оргашчноТ фаз. В ходi
експерименту об'ем водно! фази не змшювався i до-рiвнював - 200 см3. Об'ем оргашчно! фази - 2, 5, 10, 20 см3, що вщповщае сшввщношенням 100, 40, 20, 10. Процес проводився за оптимальних умов. Отримаш даш зображено на рис. 6.
100 -
99 -
98 -
97 -
96 -
95 -
94 -
93 92 91 90
0 20 40 60 80 100
Стввщношення водна фаза:оргашчна фаза
Рис. 6 Залежтсть ступеня вилучення ioHie кобальту (II) eid спгввгдношення водно'1 та орган1чно'1 фаз.
я н н е ч
Ч К
в
л к
'Е ЕГ С
Оптимальним об'емом е 10 см3, стушнь вилучення - 95,6 %. При висоп оргашчного шару 5 см3 вщбуваеться незначне попршення ступеню вилучення, що спричинене руйнуванням шару екстраге-нту. Це призводить до переходу сублату з органч-но! у водну фазу. При зменшенн об'ему до 2 см3, стушнь вилучення продовжуе незначно зменшува-тись. При збшьшенн об'ему до 20 см3 ефектившсть майже не змшюеться - 95,15%. Отже, можна зро-бити висновок, що даний параметр не сильно впли-вае на процес флотоекстракцп, що шдтверджуеться л1тературними даними.
Залежтсть ступеня вилучення шшв кобальту вщ вихщноТ концентрацй робочого роз-чину. Вихадн концентрацй робочого розчину, що досл1джувались: 0,001 мг/см3; 0,01 мг/см3; 0,1
мг/см3. Час проведення процесу - 40 хв, стушнь ви-далення дослвджували кожн 5 хв. ПАР - додецил-сульфат натрш, екстрагент - !зоамшовий спирт. Об'ем водно! фази - 200 см3, об'ем органчно! фази - 10 см3.
Було отримано, що найвищий стушнь вида-лення - 97,48 % досягаеться при вихвдтй концентрацй' металу - 0,1 мг/см3. Тобто, при збшьшенш концентрацй вихвдного робочого розчину зростае стушнь видалення (рис.7). Це можна пояснити тим, що в систем! вщбуваеться процес коагуляци, було нав!ть в!зуально пом!тно !нтенсивне утворення аг-регапв. Зниження ступеню вилучення при зменшенш концентрацй можна пояснити зниженням ймов!рносл зближення часток та вщповвдно здатш-стю до коагуляци.
100 95 90 85 80 75 70
я н н е
Ч
а
д
К
в
л к
пут 65 С
60 55
С=0,001 мг/мл С=0,01 мг/мл С=0,1 мг/мл
10 15 20 25 Час, хв
30
35
40
45
0
5
Рис. 7 Залежтсть ступеня видалення eid ernidmi концентрацй робочого розчину.
Висновки. Дослщжено 3aK0H0MipH0CTi флото-екстракцiйного вилучення îohîb Со2+ i3 водних роз-чинiв та виявлено HacTynHi рацiональнi умови про-ведення процесу очищення: ПАР - додецилсуль-фату натрiю; рН 10,5; мольне стввщношення Со2+:ПАР=1:2; тривалiсть процесу - 20 хв, органь чна фаза - iзоамiловий спирт; об'ем оргашчно! фази - 10 см3; об'ем водно! фази - 200 см3. Для цих умов стутнь вилучення складае 95,6%.
Список лггератури
1. Астрелш 1.М. Теоретичнi засади та практи-чне застосування флотоекстракци: огляд / 1.М. Астрелiн, Т.1. Обушенко, Н.М. Толстопалова, О.О. Таргонська// Вода i водоочисш технологи- 2013. -№3.- С. 3-23.
2. Lu Y. Solvent sublation: theory and application /Y. Lu, X. Zhu// Separation and Purification Methods. - 2001. - №30. - P.157 - 189.
3. Obushenko T.I., Astrelin I.M., Tolstopalova N.M., Varbanets M.A. аМ Kondratenko T.A. Wastewater Treatment from Toxic Metals by
Flotoextraction //Journal of Water Chemistry and Technology. - 2008. - Vol. 30. - № 4. - P. 241-245.
4. Obushenko T., Tolstopalova N., Bolielyi O. The removal of heavy metal (Nickel) ions from waste waters //Вода i водоочисш технологи. Науково-тех-шчш BiCTi.- 2017. - №1(21). - С.24-30.
5. Болелый А.С., Обушенко Т.И., Толстопалова Н.М. Флотоэкстракция ионов никеля из водних растворов //Молодой ученый.- 2017. - №10 (144). - С. 115-118 ("Young Scientist").
6. Обушенко Т.1., Астрелш 1.М., Толстопалова Н.М., Копотун В.П. Флотоэкстракция ионов железа из низкоконцентрированных растворов// Нау^ вгсп НТУУ "КШ".- 2010. - № 3. - С.106-111.
7. Толстопалова Н.М., Обушенко Т.И., Бо-лелый А.С. Флотоэкстракционное удаление ионов тяжелых металлов из сточных вод //Водные ресурсы и климат: материалы докладов V Международного Водного Форума: в 2 ч. - Минск : БГТУ, 2017. - Ч. 2. - С. 90-95.
