CC BY
19
УДК 66.061.35 + 621.039.3*10
Иванов П.И., Пузанова Н.Д., Пьянин Д.В., Хорошилов А.В.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АМИНА НА ЭКСТРАКЦИЮ БОРНОЙ КИСЛОТЫ В СИСТЕМЕ ВОДНЫЙ РАСТВОР БОРНОЙ КИСЛОТЫ - ТРИОКТИЛАМИН В О-КСИЛОЛЕ
Иванов Павел Игоревич, аспирант 4 года обучения кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; Пузанова Надежда Даниловна, студент 6 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии; Пьянин Дмитрий Вадимович, студент 6 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии; Хорошилов Алексей Владимирович, к.х.н., директор Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева, e-mail: [email protected];
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
В двухфазной системе водный раствор борной кислоты - триоктиламин (ТОА) в о-ксилоле изучено влияние концентрации ТОА в органической фазе на коэффициент экстракции HsBO3. Показано, что при комнатной температуре в условиях постоянства исходной концентрации борной кислоты 0,5 М и добавочного компонента -винной кислоты, изменение содержания ТОА в о-ксилоле от 0,1 М до 1,0 М приводит к увеличению коэффициента экстракции борной кислоты от 0,1 до 5,0, то есть, в 50 раз.
Ключевые слова: экстракция борной кислоты, триоктиламин, о-ксилол, коэффициент экстракции.
THE EFFECT OF AMINE CONCENTRATION ON THE EXTRACTION OF BORIC ACID IN THE SYSTEM WATER BORIC ACID SOLUTION - TRIOCTYLAMINE IN O-XYLENE
Ivanov Pavel Igorevich, Puzanova Nadezhda Danilovna, Pyanin Dmitry Vadimovich, Khoroshilov Alexey Vladimirovich.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In a two-phase system, an aqueous solution of boric acid - trioctilamine (TOA) in o-xylene, the effect of the concentration of TOA in the organic phase on the HsBO3 extraction coefficient was studied. It is shown that at room temperature, under conditions of constant initial concentration of boric acid 0.5 M and an additional component - tartaric acid, a change in the concentration of TOA in o-xylene from 0.1 M to 1.0 M leads to an increase in the extraction coefficient of boric acid from 0.1 to 5.0, that is, 50 times.
Key words: boric acid extraction, trioctylamine, o-xylene, extraction coefficient.
Производственные процессы разделения изотопов бора основаны на методах ректификации трифторида бора [1], треххлористого бора [2], химобменной ректификации комплексного соединения ББ3 с диметиловым эфиром [3] и химического изотопного обмена с использованием различных органических соединений для образования газо-жидкостных систем вида ББ3(г) - БР3-Б(ж), где Б - органический комплексообразователь [4-6]. Как не сложно заметить, все указанные технологии используют весьма токсичные галогениды бора, что требует выполнения специальных защитных мер, усложняющих и удорожающих производство изотопной продукции. В качестве альтернативных способов разделения изотопов бора могут рассматриваться процессы с использованием борной кислоты как рабочего вещества, реализуемые в двухфазных жидкость-жидкостных системах водный раствор Н3Б03 - Н3Б03 в органической фазе, исследование которых активно началось несколько лет назад [7-10] в РХТУ им. Д.И. Менделеева. Полученные результаты демонстрируют вполне приемлемые значения однократного изотопного эффекта, соизмеримые со значениями а в производственных процессах [7-10]. Иной важнейший показатель эффективности такого рода систем -коэффициент распределения бора между фазами или коэффициент экстракции Кэ, зависящий от многих факторов и влияющий на коэффициент разделения (обогащения) изотопов бора. Поэтому цель настоящей
работы заключалась в изучении влияния концентрации триоктиламина (ТОА) в растворителе -о-ксилоле на значение коэффициента экстракции бора (борной кислоты). Для образования двухфазной системы использовали водные растворы борной кислоты (БК) с исходной концентрацией (0,3 - 0,7) М, которые готовили весовым методом из сухой Н3Б03 квалификации ХЧ (ГОСТ 9656-75), растворяя ее в бидистиллированной воде. Аналогичным образом готовили раствор добавочного компонента - винной кислоты 0,5 М концентрации и добавляли винную кислоту к раствору БК. Исходная органическая фаза представляла собой, как указано ранее, раствор триоктиламина в о-ксилоле с концентрацией, изменяемой в интервале от 0,1 М до 1,0 М. Водную (В) и органическую (О) фазы смешивали в объемном соотношением В:О = 1:1 (по 25 мл) в делительной воронке капельной формы с бессмазочным тефлоновым краном при интенсивном перемешивании и выдерживали при комнатной температуре (293 ± 2) К примерно 15 - 20 ч. Контроль уравновешивания фаз производили периодическим измерением значения рН водной фазы с использованием лабораторного рН-метра «Анион 4100» с электродом «ЭСК-10601/7». На рисунке 1 показана схема измерений и пример полученных результатов - значения рН до и после уравновешивания фаз.
3,0
2,5
■и
л 2,0
■а
о т 1,5
m 1,0
Т
Q.
0,5
0,0
0,4 0,5 0,6 0,7
Концентрация исходной борной кислоты, М
а б
Рис. 1. К измерению рН: а - схема измерения рН водной фазы: 1 - электрод; 2 - магнитная мешалка; 3 - якорь мешалки; 4 - рН-метр; 5 - водная фаза; 6 - органическая фаза; 7 - пробирка с термостатируемой рубашкой; б -результаты измерения рН водной фазы: • - до уравновешивания; В - после уравновешивания фаз
Как видно из рисунка 1б, в процессе уравновешивания фаз наблюдается заметное увеличение рН водной фазы, то есть, уменьшение ее кислотности, что говорит о переходе кислот из водной в органическую фазу. Определение концентрации элементарного бора в уравновешенных водной и органической фазах
выполняли с использованием квадрупольного масс-спектрометра аргоновой индуктивно связанной плазмы «XSeries11» («Therno Scientific», США). Полученные равновесные значения концентрации бора (борной кислоты) и коэффициента экстракции Кэ при варьировании концентрации ТОА представлены в таблице 1.
Исходная концентрация ТОА Сисх, М Концентрация БК после уравновешивания фаз, М Коэффициент экстракции КЭ
в водной фазе С*водн в равновесной органической фазе С*орг
0,1000 ± 0,0005 0,453 ± 0,014 0,0469 ± 0,0010 0,1035 ± 0,0040
0,300 ± 0,002 0,2020 ± 0,0029 0,2980 ± 0,0043 1,475 ± 0,030
0,500 ± 0,002 0,058 ± 0,012 0,444 ± 0,012 7,6 ± 1,6
0,700 ± 0,004 0,0927 ± 0,0019 0,407 ± 0,011 4,39 ± 0,15
1,000 ± 0,005 0,0834 ± 0,0018 0,4166 ± 0,0093 5,00 ± 0,15
Из таблицы следует, что изменение концентрации триоктиламина в органической фазе на порядок величины с 0,1 М до 1,0 М приводит к значительному увеличению коэффициента экстракции бора (борной кислоты) от Кэ = (0,104 ± 0,004) до Кэ = (5,00 ± 0,15), то есть, почти в 50 раз.
Исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования имени Д.И. Менделеева.
Литература
Амирханова И.Б., Асатиани П.Я., Борисов A.B., Гвердцители И.Г. и др. Влияние давления на разделение изотопов бора // Атомная энергия. 1967. т. 23. №4. С. 336-339
Андриец С.П., Гущин А.А., Калашников А.Л., Козырев А.С. и др. Создание и испытание пилотной установки для разделения изотопов бора ректификацией BCl3 // Перспективные материалы. - Спец. вып. (8). 2010. С. 193-198. Каминский В.А., Карамян А.Т., Гиоргадзе И.А. и др. Концентрирование изотопа В10 методом химобменной дистилляции (CH3)2O ■ BF3 при атмосферном давлении // В кн.: Производство изотопов. Сб. Статей. М.: Атомиздат. 1973. С. 466468.
Katalnikov S.G. Ivanov V.A. Physico-chemical and engineering principles of boron isotopes separation by using BF3 - Anisole-BF3 System // Separation Science and Technology.2001.Vol. 36. № 8&9. P. 1737-5 1768.
1.
2.
3.
5. Khoroshilov A.V., Lizunov A.V., Stepanov A.V., Cherednichenko S.A. Thermal dissociation of the complex BF3 D and boron isotope separation in the system BF3 - BF3 CH3NO2 //Radiochemistry. 2009. Vol. 51. № 4. Р. 400-402.
6. Хорошилов A.B., Степанов A.B., Лизунов A.B., Зернова Е.В. Первое разделение изотопов бора методом химического обмена при пониженной температуре в системе трифторид бора - его комплексное соединение с нитрометаном//Перспективные материалы. Спец. вып. (8). 2010. С.258-262.
7. Хорошилов А.В., Иванов П. И. Исследование процесса экстракции борной кислоты трибутилфосфатом // Успехи в химии и химической технологии. 2015. Т. 29. №. 6. С. 59-60.
8. Khoroshilov A.V., Ivanov P.I. Isotope effect of the boron isotope separation in an extraction system «Aqueous solution of boric acid - boric acid in tributylphosphate»//Sciences of Europe. 2017. Vol. 2. № 12. P. 13-18.
9. Khoroshilov A.V., Ivanov P.I. Separation of boron isotopes by chemical exchange in liquid-liquid systems // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1099. DOI: 10.1088/1742-6596/1099/1/012006.
10. Иванов П.И., Хорошилов А.В. Исследование фазового равновесия в экстракционных системах для разделения изотопов бора // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 56. № 11. С. 106-111.
0,2
0,3
0,8
