Извлечение урана из воды

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Извлечение урана из воды

Бахманова Фидан Нариман, Алирзаева Эльнара Нугзари, Шамилов Назим Тельман, Чырагов Фамиль Муса

Бахманова Фидан Нариман К.х.н., Бакинский государственный университет Гаджиева Севиндж Рафик Д.х.н., проф., Бакинский государственный университет Алирзаева Эльнара Нугзари Аспирантка, Бакинский государственный университет Шамилов Назим Тельман Д.х.н., проф., Бакинский государственный университет Чырагов Фамиль Мусса Д.х.н., проф., Бакинский государственный университет

Аннотация: Исследован процесс извлечения урана из объектов окружающей среды с использованием метода предварительного концентрирования. Применение предварительного концентрирования хелатообразующим сорбентом на основе малеинового ангидрида со стиролом позволяет практически полностью извлечь уран. Определены оптимальные условия сорбции урана сорбентом. Исследовано влияние времени, ионной силы, концентрации металла на равновесные свойства катионита по отношению к ионам урана. Так же был изучен процесс десорбции поглощенного металла из сорбента.

Ключевые слова: уран, токсичность, загрязнение, вода, сорбент, концентрирование, десорбция

Bahmanova F.N. PhD, researcher, Baku State University

Hajiyeva S.R. doctor of science, professor, Baku State University

Alirzayeva E.N. graduate student, Baku State University

Shamilov N. T. doctor of science, professor, Baku State University

Chyragov F.M. doctor of science, professor, Baku State University

EXTRACTION OF URANIUM FROM WATER

Summary: The process of extracting of uranium from environmental objects using the method of pre-concentration has been investigated. The use of preconcentration with a chelating sorbent based on maleic anhydride with styrene makes it possible to practically completely extract uranium. The optimal conditions for the sorption of uranium by the sorbent are determined. The effect of time, ionic strength, metal concentration on the equilibrium properties of cation with respect to uranium ions was studied. The process of desorption of the absorbed metal from the sorbent was also studied.

Key words: uran, toxicity, pollution, water, sorbent, concentration, desorption

Введение

Уран является одним из наиболее токсичных металлов, содержание которых подлежит обязательному контролю при оценке качества питьевой воды, пищевых продуктов и сырья, лекарственных препаратов и т.д. Присутствие радиоактивных элементов в почве и воде плохо влияет на здоровье людей. В результате присутствия в почве урана овощи, выращиваемые на этой земле, бывают радиоактивными. Эти продукты путем принятия пищи переходят в организм человека и приводят к плохим последствиям. В воде присутствие урана тоже нежелательно. Животные, обитающие в этой воде, путем пищи перейдя в организм людей, приводят к плохим последствиям.

Известен ряд способов извлечения урана из природных и технологических растворов, в частности сорбция. В качестве сорбентов для урана предложены многочисленные соединения - полимеры диоксида кремния [10], биологические сорбенты [13], бентонит [14], поливиниловые полимеры [6, 8], магнитные композиты [9, 11, 12]. У всех перечисленных сорбентов есть определенные недостатки. Сорбция некоторых из них сильно зависит от ионной силы раствора [10, 14]; у некоторых сорбентов сорбции не происходит при комнатной температуре, нужно нагревать до определенной температуры [8, 13]; у некоторых сорбентов оптимальная сорбционное равновесие достигается при длительном контакте (6-10 часов) [8, 14], низка сорбционная емкость [6, 8-14] и т.д.

Использование селективных высокоемкостных сорбентов позволяет извлечь компонент из сложной смеси. Даже в таких сложных случаях, когда содержание извлекаемого компонента не превышает долей или единиц процентов, правильно выбранный сорбент обеспечивает увеличение количества компонента элюате в несколько раз. Ранее мы исследовали сорбцию урана хелатообразующими сорбентами на основе со полимера малеинового ангидрида со стиролом, содержащими фрагменты гидрофобных аминов [2, 5].

Изучение сорбции урана (VI) с хелатообразующим сорбентом на основе малеинового ангидрида содержащего фрагменты стрептоцида с последующим определением этих ионов методом фотометрической спектрометрии, для извлечения урана(У!) из воды, является целью данной работы.

Материал и методы

В качестве сорбента был использован катионит, синтезированный, путем модификации сополимера малеинового ангидрида со стиролом соответствующим аминов в присутствии формалина [1].

Исходный раствор урана (VI) готовили растворением точной навески соли металла UO2(NO3)2«6H2O (х.ч) в дистиллированной воде [3]. Исходные растворы Al(III), Cd(II), Co(II), Cr(III), Cu(II), Fe(III), Mn(II), Ni(II), Pb(II), Sr(II), Zn(II) готовили растворением точных навесок хлоридов металлов в 1М соляной кислоте. Рабочие растворы получали соответствующим разбавлением исходных растворов.

Для создания необходимой кислотности использовали фиксанал НС1 (pH 1-2) и аммиачно-аце- татные буферные растворы (pH 3-11). Ионную силу растворов устанавливали добавлением KCl.

Содержание урана определяли по методике [7] фотометрического анализ с помощью 2,2',3,4-тет- рагидрокси-3'-сульфо-5'-хлоразобензола. Анализ выполняли на спектрофотометре КФК 2. Степень извлечения урана (R, %) рассчитывали по формуле:

R=[(Co-Ck)/Co]x100

Здесь Со- исходная концентрация урана, моль/л; Ск - концентрация урана после его извлечения, моль/л.

Для проведения эксперимента сорбции в статическом режиме в пробирку с притертой пробкой вводили 2 мл 10-2 моль/л водного раствора металла, добавляли аммиачно-ацетатный буферный раствор для создания необходимой кислотности до общего объема 20 мл. Вносили 0.05 г сорбента пробирку, закрывали пробкой и оставляли стоять в зависимости от поставленной задачи. Раствор от сорбента отделяли фильтрацией.

На основе полученных результатов рассчитывали коэффициент распределении урана К (в см3/г) и статическую обменную емкость (СОЕ, в мг/г) по ниже следующим формулам:

Здесь, С - равновесная концентрация урана после сорбции, V-объем раствора, m-масса сорбента.

Десорбцию исследовали с использованием разных минеральных (НСІО4, H2SO4, HNO3, HCl) и органической (CH3COOH) кислоты. Затем твердую и жидкую фазу отделяли. Концентрацию урана определяли в десорбате.

Результаты и их обсуждение

Потенциометрическое титрование. Кислотно-основные константы ионизации полимерных сорбентов являются одними из основных свойств. Что бы определить константу ионизации сорбента в начале была изучена его полная статическая сорбционная емкость по иону К+ (ССЕк+=6.4 ммоль/г) и известной методикой было проведено потенциометрическое титрование [4].

На основе результатов потенциометрического титрования была построена дифференциальная кривая титрования

.

Рис. 1. Дифференциальная кривая титрования сорбента

Из рис 1 видно, что полученный сорбент содержит две разные ионогенные группы. Так что ионизация сорбента происходит в двух стадиях:

H2R « HR- + H+

HR-« R2- + H+

Чтобы определить константы ионизации сорбента можно использовать данные дифференциальной кривой титрования. Результаты были приведены в таблице 1.

Таблица 1. Экспериментальные данные для расчета констант ионизации сорбента

Константа ионизации сорбента была рассчитана модифицированным уравнением Гандерсон- Гассельбаха [4]. Измерив, значение pH растворов над сорбентом для каждого значения а, строили зависимость pH = f I lg I. По величине тангенса угла наклона прямой вычисляли параметры m(tg а = m). Графическое определение константы ионизации сорбента показано на рисунке 2.

Рис. 2. Графическое определение константы ионизации сорбента: рК1(граф)=3.37, рК2(граф) = 7.66, m1=2.3740; m2=1.3325; (рК1- характеризует ионизацию карбоксильных групп, рК2- депротонизация аминовых групп

В представленной работе основное внимание было уделено изучению влияния на сорбцию урана рН среды, времени, ионной силы, концентрации ионов металла в растворе, а также кинетическим свойствам сорбентов.

Максимальная степень извлечения урана сорбентами достигается из растворов с рН 5. Было исследовано зависимость сорбции от времени. Результаты исследования показали, что сорбционное равновесие достигается после 2-х часов контакта сорбента с металлом. Для всех дальнейших экспериментов время для установления сорбционного равновесия составило 2 часа.

Влияние ионной силы раствора изучено фотометрическим методом. Уран(УТ) сорбировали из растворов, содержащих 0,1-1,4 М KCl. Результаты исследования показали, что значительное уменьшение сорбции металла происходит из растворов KCl с концентрацией более 0.8.

Одним из основных критериев оценки сорбционных равновесий являются изотермы сорбции, определяющие зависимость величины сорбции вещества от его равновесной концентрации в растворе.

С увеличением концентрации уранильного иона в растворе увеличивается количество сорбироваронного металла, а при концентрации равной 6-10-3 моль/л становится максимально (ph=5, CUO2+ =6-10-3 моль/л, Vo6.=20 мл, тСорб.=0.05 г, се=500 мг/г).

Изучена возможность десорбции урана (VI) растворами разных минеральных кислот (HCl, HCIO4, HNO3, H2SO4). Получены данные по степени элюирования урана в зависимости от концентрации кислот, объема элюента и выбраны условия проведения полной десорбции (98-100%): 5 мл 2М HNO3.

После определения оптимальных условий концентрирования разработанный метод успешно применен для определения микроколичеств урана() в воде изъятой из Амировского нефтегазодобывающего департамента (Азербайджан) с предварительным концентрированием (табл. 2). Правильность методики проверяли методом «у- спектроскопии» (табл. 2).

Выполнение анализа. 30 мл отфильтрованной анализируемой пробы доводили до нужного значения pH добавлением HNO3 и оставляли на 2 часа в круглодонной колбе со 100 мг сорбента. Сорбированные ионы металлов элюировали 5 мл 2 М HNO3. В элюате концентрацию урана определяли фотометрическим методом. Результаты рассчитывали в предположении 100%-ного извлечения урана.

Таблица 2. Результаты анализа морской воды (объем пробы 30 мл; объем элюента 5 мл; mcopg=100 мг; Z=490 нм, l=1 см, p=0.95; n=5)

Вывод

сорбционный урановый титрование

Полученные данные показали, что синтезированный сорбент может быть использован для концентрирования урана из растворов типа природных вод, что может быть использовано для его радиоаналитического определения. Возможно многократное использование регенерированного сорбента для концентрирования.

Список литературы

1. Алиева Р.А., Гамидов С.З., Чырагов Ф.М. Изучение сорбции Zn(II) химически модифицированным синтетическим сорбентом. Вестник БУ, 2007. № 2. с. 28-34.

2. Басаргин Н.Н., Магеррамов А.М., Гаджиева С.Р., Бахманова Ф.Н., Гамидов С.З., Алиева Т.И., Чырагов Ф.М. Определение урана() в природных водах после предварительного концентрирования сорбентом содержащим фрагменты мамино фенола. Журнал аналитической химии. - 2013. - 68, №2. - с. 136-139. DOI: 10.7868/80044450213020035 (Basargin N.N., Magerramov A.M., Gadzhieva, S.R., Bahmanova, F.N., Gamidov, S.Z., Alieva, T.I., Chyragov F.M. Determination of uranium(VI) in natural waters after preconcentration on adsorbent containing m-aminophenol fragments. Journal of Analytical Chemistry, 2013, Vol. 68, No. 2, pp. 123-126. DOI: 10.1134/S1061934813020032).

3. Коростелев П.П. Приготовление растворов для химико-аналитических работ. - М.: Наука, 1964. -261 с.

4. Корреляции и прогнозирование аналитических свойств органических реагентов и хелатных сорбентов / Под ред. д.х.н. Н.Н. Басаргин, д.х.н. Э.И. Исаев. - М.: Наука, 1986. -199 с.

5. Магеррамов А.М., Гаджиева С.Р., Бахманова Ф.Н., Гамидов С.З., Чырагов Ф.М. Концентрирование уранаСУЦ хелатообразующим сорбентом и фотометрическое определение с 2,3,4-тригидрокси-3'-нитро-4'-сульфоазобензолом. Журнал аналитической химии. -2011. -66, №5. - с. 480-483. (Magerramov A. M., Gadzhieva S. R., Bakhmanova F. N., Gamidov S. Z., and Chyragov F. M. Preconcentration of Uranium(VI) on a Chelating Adsorbent Followed by Photometric Determination with 2,3,4-Trihydroxy-3'- Nitro-4'-Sulfoazobenzene. Journal of Analytical Chemistry, 2011, Vol. 66, No. 5, pp. 465-469. DOI: 10.1134/S1061934811050108).

6. Anagnostopoulos, V.; Symeopoulos, B.; Bourikas, K.; Bekatorou, A. Biosorption of U(VI) from aqueous systems by malt spent rootlets. Kinetic, equilibrium and speciation studies. International Journal of Environmental Science and Technology (2016), 13(1), 285-296.

7. Hachiyeva S.R., Bahmanova F.N., Chiragov F.M. 2,2',3,4-tetrahidroksi-3'-sulfo-5'-kloro-azobenzen ile kilde uranyumun fotometrik tayini. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, Ankara, 2010, cilt 1, №1, sayfa 8189.

8. Hallaji, Hoda; Keshtkar, Ali Reza; Moosavian, Mohammad Ali. A novel electrospun PVA/ZnO nanofiber adsorbent for U(VI), Cu(II) and Ni(II) removal from aqueous solution. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers (2015), 46, 109-118.

9. Shao, Dadong; Wang, Xiangxue; Li, Jiaxing; Huang, Yongshun; Ren, Xuemei; Hou, Guangshun; Wang, Xiangke. Reductive immobilization of uranium by PAAM-FeS/Fe3O4 magnetic composites. Environmental Science: Water Research & Technology (2015), 1(2), 169-176.

10. Xiao, Jiang; Jing, Yan; Yao, Ying; Xie, Shaolei; Wang, Xingquan; Shi, Chenglong; Jia, Yongzhong. Synthesis of amine-functionalized MCM-41 and its highly efficient sorption of U(VI). Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry (2016), 310(3), 10011011.

11. Yuan, Dingzhong; Chen, Long; Xiong, Xin; Yuan, Ligang; Liao, Shijun; Wang, Yun. Removal of uranium(VI) from aqueous solution by amidoxime functionalized superparamagnetic polymer microspheres prepared by a controlled radical polymerization in the presence of DPE. Chemical Engineering Journal (Amsterdam, Netherlands) (2016), 285, 358-367.

12. Yuan, Dingzhong; Chen, Long; Xiong, Xin; Zhang, Qinghua; Liao, Shijun; Yuan, Ligang; Wang, Yun. Synthesis of PAMAM dendron functionalized superparamagnetic polymer microspheres for highly efficient sorption of uranium(VI). Journal of Radioanalyt- ical and Nuclear Chemistry (2016), 309(3), 1227-1240.

13. Zhou, Ke; Liu, Yaochi; Yang, Zhaoguang; Liu, Houzhi; Xie, Ting. High-capacity sorption of U(VI) from aqueous solution using a bio-based oxidized polymeric material. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers (2016), 63, 453-462.

14. Zong, Pengfei; Wu, Xiaoyong; Gou, Jiayuan; Lei, Xiaobing; Liu, Dengkui; Deng, Hui. Immobilization and recovery of uranium(VI) using Na-bentonite from aqueous medium: equilibrium, kinetics and thermodynamics studies. Journal of Molecular Liquids (2015), 209, 358-366.

Размещено на Allbest.ru