Видалення іонів мангану з водних розчинів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Видалення іонів мангану з водних розчинів

Тетяна Обушенко, старший викладач

Наталія Толстопалова, кандидат технічних наук, доцент

Ольга Сангінова, кандидат технічних наук, доцент

Мірра Терещенко, студентка

Анотація

Флотоекстракцію було запропоновано для видалення іонів марганцю, лаурат і стеарат натрію використано як збирачі. Екстрагентом слуговав ізоамілацетат. Вивчали наступні параметри, що впливають на ступінь видалення марганцю зі стічних вод: початкову концентрацію марганцю в модельному розчині, молярне відношення металу до поверхнево-активної речовини. Ефективність процесу понад 90 % за молярному співвідношення метал-ПАР 1:3, концентрації більше 150 мг/дм³, рН 5,6.

Ключові слова: флотоекстракція, важкі метали, ПАР, екстрагент, ступінь видалення.

Tetiana Obushenko Senior Lecturer Department of Inorganic Substances, Water Purification and General Chemical Technology, National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine

Nataliia Tolstopalova PhD, Associate Professor Department of Inorganic Substances, Water Purification and General Chemical Technology, National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine

Olga Sanginova PhD, Associate Professor Department of Inorganic Substances, Water Purification and General Chemical Technology, National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine

Mirra Tereshchenko Department of Inorganic Substances, Water Purification and General Chemical Technology, National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine

Removal of manganese ions from aqueous solutions

Abstract

Solvent sublation was proposed to remove manganese ions, sodium laurate and stearate were used as collectors. Isoamyl acetate served as an extractant. The following parameters affecting the degree of manganese removal from wastewater were studied: the initial concentration of manganese in the model solution, the molar ratio of the metal to the surfactant. The efficiency of the process is more than 90% at a metal-surfactant molar ratio of 1:3, a concentration of more than 150 mg/dm3, pH 5,6.

Keywords: solvent sublation, heavy metals, surfactant, extractant, degree of removal.

Вступ

Постановка проблеми. Очищення виробничих стічних вод від сполук важких металів є однією з найбільш важливих і складних проблем сьогодення. Незважаючи на величезну кількість вітчизняних та зарубіжних розробок, цю проблему не можна вважати вирішеною.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Відомо, що попадання важких металів зі стічними водами у водоймища призводить до накопичення даних сполук в організмі гідробіонтів, рослинної маси, що в подальшому може призводити до загибелі водних організмів, пригнічення рослинності, зниження біорізноманіття водойм, міграції іонів металів по харчових ланцюгах. Шкода, заподіяна населенню та народному господарству стічними водами, що містять важкі метали, робить знешкодження цих вод важливим завданням. Існуючі технології очищення стічних вод від іонів важких металів вкрай недосконали. Тому пошук та впровадження альтернативних методів, спрямованих на очищення стічних вод від іонів важких металів залишаються важливим завданням сьогодення. Одним з таких методів може бути флотоекстракція - метод який має низку переваг в порівнянні з іншими відомими флотаційними методами [1-2]. Особливістю даного процесу є спосіб вилучення малорозчинної речовини (сублату) шляхом концентрування його в шарі органічної рідини на поверхні водної фази [3-5]. Сублат повинен розчинятися в органічній фазі або утворювати суспензію, що утримується завдяки змочуванню [6-7]. На відміну від рідинної екстракції, кількість зібраного сублату в органічному шарі не залежить від його об'єму. Перенесення сублату в органічний шар зумовлено рухом потоку бульбашок газу. На жаль, не зважаючи на всі переваги флотоекстракції, цей метод очищення досі не набув широкого промислового застосування. Але описано багаточисельні результати експериментальних досліджень даного процесу [8-9], які свідчать про перспективність флотоекстракції для видалення іонів важких металів зі стічних вод.

Мета статті - дослідження можливості флотоекстракційного видалення іонів мангану з водних розчинів. Визначення параметрів флотоекстракції для ефективного перебігу процесу: природа екстрагенту та поверхневоактивної речовини, значення молярного співвідношення ПАР:Метал, температури.

Виклад основного матеріалу

Для дослідження флотоекстракції використовували установку, яка описана в наших попередніх роботах [10]. Азот з балону подавали у нижню частину флотоекстракційної колонки, витрату контролювали ротаметром. В нижній частині колонки знаходився фільтр Шотта для генерації бульбашек газу. Концентрація іонів мангану в модельних розчинах становила 20-150 мг/дм³. Об'єм розчину - 200 см³, об'єм екстрагенту (ізоамілацетат) - 15 см³. В якості поверхневоактивної речовини (ПАР) обрано лаурат (С12Н23СООК) та стеарат калію (С17Н35СООК). Процес флотоекстракції проводили до встановлення постійної залишкової концентрації іонів мангану, яку визначали фотометричним методом. Всі досліди виконано при рН 5,6. Ефективність процесу флотоекстракції оцінювали за ступенем видалення іонів мангану.

При внесенні лаурату калію у низько концентрований розчин (20 мг/дм³), що містить іони Mn+² відбувається утворення важкорозчинних часточок лаурату мангану. Новостворені частки легко флотуються у шар екстрагенту. Утворення сублату починається через 2-3 секунди після внесення у модельний розчин лаурату калію та прискорюється при перемішуванні і підігріванні системи до 25-38 ⁰С.

У класичному варіанті теорія ДЛФО розглядає процес коагуляції як результат спільної дії вандерваальсових сил притягання й електростатичних сил відштовхування між частками. Оскільки енергія відштовхування є зворотною функцією, окрім іншого концентрації часток у дисперсній фазі, зменшення їх концентрації сприяє збільшенню відштовхування й зменшує можливість зближення часток і відповідно коагуляції. Тому при зниженні концентрації нижче 50 мг/дм³ знижується ймовірність коагуляції (при концентраціях нижче 20 мг/дм³ агрегація часток у розчині взагалі не помітна), що й спричиняє падіння ступеня вилучення іонів мангану (рис. 1). Зі збільшенням вихідної концентрації іонів мангану ступінь видалення зростає і складає 60% для концентрації 150 мг/дм³.

Рис. 1. Залежність ступеня вилучення марганцю (Х) від його вихідної концент рації в розчині при пост ійному співвідношенні Mn²⁺: С12Н23СООК = 1:2.

флотоекстракційне видалення іон манган

На рис. 2 представлено залежність видалення іонів мангану від кількості обох ПАР (лаурату та стеарату калію). Найвищий ступінь видалення отримано для трьох молів ПАР на моль іонів мангану. При цьому співвідношенні для лаурату калію ступінь видалення склав 90,1%, а для стеарату калію - 62,3%.

Рис. 2. Вплив кількості ПАР на ступінь вилучення іонів мангану

З отриманих результатів видно, що за використання стеарату калія (рожева крива) неможливо досягти високих ступенів очищення. Це пояснюється тим, що стеарат калію має більш довший ланцюг і тому не такий рухливий, тому не повністю взаємодіє з іонами мангану за однакових умов проведення процесу флотоекстракції.

Було досліджено вплив на ефективність флотоекстракції способу утворення сублату:

- введення ПАР безпосередньо на дно колонки під шар органічного шару;

- введення ПАР у хімічний стакан з модельним розчином для агітації, а вже потім перенесення модельного розчину з утвореним сублатом у колонку (час - 10-15 хвилин);

- введення ПАР у хімічний стакан з модельним розчином і витримування на водяній бані-шейкері 10-15 хвилин при температурі 38 ⁰С з подальшим переносом модельного розчину разом з утвореним сублатом у колонку.

Рис. 3. Вплив різних умов утворення сублату на ступінь очищення

Порівнюючи отримані дані можна припустити наступне. Самий низький ступінь вилучення отримано при внесенні ПАР безпосередньо у колонку за рахунок флотації ПАР у органічний шар, тобто зменшується кількість реагентів (їх концентрація) тим самим зменшується коагуляція в системі. А також недостатньо часу для перебігу хімічної взаємодії між іоном мангану та ПАР, навіть при початковому, постійному, інтенсивному перемішуванні.

Попередньо внесення ПАР у модельний розчин для утворення сублату призводить до покращення результату очищення модельного розчину.

Найбільш високий ступінь очищення був отриманий при нагріванні модельного розчину з сублатом до флотоекстракції. Це пов'язано з більш глибоким протіканням реакції комплексоутворення, більш швидкою коагуляцією системи.

Висновки

Досліджено вплив на флотоекстракційне видалення іонів мангану деяких параметрів. Ефективність вище при збільшенні вихідної концентрації мангану, молярному співвідношенні ПАР:Мп²⁺ більше 3, попередньому внесенні ПАР в модельний розчин для утворення сублату та нагрівання до 38⁰С. Ці умови дозволяють видаляти вище 90 % іонів мангану.

Література

1. Lu, Y., Zhu, X. (2001). Solvent Sublation: Theory and Application. Separation and Purification Methods, 30 (2), 157-189. doi: https://doi.org/10.1081/spm-100108158

2. Bi, P., Dong, H., Dong, J. (2010). The recent progress of solvent sublation. Journal of Chromatography A, 1217 (16), 2716-2725. doi: https://doi.org/10.1016/_j.chroma.2009.11.020

3. Walkowiak, W. (2007). Ion flotation and solvent sublation of cobalt cyanide complexes. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 30 (1), 611-619. doi: https://doi.org/10.1002/jctb.503300180

4. Lu, Y. J., Liu, J. H., Xiong, Y., Zhu, X. H. (2003). Study of a mathematical model of metal ion complexes in solvent sublation. Journal of Colloid and Interface Science, 263 (1), 261-269. doi: https://doi.org/10.1016/s0021-9797(03)00192-9

5. Kim Y., Shin J., Lee W., Lee Y. (2001) Solvent sublation trace noble metals by formation of metal complexes with 2-mercaptobenzothiazole. Bulletin of the Korean Chemical Society, 22, 19-24.

6. Kim Y., Shin J., Choi Y., Lee W. (2003) Studies on solvent sublation of trace heavy metals by continuous flow system as ternary complexes of 1,10-phenanthroline and thiocyanate ion. Bulletin of the Korean Chemical Society, 24, 1775-1780.

7. Kim Y., Choi Y., Lee W., Lee Y. (2001) Determination of zinc and lead in water samples by solvent sublation using ion pairing of metal-naphthoate complexes and tetra-n-butylammonium ion. Bulletin of the Korean Chemical Society, 22, 821-826.

8. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Chyrieva, M. (2021). Removal of chromium (VI) ions from aqueous solutions. Technology Audit and Production Reserves, 5(3(61), 17-20. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.242811

9. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Baranuk, N. (2019). Investigation of solvent sublation of cobalt ions from water solutions. Technology Audit and Production Production Reserves, 2(3(46), 25-27. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.168744

10. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Bolielyi, O. (2017). The removal of heavy metal (Nickel) ions from waste waters. Water&Water Purification Technologies. Scientific and Technical News), 1(21), 24-30. https://ela.kpi.ua/handle/123456789/20308

References

1. Lu, Y., Zhu, X. (2001). Solvent Sublation: Theory and Application.Separation and Purification Methods, 30 (2), 157-189. doi: https://doi.org/10.1081/spm-100108158

2. Bi, P., Dong, H., Dong, J. (2010). The recent progress of solvent sublation. Journal of Chromatography A, 1217 (16), 2716-2725. doi: https://doi.org/10.1016Zj.chroma.2009.11.020

3. Walkowiak, W. (2007). Ion flotation and solvent sublation of cobalt cyanide complexes. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 30 (1), 611-619. doi: https://doi.org/10.1002/jctb.503300180

4. Lu, Y. J., Liu, J. H., Xiong, Y., Zhu, X. H. (2003). Study of a mathematical model of metal ion complexes in solvent sublation. Journal of Colloid and Interface Science, 263 (1), 261-269. doi: https://doi.org/10.1016/s0021 -9797(03)00192-9

5. Kim Y., Shin J., Lee W., Lee Y. (2001) Solvent sublation trace noble metals by formation of metal complexes with 2-mercaptobenzothiazole. Bulletin of the Korean Chemical Society, 22, 19-24.

6. Kim Y., Shin J., Choi Y., Lee W. (2003) Studies on solvent sublation of trace heavy metals by continuous flow system as ternary complexes of 1,10-phenanthroline and thiocyanate ion. Bulletin of the Korean Chemical Society, 24, 1775-1780.

7. Kim Y., Choi Y., Lee W., Lee Y. (2001) Determination of zinc and lead in water samples by solvent sublation using ion pairing of metal-naphthoate complexes and tetra-n-butylammonium ion. Bulletin of the Korean Chemical Society, 22, 821-826.

8. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Chyrieva, M. (2021). Removal of chromium (VI) ions from aqueous solutions. Technology Audit and Production Reserves, 5(3(61), 17-20. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2021.242811

9. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Baranuk, N. (2019). Investigation of solvent sublation of cobalt ions from water solutions. Technology Audit and Production Production Reserves, 2(3(46), 25-27. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.168744

10. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Bolielyi, O. (2017). The removal of heavy metal (Nickel) ions from waste waters. Water&Water Purification Technologies. Scientific and Technical News), 1(21), 24-30. https://ela.kpi.ua/handle/123456789/20308

Размещено на Allbest.ru