CC BY
21
УДК 544.6
А.В. Колесников, Е.Н. Гайдуков*, Д.А. Смолькин
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, г. Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: engaydukov@gmail.com
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЛАНТАНА (III) ИЗ ВОДНЫХ СРЕД
Аннотация
В работе исследован процесс электрохимической флотации труднорастворимых соединений лантана (3+) из слабосоленых систем, с концентрацией фона 0,1 - 10 г/л и La (3+) от 50 до 500 мг/л. Установлено, что процесс электрофлотации протекает эффективно, степень очистки выше 90% за 10 минут обработки. Изучено влияние поверхностно-активных веществ катионной, анионной и неионогенной природы.
Ключевые слова: экология, электрохимия, электрофлотация, лантан, нитрат, сульфат, карбонат.
В настоящее время в соответствии с требованиями научно-технического прогресса сохраняется устойчивый рост потребления и производства редкоземельных элементов (РЗЭ). Объемы производства и потребления РЗЭ в промышленно развитых странах мира уже на протяжении нескольких десятилетий являются показателями экономического развития и национальной безопасности. Поэтому возрождение российского производства РЗЭ - одна из важнейших задач современной экономики [1-2].
Области применения редкоземельных элементов весьма разнообразны. Редкие земли играют ключевую роль в производстве материалов для таких сфер, как: электронная и электрооптическая отрасли, информационные технологии, биомедицина, охрана окружающей среды, энергосбережение. При этом они используются в производстве люминофоров, промышленной керамики, катализаторов для нефтеперерабатывающей и автомобильной промышленности, сверхпроводников, постоянных магнитов, высококачественного стекла, волоконной оптики, кислородных сенсоров, лазеров, аккумуляторных батарей с длительным сроком эксплуатации для электромобилей, кино- и фотоаппаратуры. Кроме того, редкие земли находят широкое применение в традиционных сферах потребления, в частности, металлургии [3].
В работе [4] описаны ионная флотация лантана(Ш) и гольмия(Ш) из нитратных и нитратно -хлоридных сред, в.т.ч. в присутствии анионного ПАВ - додецилсульфат натрия. Определены термодинамические свойства гидроксосоединений и механизм ионной флотации церия, европия и иттрия.
[5]
Успешно зарекомендовавшим себя методом извлечения дисперсной фазы цветных и тяжёлых металлов, является электрофлотация (ЭФ) [6].
Авторами были проведены работы [7] показывающие принципиальную возможность и высокую эффективность применения
электрофлотационной технологии для извлечения
флотация лантана (3+) растворах, из
труднорастворимых соединений РЗЭ на примере Nd и La, определено положительное влияние поверхностно-активных веществ различной природы и углеродных наноматериалов.
В данной работе внимание уделено электрохимической обработке модельных слабосолёных (разбавленных) водных сред различного химического состава.
Электрохимическая труднорастворимых соединений осуществлялась на модельных нитратных, сульфатных и карбонатных систем, с концентрацией фона 0,1 - 1,0 г/л и La (3+) 50 - 500 мг/л.
Исследования по извлечению проводили при комнатной температуре (20±2 0С) в стеклянном непроточном электрофлотаторе объёмом 500 мл. с площадью поперечного сечения аппарата 10 см2 с электродным блоком, включающим пластинчатый оксидный рутениево - титановый анод (ОРТА) и катод в виде сетки из нержавеющей стали при значении объемной плотности тока - 0,2 - 0,4 А/л. задаваемой источником постоянного тока Б5-80/1.
Концентрацию лантана (3+) определяли на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой Thermo Scientific XSeriesn - оборудовании Центра коллективного пользования имени Д. И. Менделеева.
Эффективность процесса извлечения
малорастворимых соединений La (3+) из раствора оценивали по степени извлечения а (%).
Было исследовано, что максимальная степень извлечения достигается при рН=10 для растворов с каждым из фонов (карбонатный, сульфатный, нитратный). Зависимость степени извлечения лантана от рН среды показана на рисунке 1.
Также было установлено, что процесс протекает быстро и максимальная степень извлечения достигается уже через 5-10 минут. Полученные результаты проведённых лабораторных
экспериментов, характеризующие интенсивность процесса извлечения лантана для различных фонов, представлены на рисунке 2.
- Сульфатный фон
- Карб статный фон ■ Нитр атный фон
рн
Рисунок 1. Влияние рН среды на эффективность извлечения труднорастворимых соединений лантана Со (Ьа3+) = 50 мг/л, С (фона) = 1 г/л, Ту = 0,4 А/л, время - 10 минут
- Нитратный фон
- Сульфатный фон -Карбонатный фон
Рисунок 2. Влияние фона на кинетику извлечения труднорастворимых соединений лантана Со (Ьа*+) = 50 мг/л, С (фона) = 1 г/л, Ту = 0,4 А/л, рН = 10
Из рисунка 2 видно, что в отсутствие добавок в растворах с нитратным и сульфатным фонами процесс протекает интенсивно и достаточно эффективно: степень извлечения лантана за 5 минут превышает 80% при сульфатном фоне и 50% при нитратном фоне.
В случае с карбонатным фоном степень извлечения невысока. Снижение степени извлечения
на 10 минутах и далее при сульфатном и нитратном фоне объясняется низкой устойчивостью пенного слоя и непроточностью лабораторной электрофлотационной установки.
Были проведены исследования влияния ПАВ на эффективность извлечения лантана из растворов. Полученные результаты показаны на рисунке 3.
I без добавки I катионный ПАВ анионный ПАВ неионогенный ПАВ
Нитрат Сульфат Кар&онагт
Рисунок 3. Влияние состава раствора и добавок ПАВ на эффективность извлечения труднорастворимых соединений
лантана
Со (Ьа3+) = 50 мг/л, С (фона) = 1 г/л, Ту = 0,4 А/л, рН = 9,5 - 10,5; время - 10 минут.
Из рисунка 3 видно, что присутствие добавок, таких, как неионогенный ПАВ, анионный ПАВ и катионный ПАВ в растворах с нитратным фоном значительно улучшают процесс электрофлотации Ьа3+: степень извлечения (96%, 93%, 97%).
Введение катионного и анионного ПАВ в условиях сульфатного фона увеличивает степень извлечения до 94 и 96% соответственно.
Визуально при различных фонах и добавках в процессе электрофлотационного извлечения Ьа3+ наблюдается образование пенного слоя белого цвета. В условиях сульфатного фона пенный слой достаточно большой толщины и плотный при рН=7-11, в условиях нитратного при рН=9-11. При карбонатном фоне пенный слой во всем диапазоне рН рыхлый и маленькой толщины. При добавлении ПАВ пенный слой становится плотнее и более
насыщенного цвета (за исключением карбонатных систем). В экспериментах, когда использовали нанокомпонентную добавку, пенный слой имеет серый цвет. Добавление ПАВ позволяет предотвратить его разрушение поднимающимися пузырьками кислорода и водорода.
Эксперименты подтверждают целесообразность применения ЭФ как метода извлечения РЗЭ, на примере Ьа, в качестве альтернативы классическим -отстаивание, осаждение, ионная флотация (пенная флотация, флотация с ПАВ), экстракция, фильтрация [8-9].
«Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 14-2900194)»; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева.
Колесников Артем Владимирович к.т.н, с.н.с., Технопарк Экохимбизнес 2000+ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Гайдуков Евгений Николаевич аспирант кафедры ТЭП РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва Смолькин Дмитрий Александрович студент кафедры ТЭП РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Тананаев И.Г., Сарычев Г.А. Озерский технологический институт НИЯУ (МИФИ) - ОАО «ВНИИХТ» // Радиохимия и радиохимическая технология: прошлое, настоящее и будущее» Всерос. молодеж. конф. (Москва, 25 мая 2012 г.)
2. http://www.nur.kz/243877.html (дата обращения: 19.02.2015)
3. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и высоких технологий будущего // Электронный научный журнал "ТРУДЫ ВИАМ". - 2013. №2.
4. Чиркст Д.Э., Лобачева О.Л., Джевага Н.В. Ионная флотация лантана(Ш) и гольмия(Ш) из нитратных и нитратно - хлоридных сред // Журнал прикладной химии. - 2012. - Т. 85, № 1. - С.28-31.
5. Чиркст Д.Э., Лобачева О.Л., Берлинский И.В., Сулимова М.И. Термодинамические свойства гидроксосоединений и механизм ионной флотации церия, европия и иттрия. // Журнал физической химии. - 2009. - Том 83, № 12. - С.2221-2226.
6. Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий - М.: Химия. 2007. - 307 с.
7. Younis A., Kolesnikov A.V., Desyatov A.V. / Efficient removal of La(III) and Nd(III) from aqueous solutions using carbon nanoparticles // American Journal of Analytical Chemistry - Vol.5, № 17. - p. 1273-1284.
8. Вершкова Ю.А. Извлечение редкоземельных элементов методом ионной флотации при азотнокислой переработке апатита: Автореф. дис. канд. техн .наук. — Апатиты, 2000. — 28 с.
9. Самонов А.Е. Перспективы развития производства и потребления редкоземельной продукции в России // Материалы Всероссийской научной конференции. - 2008. — С. 134—138.
Kolesnikov Artem Vladimirovich, GaidukovEvgeny Nikolaevich*, Smol'kinDmitryAleksandrovich D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: engaydukov@gmail.com
ELECTROFLOTATION EXTRACTION LANTHANUM (III) FROM AQUEOUS SOLUTIONS
Abstract
In the research studied the process of electrochemical flotation of sparingly soluble compounds of lanthanum (3+) from low salted systems, with the background concentration of 0.1 - 10 g / l and La (3+) from 50 to 500 mg / l. Found that electroflotation process proceeds effectively, efficiency of extraction above 90% in 10 minutes of treatment. The effect of surfactants of cationic, anionic and nonionic nature studied.
Keywords: ecology, electrochemistry, electroflotation, lanthanum, nitrate, sulfate, carbonate.
