CC BY
5
УДК 66.087.4
Мошкина Д.С., Гайдукова А.М., Колесников В.А.
ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ МАЛОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕДИ В ПРИСУТСТВИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Мошкина Дарья Сергеевна магистр 1 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: s-elektra1@,yandex.ru
Гайдукова Анастасия Михайловна к.т.н., научный сотрудник кафедры «Технология неорганических веществ и электрохимических процессов»
Колесников Владимир Александрович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология неорганических веществ и электрохимических процессов»;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Были проведены экспериментальные исследования по извлечению малорастворимых соединений меди в присутствии комплексообразователя тартрат-иона и органических добавок (Zestron и Vigon), используемых на производстве печатных плат. Установлено, что при рН = 9 максимальная степень извлечения комплексных соединений меди не превышает 12% после 20 мин электрофлотации. Однако, присутствие в растворе смывки Vigon позволяет повысить степень извлечения соединений меди в 2 раза (a(Cu2+) = 25 %). Установлено, что максимальная степень извлечения меди из тартратных систем достигается при введении в раствор 0,2 г/л СептаПАВ (a(Cu2+) = 89 % при т = 20 мин), а органические добавки Zestron и Vigon способствуют подавлению процесса электрофлотационного извлечения соединений меди.
Ключевые слова: электрофлотация, комплексные соединения меди, тартрат-ион, печатные платы, органические смывки
ELECTROFLOTATION EXTRACTION OF POORLY SOLUBE COPPER COMPOUNDS IN THE PRESENCE OF ORGANIC COMPLEXING AGENTS
Moshkina D.S., Gaydukova A.M., Kolesnikov V.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In the course of the work a number of experimental examinations were carried out, concerning the extraction of poorly soluble copper compound in the presence of complexing agent tartrate-ion and of the organic additives (Zestron и Vigon), which are used in the PCB production. It was established that at рН = 9 the maximum degree of the copper compounds extraction doesn't exceed 12% after 20 minutes of electroflotation. Nevertheless, the presence of cleaning agents Vigon in the solution permits to increase the efficiency of the process by 2 times (a(Cu2+) = 25 %). It was also established that the maximum degree of extraction of copper from tartrate systems is reached by adding 0,2 g/l Septapav (a(Cu2+) = 89% at т = 20 min) to the solution, and organic additives Zestron и Vigon contribute to the suppression of the electroflotation extraction of copper compound.
Keywords: electroflotation, complex copper compounds, tartrat ion, circuit boards, cleaning agents
В настоящее время актуальной проблемой промышленных предприятий является загрязнение окружающей среды токсичными отходами сточных вод. Гальванические цеха, имеющиеся почти на всех машиностроительных и приборостроительных предприятиях, а также горнодобывающая промышленность являются основными источникам появления ионов меди и ее соединений в сточных водах. Проблемы совершенствования технологий нанесения гальванических покрытий с целью минимизации отходов, а также создание современных экономических и экологических способов очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов стоят очень остро [1].
Нанесение медных покрытий химическим способом является неотъемлемой частью производства печатных плат. Использование для этой цели водных тартратно-трилонатных электролитов позволяет соединить достоинства
трилонатных и тартратных растворов: высокую скорость металлизации, низкую шероховатость и большую толщину покрытий, стабильность раствора. Недостатком промышленного
использования тартратно-трилонатных растворов являются большие объемы жидких отходов в виде отработанных электролитов и промывочных растворов [2]. Так как ПДК меди составляет всего 1 мг/л [3], то такой концентрации при очистке стоков химического меднения очень сложно достичь, так как в данных сточных водах ионы меди прочно связаны в комплексы с различными лигандами. Одним из наиболее перспективных методов извлечения малорастворимых соединений различных металлов, в том числе и меди, является электрофлотация.
В настоящее время электрофлотация, как один из наиболее эффективных и прогрессивных методов, получила развитие в технологии очистки воды.
Сущность этого процесса заключается в образовании при пропускании постоянного электрического тока через водный раствор мелкодисперсных пузырьков газа (водорода и кислорода), равномерно распределяемых в объеме обрабатываемой воды. Газовые пузырьки, поднимаясь вверх, сталкиваются с дисперсными частицами загрязнений, прилипают к ним и затем поднимают их на поверхность воды, образуя устойчивый пенный слой - флотошлам. Сюда же выносятся отдельные растворимые загрязнения, физически адсорбирующиеся на дисперсных частицах [2].
Помимо ионов цветных и тяжелых металлов стоки примышленных предприятий могут также содержать различные органические добавки, которые могут оказывать влияние на эффективность электрофлотационного процесса.
В данной работе был исследован процесс электрофлотационного извлечения соединений меди из растворов, содержащих комплексообразователь (тартрат-ион) и органические добавки, применяемые в производстве печатных плат (2е8й"оп и Ущоп).
Исследования проводили в водных растворах СиБ04, с концентрацией по ионам меди 50 мг/л в присутствии ККаС4Н406^4Н20 с мольным соотношением М : Ь равным 1 : 1 при комнатной
Из экспериментальных данных видно, что в отсутствии тартрат-иона при значениях рН = 7 - 12 наблюдается минимальная остаточная концентрация ионов меди в растворе. Также следует отметить, что органическая смывка Zestron не оказывает существенного влияния на процесс образования дисперсной фазы.
Установлено, что после фильтрации остаточная концентрация ионов меди в растворе, содержащем тартрат-ионы и органические добавки, существенно не отличается от исходной концентрации. Можно предположить, что частицы малорастворимых комплексных соединений меди настолько малы, что не задерживаются на фильтре.
В таблице 2 представлены результаты исследований процесса сорбции растворов, содержащих ионы меди и органические добавки, на активированных углях.
температуре (20±2 0С) в стеклянном непроточном электрофлотаторе с площадью поперечного сечения аппарата 10 см2 и объёмом 500 мл. Электродный блок электрофлотатора состоял из оксидного рутениево-титанового анода (ОРТА) и катода в виде сетки из нержавеющей стали. Объемная плотность тока в аппарате не превышала 0,4 А/л.
Эффективность процесса извлечения ионов Си2+ из раствора оценивали по степени извлечения а (%). Степень извлечения рассчитывали как отношение разности исходной (сисх, мг/л) и конечной (скон, мг/л) концентрации ионов меди в растворе к исходной концентрации ионов меди (уравнение 1):
а = [(сисх - скон)/сисх]-100%. (1)
Массовую концентрацию меди измеряли по стандартизованной методике на спектрометре СФ-2000.
Одним из основных критериев проведения процесса является выбор рН среды, при котором наблюдается минимальная растворимость частиц дисперсной фазы, что способствует максимально полному извлечению ионов металлов из сточных вод. Поэтому первоначально было исследовано влияние рН на процесс образования дисперсной фазы. В таблице 1 показана зависимость остаточной концентрации ионов меди в фильтрате от рН раствора.
Таблица 2. Влияние смывок Тезкой и Vigon на степень извлечения меди и значения ХПК в тартратных системах после процесса адсорбции_
Процесс сорбции растворов Си : Т = 1 : 1, содержащих добавки:
Показатель Без 0,5 мл/л ЕеБ^оп 2 мл/л 0,5 мл/л
добавок ЕеБ^оп
Степень
извлечения 14 5 4 2
меди а, %
Степень
извлечения
органических - 14 11 8
примесеи а, %
Условия эксперимента: сисх(Си +) = 50 мг/л, т = 30 мин, рН = 9, с(угля) = 100 мг/л
Таблица 1. Зависимость остаточной концентрации ионов меди от рН раствора после фильтрации
рН Остаточная концентрация ионов меди (сост, мг/л) из растворов:
СиБ04 СиБ04 + 0,5 мл/л Zestron СиЬ СиЬ + 0,5 мл/л Zestron СиЬ + 0,5 мл/л Vigon
5 42 39 46 48 43
6 39 37 45 47 48
7 3 2 47 48 46
8 7 4 46,5 47 48
9 6 4 46 47 47
10 3 3 47 45 47
11 3 3 43 43 46
12 2 1 43 48 47
Условия эксперимента: сисх (Си2+) = 50 мг/л
Из экспериментальных данных видно, что степень извлечения соединений меди и органических добавок после сорбции не превышает 14 %. Можно предположить, что для повышения эффективности процесса сорбции необходимо значительно увеличить концентрацию угля.
Также был исследован процесс
электрофлотационного извлечения соединений меди из водных растворов, содержащих тартрат-ион и органические добавки. Экспериментальные данные приведены в таблице 3.
Таблица 3. Зависимость степени извлечения соединений меди из тартратных систем (Cu : Т = 1 : 1) от продолжительности процесса электрофлотации в
Степень извлечения
Водный раствор соединений меди аЭФ,%
5 мин 10 мин 20 мин
Без добавок 9 9 12
0,25 мл/л Zestron 2 6 7
0,5 мл/л Zestron 3 9 12
2 мл/л Zestron 4 8 11
0,5 мл/л Vigon 13 24 25
1 мл/л Vigon 14 21 24
Условия эксперимента: сисх(Си +) = 50 мг/л, т = 20 мин, рН = 9,1Г = 0,4 А/л.
Установлено, что при рН = 9 максимальная степень извлечения комплексных соединений меди не превышает 12% после 20 мин электрофлотации. Следует отметить, что введение в раствор органической добавки 2е8й"оп и увеличение ее концентрации существенно не влияет на эффективность процесса. Однако, присутствие в растворе смывки Ущоп позволяет повысить степень извлечения соединений меди в 2 раза (а(Си2+) = 25 %).
Из литературных данных известно, что введение в раствор ПАВ приводит к росту эффективности электрофлотационного процесса. Поэтому далее было исследовано влияние катионного поверхностно-активного вещества СептаПАВ на степень извлечения комплексных соединений меди (таблица 4).
Из экспериментальных данных видно, что при добавлении 200 мг/л катионного поверхностно-активного вещества степень извлечения комплексных соединений меди значительно возрастает (а(Си ) = 89 % при т = 20 мин). Также
установлено, что в присутствии органических добавок 0,5 мл/л Zestron и Vigon эффективность электрофлотационного извлечения соединений меди падает.
Таблица 4. Зависимость степени извлечения соединений меди из тартратных систем (Cu : Т = 1 : 1) от продолжительности процесса электрофлотации в
Степень извлечения
Водный раствор соединений меди аЭФ,%
5 мин 10 мин 20 мин
Без добавок 9 9 12
0,2 г/л СептаПАВ 76 84 89
0,5 мл/л 2е5Ц"оп 52 55 57
0,2 г/л СептаПАВ
0,5 мл/л 0,2 г/л СептаПАВ 48 52 54
Условия эксперимента: ^^Cu2*) = 50 мг/л, т = 20 мин, рН = 9, IV = 0,4А/л
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных установлено, что природа дисперсной фазы оказывает существенное влияние на эффективность очистки. Максимальная степень извлечения меди из тартратных систем достигается при введении в раствор 0,2 г/л СептаПАВ. Органические добавки Zestron и Vigon, используемые в производстве печатных плат, способствуют подавлению процесса
электрофлотационного извлечения соединений меди.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0169 от 26 сентября 2017 г., уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI5 7417X0169.
Список литературы
1. С.С. Виноградов. Экологически безопасное гальваническое производство./ Под. Ред. Проф. Кудрявцева.-М.:ПИП «Глобус», 1998.-302 с.
2. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий/ В.А. Колесников, В.И. Ильин, Ю.И. Капустин и др.: Под ред. В.А. Колесникова. - М.: Химия, 2007. - 304 с.
3. ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде, водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
