Научная статья на тему 'ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАОЛИНА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ ЛАНТАНА'

ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАОЛИНА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ ЛАНТАНА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
5
1
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОРБЦИОННОЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ИОНОВ ЛАНТАНА / ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РУДЫ / МОДИФИЦИРОВАННЫЙ КАОЛИН

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Ильясова Р.Р., Камалова А.Ф., Массалимов И.А., Мустафин А.Г.

Статья посвящена изучению сорбционного извлечения ионов лантана частицами модифицированного каолина на основе природного глинистого минерала (Еленинское месторождение Челябинской области). Модифицирование каолина проводили путем обработки исходного материала раствором дигидропирофосфата натрия Na2H2P2O7. Показано, что модифицированный каолин проявляет высокую сорбционную эффективность по отношению к ионам лантана. Сорбционное извлечение ионов лантана изучено в статическом режиме. Экспериментально установлены оптимальные условия сорбции ионов лантана частицами модифицированного каолина: рН сорбции 5,0, температура 20 ° С, время достижения сорбционного равновесия 60 мин, соотношение массы сорбента к объему водного раствора солей La(III) 1 г на 100 мл водного раствора соли лантана. Показано, что ионы лантана сорбируются частицами модифицированного дигидропирофосфатом натрия Na2H2P2O7 каолина с высокой степенью извлечения до 92.1% при оптимальных условиях сорбции. Установлено, что сорбция ионов лантана частицами модифицированного каолина описывается моделью сорбции Лэнгмюра и протекает по мономолекулярному механизму. Простота и доступность технологического оформления процесса сорбционного извлечения ионов лантана, высокая эффективность сорбции при оптимальных условиях, краткий по временному фактору сорбционный процесс демонстрируют потенциал изученного подхода для сорбционного концентрирования следовых количеств ионов редкоземельных металлов, часто содержащихся в жидких отходах промышленных предприятий по добыче и переработке полиметаллических руд.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Ильясова Р.Р., Камалова А.Ф., Массалимов И.А., Мустафин А.Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF THE SORPTION PROPERTIES OF MODIFIED KAOLIN WITH RESPECT TO LANTHANUM IONS

The article is devoted to the study of the kinetics of sorption extraction of lanthanum ions by particles of modified kaolin based on natural material (Eleninskoye deposit, Chelyabinsk region). Kaolin was modified by treating the starting material with a solution of Na2H2P2O7. It is shown that modified kaolin exhibits high sorption efficiency with respect to lanthanum ions. The sorption extraction of lanthanum ions was studied in a static mode. The optimal conditions for the sorption of lanthanum ions by particles of modified kaolin were experimentally established: pH 5.0, temperature 20 °C, phase contact time 60 minutes, ratio of the mass of the sorbent to the volume of an aqueous solution of La(III) salts 1 gram per 100 ml of an aqueous solution of lanthanum salts, vibrating mixer rotation speed 50 rpm. It is shown that lanthanum ions are sorbed by particles of kaolin modified with Na2H2P2O7 with a high degree of extraction 92.1% in model solutions. It was established that the sorption of lanthanum ions by particles of modified kaolin is described by the Langmuir model and proceeds according to a monomolecular mechanism. The simplicity and accessibility of technological design of the process of sorption extraction of lanthanum ions, high efficiency of sorption under optimal conditions, and a short time factor of the sorption process demonstrate the potential of the studied approach for the sorption concentration of trace amounts of rare-earth metal ions, often contained in liquid waste of industrial enterprises that extract or process polymetallic ores.

Текст научной работы на тему «ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАОЛИНА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ ЛАНТАНА»

ISSN 1998-4812

287

раздел ХИМИЯ

УДК 543.054, 543.061, 543.062, 619:612.284(04) Б01: 10.33184/ЬиПейп-Ь5и-2022.2.6

ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО КАОЛИНА ПО ОТНОШЕНИЮ К ИОНАМ ЛАНТАНА

© Р. Р. Ильясова*, А. Ф. Качалова, И. А. Массалимов, А. Г. Мустафин

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел.: +7 (927) 315 55 71.

*Email: Ilyasova_R@mail.ru

Статья посвящена изучению сорбционного извлечения ионов лантана частицами модифицированного каолина на основе природного глинистого минерала (Еленинское месторождение Челябинской области). Модифицирование каолина проводили путем обработки исходного материала раствором дигидропирофосфата натрия Na2H2P2O^.

Показано, что модифицированный каолин проявляет высокую сорбционную эффективность по отношению к ионам лантана. Сорбционное извлечение ионов лантана изучено в статическом режиме. Экспериментально установлены оптимальные условия сорбции ионов лантана частицами модифицированного каолина: рН сорбции 5,0, температура 20 °С, время достижения сорбционного равновесия 60 мин, соотношение массы сорбента к объему водного раствора солей La(Ш) 1 г на 100 мл водного раствора соли лантана. Показано, что ионы лантана сорбируются частицами модифицированного дигидропирофосфатом натрия Na2Hp2O7 каолина с высокой степенью извлечения до 92.1 % при оптимальных условиях сорбции.

Установлено, что сорбция ионов лантана частицами модифицированного каолина описывается моделью сорбции Лэнгмюра и протекает по мономолекулярному механизму.

Простота и доступность технологического оформления процесса сорбционного извлечения ионов лантана, высокая эффективность сорбции при оптимальных условиях, краткий по временному фактору сорбционный процесс демонстрируют потенциал изученного подхода для сорбционного концентрирования следовых количеств ионов редкоземельных металлов, часто содержащихся в жидких отходах промышленных предприятий по добыче и переработке полиметаллических руд.

Ключевые слова: сорбционное концентрирование ионов лантана, полиметаллические руды, модифицированный каолин.

Известно, что металлы III B группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева благодаря своим специфическим физико-

Введение руд связана с образованием большого количества

жидких отходов, которые нередко содержат большое количество ионов редкоземельных металлов, включая лантан. В связи с этим актуальным становится вопрос о создании новых экологически чи-

химическим свойствам являются материалами, ко- стых, безотходных технологий добычи и перера-

торые широко используются в высокотехнологич- ботки полезных ископаемых, направленных на их

ных отраслях: космонавтике, атомной промышлен- более полное использование [4].

ности, радиоэлектр°нике, металлургии и т.д. С каж- Необходимо учесть, что максимальное извле-

дым годом спрос на редкоземельные металлы уве- чение ионов редкоземельных металлов возможно

личивается гастм^ что промышленность в только при использовании эффективных методов, в

настоящее время испытывает дефицит редкозе- частности, сорбционных с применением сорбентов

мельных металлов [1-3]. на неорганической или органической основе: мо-

Российская федерация занимает второе место дифицированных углей, пористых полимерных

в мире по запасам редкоземельных металлов (РЗМ), материалов, кремнеземов и т.д. [1-4].

однако большая часть РЗМ приобретается предпри- Сорбционные методы позволяют селективно

ятиями России и стран мира в Китае, который счи- извлекать органические и неорганические вещества

тается основным производителем редкоземельных в следовых количествах из многокомпонентных

металлов в последние годы. смесей благодаря возможности варьировать усло-

Лантан возглавляет семейство лантаноидов, вия сорбции. Преимущества сорбции - это просто-

содержится в литосфере около 2.9*10-3% по массе, та технологического оформления, а также возмож-

вместе с церием и неодимом относится к наиболее ность проводить непрерывно автоматизированный

распространенным, но рассеянным металлам, часто процесс. Однако известны и некоторые недостатки

содержится в небольшом количестве в полиметал- сорбционных методов: использующиеся сорбенты

лических рудах. Следует отметить, что промыш- не всегда обладают необходимой сорбционной эф-

ленная добыча и переработка полиметаллических фективностью, при этом требуются довольно высо-

кие затраты на поддержание процесса сорбции веществ. Поэтому разработка способа сорбционного концентрирования полезного металлического сырья из промышленных сточных вод с применением новых сорбентов актуальна является перспективной задачей современной химии [5].

Настоящая работа посвящена изучению эффективности сорбции лантана (+3) частицами каолина, модифицированного дигидропирофосфатом натрия №2И2Р2С>7, из модельных растворов. Установлены факторы, влияющие на сорбционное концентрирование ионов лантана из модельных растворов частицами модифицированного каолина.

Экспериментальная часть

Все реагенты, использованные в исследовании, были аналитической степени чистоты, поэтому использовались без предварительной очистки.

Размер частиц исходного (природного) каолина и модифицированного каолина определен на лазерном анализаторе 8ЛЬБ 7071 (Шимадзу, Япония).

Сорбция ионов Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина изучена в статическом режиме по методике [6]. Для проведения процесса сорбции в коническую колбу помещали сорбент и водный раствор нитрата лантана(Ш) в необходимом соотношении и перемешивали смесь в течение определенного времени. После проведения сорбции в фильтрате количественно определяли остаточную концентрацию изученных ионов лантана и проводили необходимые расчеты.

Степень извлечения Я (%) как основная характеристика эффективности сорбции рассчитана по формуле:

Я = (Со - С / Со) х 100%, где С0 и С - концентрации ионов лантана до и после сорбции, (моль/л).

Для количественного анализа ионов лантана в фильтрате использован атомно-абсорбционный метод анализа. Для приготовления водных растворов лантана использовали ГСО 7810-2000 ионов Ьа(Ш) с концентрацией 100 мкг/мл.

Результаты и их обсуждение

Каолин - это гидратированный алюмосиликат каолинита (глинистый материал) с общей формулой А120зхп8Ю2хтИ20, слоистый по структуре, химически инертный, безопасный, в водном растворе имеет, как правило, слабокислый или нейтральный водородный показатель (рН). Каолин широко используется в лакокрасочной промышленности как противокоррозионный агент, также используется в качестве сорбента для сорбционно-го извлечения радионуклидов в атомной промышленности. Активными сорбционными центрами на поверхности каолина являются гидроксильные группы [7-8].

Модифицированный каолин получали следующим образом: обрабатывали природный сорбент

каолин в виде порошка (Еленинское месторождение Челябинской области) 1М раствором дигидро-пирофосфата натрия Na2H2P2Ö7 при соотношении твердой и жидкой фаз 1:10. Солевую обработку сорбента проводили при механическом перемешивании смеси в течение 20 мин при комнатной температуре.

Измерение размеров частиц сорбента до и после солевой обработки показало, что существенного изменения размеров частиц не произошло, размер частиц каолина до и после обработки составил около от 5 до 10 мкм.

Для выбора оптимальных условий сорбции ионов лантана (III) из модельных растворов экспериментально установлены условия сорбционного извлечения La(III) частицами каолина: кислотность среды сорбции (рН), температура сорбции, время установления сорбционного равновесия, соотношение массы сорбента к объему водного раствора соли лантана (III).

Изучение эффективности сорбции ионов La(III) частицами модифицированного каолина начинали с установления оптимального значения кислотности среды сорбции (рН), т.к. концентрация протонов в растворе является важным фактором, определяющим равновесие подобных процессов. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость степени извлечения La(III) от рН

среды сорбции частицами модифицированного каолина при 20 °С

рН | R, %

3 71.4

5 90.1

7 62.5

9 17.2

11 5.7

Изучение влияния кислотности среды на сорбцию La(III) частицами исследуемого сорбента в интервале рН 3-11 показало, что максимальное извлечение ионов наблюдается в кислой среде при pH 5. При более низких или более высоких значениях рН наблюдалось уменьшение степени извлечения исследуемых ионов. В области низких рН сорбция La(III) уменьшается за счет конкурентной сорбции между ионами La(III) и Н®. С увеличением рН возрастает количество свободных сорбцион-ных центров на поверхности сорбента, что приводит к существенному росту степени извлечения La(III). В щелочной области рН происходит образование осадка La(OH)3.

Влияние температурного фактора на сорбци-онное извлечение исследуемых ионов показано в табл. 2. Видно, что оптимальной температурой сорбции является 20 °С. При этом с увеличением температуры сорбция ионов La(III) частицами сорбента уменьшается, что в соответствии с литературными данными свидетельствует о протекании физической обратимой сорбции, т. е. химическое взаимодействие между частицами сорбента и La(III) отсутствует.

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2022. Т. 27. №2

289

Таблица 2

Зависимость степени извлечения Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина от температуры сорбции

Т°С | %

15 24.7

20 89.6

40 78.2

60 70.3

80 28.5

Наряду с оптимальным значением рН и температурой сорбции важным фактором, влияющим на протекание процессов сорбции, является время установления сорбционного равновесия - время контакта фаз. Экспериментально установлено, что оптимальным значением времени установления равновесия сорбции ионов Ьа(Ш) является 60 мин (табл. 3).

Таблица 3

Зависимость степени извлечения Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина от времени установления сорбционного равновесия при 20 °С

' ^ мин | Ы, %

10 5.7

20 9.1

30 71.7

60 91.2

90 87.9

В табл. 4 показана зависимость степени извлечения Ьа(Ш) от соотношения массы сорбента к объему водного раствора соли Ьа(Ш). Экспериментально установлено, что оптимальным соотношением массы сорбента к водному раствору соли Ьа(Ш) является 1:100.

Таблица 4

Зависимость степени извлечения Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина от соотношения массы сорбента к объему водного раствора Ьа(Ш) при 20 °С

m/V, г/мл | R, %

1:25 60.5

1:50 72.1

1:100 92.1

1:200 86.5

В табл. 5 приведена зависимость степени извлечения Ьа(Ш) от скорости вращения вибромешалки (об/мин) при 20 °С. Как показали эксперименты, при минимальном значении скорости вращения вибромешалки 50 оборотов в минуту степень извлечения иона лантана частицами модифицированного каолина максимальная.

Таблица 5

Зависимость степени извлечения Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина от скорости вращения вибромешалки (оборотов в минуту) при 20 °С

V вращения мешалки, об./мин |_R, %

50 90.5

100 87.9

200 82.2

250 80.5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлены оптимальные условия сорбции лантана (III) частицами модифицированного 1М раствором дигидропирофосфата натрия Na2H2P2Ov каолина: рН 5,0 (кислая среда); температура 20 °С, время установления сорбционного равновесия 60 мин, соотношение массы сорбента к объему водных раствора соли La(III) 1:100, скорость вращения вибромешалки 50 оборотов в минуту.

Для установления механизма сорбции ионов лантана частицами модифицированного каолина получена изотерма сорбции (рис.).

С*102, мг/мл

Рис. Изотерма сорбции ионов Ьа(Ш) из водных растворов частицами модифицированного каолина при температуре 20 °С.

Видно, что по форме изотермы механизм сорбции ионов Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина мономолекулярный и соответствует изотермам сорбции Лэнгмюра - при невысокой концентрации La(III) в водном растворе наблюдается количественная сорбция, а при увеличении содержания изученных ионов изотерма сорбции выходит на насыщение.

При оптимальных условиях сорбции была получена степень извлечения ионов Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина, а также исходного природного каолина (табл. 6).

Таблица 6

Значения степени извлечения Ы (%) частицами

модифицированного и исходного (природного) каолина по отношению к ионам Ьа(Ш), (концентрация Ьа(Ш) 10-3 моль/л)

R, %

Ион металла Исходный каолин Модифицированный

каолин

La(III) 72.2 92.1

Как видно, по сравнению с исходным (природным) каолином сорбционные характеристики модифицированного 1М раствором дигидропиро-фосфата натрия №2И2Р2С7 каолина выше: степень извлечения модифицированного сорбента по отношению к ионам лантана увеличилась в 1. 3 раза по сравнению с исходным каолином. Возрастание эффективности сорбции модифицированного сорбента по отношению к ионам лантана по сравнению с исходным (природным) каолином, вероятно, связа-

но с увеличением активных центров на поверхности исходного сорбента за счет групп, содержащих фосфор, после солевой обработки исходного материала.

Полученные результаты свидетельствуют об эффективности сорбции модифицированного 1М раствором дигидропирофосфата натрия №2НР207 каолина по отношению к ионам лантана.

Выводы

1. Исследована сорбция ионов Ьа(Ш) частицами модифицированного 1М раствором дигидропи-рофосфата натрия №2Н2?207 каолина.

2. Установлено, что предварительная обработка исходного (природного) каолина 1М раствором дигидропирофосфата натрия №2Н2?207 оказывает положительное влияние на степень извлечения Ьа(Ш). Показано, что солевая обработка исходного (природного) каолина способствует увеличению сорбционной активности модифицированного сорбента по отношению к ионам Ьа(Ш).

3. Показано, что сорбция ионов Ьа(Ш) частицами модифицированного каолина описывается моделью Лэнгмюра и механизм сорбции мономолекулярный.

4. Установлены оптимальные условия сорбции, позволяющие достичь высокой сорбционной активности модифицированного каолина по отношению к ионам лантана: рН 5,0; время контакта фаз 60 мин., температура 20 оС, соотношение массы сорбента к объему водного раствора соли 1 г на

100 мл, скорость вращения вибромешалки 50 оборотов в минуту.

Таким образом, модифицированный 1М раствором дигидропирофосфата натрия Na2H2p2O7 каолин можно рекомендовать в качестве эффективного сорбента для сорбционного извлечения ионов La(III) из промышленных сточных вод предприятий по добыче и переработке полиметаллических руд.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черемисина О. В. Опытно-промышленная установка для извлечения редкоземельных металлов // Цветные металлы. 2009. №10. С. 47-52.

2. Гимаева А. Р., Валинурова Э. Р., Игдавлетова Д. К., Куда-шева Ф. Х. Сорбция ионов тяжелых металлов из воды активированными углеродными адсорбентами // Сорбцион-ные и хроматографические процессы. 2011. Т. 11. Вып. 3. С. 351-356.

3. Ильясова Р. Р., Силантьева Ю. В., Массалимов И. А., Му-стафин А. Г. Изучение влияния степени дисперсности вермикулита на его сорбционные свойства по отношению к ионам Си (II) и Cd (II) // Вестник Башкирского университета. 2018. №4. Т. 23. С. 1068-1073.

4. Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия. М.: Академа, 2014.

5. Дубинин М. М. Физико-химические основы сорбционной техники. М.: Наука, 2017. 450 с.

6. Практикум по общей химии / под ред. В. А. Бобкова и др. М.: Высшая школа, 2001.

7. Милютин В. В., Гелис В. М., Некрасова Н. А., Кононенко О. А., Везенцев А. И., Воловичева Н. А., Королькова С. В. Сорбция радионуклидов Cs, Sr, U, Pu на природных и модифицированных глинах // Радиохимия. 2012. Т. 54. №1. С. 71-74.

8. Кузнецов Ю. В., Щебетковский В. Н., Трусов А. Г. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. М.: Атомиздат, 2004. С. 366.

Поступила в редакцию 16.04.2022 г.

ISSN 1998-4812

BecTHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2022. T. 27. №2

291

DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2022.2.6

STUDY OF THE SORPTION PROPERTIES OF MODIFIED KAOLIN WITH RESPECT TO LANTHANUM IONS

© R. R. Ilyasova*, A. F. Kamalova, I. A. Massalimov, A. G. Mustafin

Bashkir State University 32 Zaki Validi Street, 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (927) 315 55 71.

*Email: ilyasova_r@mail.ru

The article is devoted to the study of the kinetics of sorption extraction of lanthanum ions by particles of modified kaolin based on natural material (Eleninskoye deposit, Chelyabinsk region). Kaolin was modified by treating the starting material with a solution of Na2H2P2O7. It is shown that modified kaolin exhibits high sorption efficiency with respect to lanthanum ions. The sorption extraction of lanthanum ions was studied in a static mode. The optimal conditions for the sorption of lanthanum ions by particles of modified kaolin were experimentally established: pH 5.0, temperature 20 °C, phase contact time 60 minutes, ratio of the mass of the sorbent to the volume of an aqueous solution of La(III) salts 1 gram per 100 ml of an aqueous solution of lanthanum salts, vibrating mixer rotation speed 50 rpm. It is shown that lanthanum ions are sorbed by particles of kaolin modified with Na2H2P2O7 with a high degree of extraction 92.1% in model solutions. It was established that the sorption of lanthanum ions by particles of modified kaolin is described by the Langmuir model and proceeds according to a monomolecular mechanism. The simplicity and accessibility of technological design of the process of sorption extraction of lanthanum ions, high efficiency of sorption under optimal conditions, and a short time factor of the sorption process demonstrate the potential of the studied approach for the sorption concentration of trace amounts of rare-earth metal ions, often contained in liquid waste of industrial enterprises that extract or process polymetallic ores.

Keywords: sorption concentration of lanthanum ions, polymetallic ores, modified kaolin.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Cheremisina O. V. Tsvetnye metally. 2009. No. 10. Pp. 47-52.

2. Gimaeva A. R., Valinurova E. R., Igdavletova D. K., Kudasheva F. Kh. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2011. Vol. 11. No. 3. Pp. 351-356.

3. Il'yasova R. R., Silant'eva Yu. V., Massalimov I. A., Mustafin A. G. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2018. No. 4. Vol. 23. Pp. 1068-1073.

4. Tret'yakov Yu. D. Neorganicheskaya khimiya [Inorganic chemistry]. Moscow: Akadema, 2014.

5. Dubinin M. M. Fiziko-khimicheskie osnovy sorbtsionnoi tekhniki [Physicochemical bases of sorption technology]. Moscow: Nauka, 2017.

6. Praktikum po obshchei khimii [Workshop on general chemistry]. Ed. V. A. Bobkova i dr. Moscow: Vysshaya shkola, 2001.

7. Milyutin V. V., Gelis V. M., Nekrasova N. A., Kononenko O. A., Vezentsev A. I., Volovicheva N. A., Korol'kova S. V. Radiokhimiya. 2012. Vol. 54. No. 1. Pp. 71-74.

8. Kuznetsov Yu. V., Shchebetkovskii V. N., Trusov A. G. Os-novy ochistki vody ot radioaktivnykh zagryaznenii [Fundamentals of water purification from radioactive contamination]. Moscow: Atomizdat, 2004. Pp. 366.

Received 16.04.2022.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.