CC BY
32
УДК 544.6
А.В. Колесников, Е.Н. Гайдуков*, Д.Д. Раков
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, г. Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: engaydukov@gmail.com
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ СКАНДИЯ (III) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Аннотация
В работе исследован процесс электрохимической флотации труднорастворимых соединений скандия (3+) из слабосоленых систем, с концентрацией фона 0,1 - 10 г/л и Sc (3+) от 50 до 500 мг/л. Установлено, что процесс электрофлотации протекает эффективно, степень очистки выше 95% за 10 минут обработки. Изучено влияние поверхностно-активных веществ катионной, анионной и неионогенной природы.
Ключевые слова: экология, электрохимия, электрофлотация, скандий, сульфат, хлорид, нитрат, карбонат.
На сегодняшний день ведется устойчивый рост потребления и производства редкоземельных металлов (РЗМ). Объемы производства и потребления РЗМ в ведущих странах мира уже на протяжении нескольких десятилетий являются показателями экономического развития и национальной безопасности [1,2].
Скандий по свойствам значительно отличается от остальных РЗМ и примыкает к этой группе по историческим причинам.
РЗМ используют в самых разных областях современной техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике,
машиностроении, химической промышленности, в металлургии и т. д.
Республика Казахстан располагает
значительными запасами как собственного редкоземельного, так и РЗЭ-содержащего комплексного минерального сырья [1,2].
Анализ подготовленности месторождений редкоземельных элементов к промышленному освоению (степень изученности, эффективность разработанных технологий обогащения и гидрометаллургии) показывает, что перспективными в ближайшее время являются месторождения Кундыбай, Акбулак, Верхний Иргиз, Еспе и Каратау.
Россия обладает вполне конкурентоспособными месторождениями РЗМ. Уникальные Томторские руды в Якутии, а также Катугинское месторождение в Восточной Сибири обладают богатым спектром редких земель, эвдиалитовые руды Кольского полуострова — богатейший источник иттриевых РЗМ.
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. Изучено влияние хлоридов на ионную флотацию церия(Ш) и самария(Ш) [5]. Определены термодинамические свойства гидроксосоединений и механизм ионной флотации церия, европия и иттрия. [6]
флотация скандия (3+) растворах, из
Авторами были проведены работы, показывающие принципиальную возможность и высокую эффективность применения
электрофлотационной технологии для извлечения труднорастворимых соединений РЗМ на примере La и Nd, определено положительное влияние поверхностно-активных веществ различной природы и суспензии углеродных наноматериалов на адсорбционные свойства [7,8].
В данной работе внимание уделено электрохимической обработке модельных слабосолёных (разбавленных) водных сред различного химического состава.
Электрохимическая труднорастворимых соединений осуществлялась на модельных нитратных, сульфатных, хлоридных и карбонатных систем, с концентрацией фона 0,1 - 10 г/л и Sc (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 скандия определяли на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой Thermo Scientific XSeriesII - оборудовании Центра коллективного пользования имени Д. И. Менделеева.
Эффективность процесса извлечения
малорастворимых соединений Sc3+ из раствора оценивали по степени извлечения а (%).
Было исследовано, что максимальная степень извлечения достигается при рН=7 для растворов с каждым из фонов (карбонатный, сульфатный, нитратный, хлоридный). Зависимость степени извлечения скандия от рН среды показана на рисунке 1.
100
а.%
• Хл оридный фон
• Сульфатный фон Карбонатный фон
•Нитратный фон
рН
Рисунок 1. Влияние рН среды на эффективность извлечения труднорастворимых соединений скандия Со (Зс3") = 50 мг/л, С (фона) = 1 г/л, 1у = 0,4 А/л, время - 10 минут
Также установлено, что процесс протекает быстро лабораторных экспериментов, характеризующие и максимальная степень извлечения достигается уже интенсивность процесса извлечения скандия, через 10 минут. Полученные результаты проведённых представлены на рисунке 2.
■ Нитр атный фон
■ Хторидный фон
■ Сульфатный фон Карбонатный фон
Рисунок 2. Влияние фона на интенсивность извлечения труднорастворимых соединений скандия Со (Зс3+) = 50 мг/л, С (фона) = 1 г/л, Ту = 0,4 А/л, рН = 7
Из рисунка 2 видно, что в отсутствие добавок в растворах с нитратным, сульфатным, хлоридным фоном процесс протекает эффективно и интенсивно: степень извлечения скандия за 10 мин. - 93-98%. В случае с карбонатным фоном степень извлечения меньше.
Были проведены исследования влияния ПАВ и нанокомпонентной добавки на эффективность извлечения скандия из растворов. Полученные результаты показаны на рисунке 3.
100
I без добавки I катионный ПАВ анионный ПАВ I неионогенный ПАВ на покомпонентна я добавка
Сульфат Хлорид Карбонат Нитрат
Рисунок 3. Влияние добавок на эффективность извлечения труднорастворимых соединений скандия Со (8е3+) = 50 мг/л, С (фона) = 1 г/л, Ту = 0,4 А/л, рН = 7; время - 10 минут.
При введении в раствор добавок, таких, как катионный ПАВ, анионный ПАВ и нанокомпонентная добавка в сульфатном фоне степень извлечения падает до 20%. Неионогенный ПАВ не так сильно снижает эффективность процесса - степень извлечения 55%.
В хлоридном фоне катионный ПАВ, анионный ПАВ и неионогенный ПАВ особо не влияют на процесс, степень извлечения остается высокой: от 80 до 95%. При добавлении нанокомпонентной добавки эффективность процесса снижается до 16%.
В нитратном фоне катионный ПАВ и нанокомпонентная добавка подавляют извлечение скандия до 40-50%, неионогенный ПАВ до 75%, анионный ПАВ не влияет.
В карбонатном фоне без добавок степень извлечения скандия за 10 мин достигает 50%, при добавлении катионного или анионного ПАВ увеличивается до 75%.
Визуально при различных фонах и добавках в процессе электрофлотационного извлечения Бс3+ наблюдается образование пенного слоя бело-серебристого цвета. Во всех случаях при рН=7 и рН=8 пенный слой плотный, большой толщины. При рН=6 и рН=9 пенный слой либо не наблюдается, либо небольшой и неплотный. При добавлении ПАВ внешне пенный слой практически не изменяется, кроме экспериментов, когда использовали нанокомпонентную добавку - там он имеет серый цвет.
Эксперименты подтверждают целесообразность применения ЭФ как метода извлечения РЗМ, на примере Бе, как альтернативу классическим -осаждение, ионная флотация (пенная флотация, флотация с ПАВ), экстракция, фильтрация [9-11].
«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
Раков Дмитрий Дмитриевич студент кафедры Инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Гончаров В. А. Актуальные вопросы получения и применения РЗМ // Доклад на Международной научно-практической конференции, ОАО «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» (Москва, 21 октября 2014 г.)
2. Каблов Е.Н. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. - 2014. - №3. - С.8-13.
3. Найманбаев М.А., Бектурганов Н.С., Лохова Н.Г., Балтабекова Ж.А. Технологии и источники сырья для производства РЗЭ в Казахстане // Актуальные вопросы получения и применения РЗМ: Сб.материалов междунар.науч.-практич.конф. -М. :ОАО "Институт "ГИНЦВЕТМЕТ"2014 г. -С.24.
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., Джевага Н.В. Влияние хлоридов на ионную флотацию церия(Ш) и самария(Ш) // Журнал прикладной химии. - 2011. - Т. 84, № 2. - С.345-348.
6. 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.
7. Колесников В.А., Ильин В.И., Капустин Ю.И. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий - М.: Химия. 2007. - 307 с.
8. 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. 12731284.
9. Степанов С.И., Чекмарев А.М. Экстракция редких металлов солями четвертичных аммониевых оснований - М.: ИздАТ, 2004. - 347 с.
10. Левин Б.В. Фундаментальное долгосрочное изменение рынка редкоземельных элементов и новые возможности промышленного их получения из апатитового концентрата // Переработка и утилизация попутных фтористых соединений и извлечение редкоземельных металлов в производстве минеральных удобрений. Материалы Международного научно-практического семинара, ОАО «ИНСТИТУТ «НИУИФ» (Москва, 24 мая 2011 г.). - С. 94-124.
11. Юшина Т.И., Петров И.М., Гришаев С.И., Черный С.А. Анализ современных технологий переработки и обогащения редкоземельного сырья // Цветная металлургия. - №5. - 2014. - С.61-63.
Kolesnikov Artem Vladimirovich, Gaidukov Evgeny Nikolaevich*, Rakov Dmitry Dmitrievich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: engaydukov@gmail.com
FEATURES OF ELECTROFLOTAION EXTRACTION SCANDIUM (III) FROM AQUEOUS ELECTROLYTES
Abstract
In the research studied the process of electrochemical flotation of sparingly soluble compounds of scandium (3+) from low salted systems, with the background concentration of 0.1 - 10 g / l and Sc (3+) from 50 to 500 mg / l. Found that electroflotation process proceeds effectively. Efficiency of extraction above 95% in 10 minutes of treatment. The effect of surfactants of cationic, anionic and nonionic nature studied.
Keywords: ecology, electrochemistry, electroflotation, scandium, nitrate, chloride, sulfate, carbonate.
