Научная статья на тему 'Селективное извлечение тяжелых металлов из гальванических шламов комплексонами'

Селективное извлечение тяжелых металлов из гальванических шламов комплексонами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
264
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
гальванический шлам / ион металла / пирокатехин / фенантролин / нитрилотриметиленфосфоновая кислота / этилендиаминтетрауксусная кислота / комплекс / Galvanic sludge / Metal ion / pyrocatechin / phenantrolin / nitrilotrimethylenphosphonic acid / Ethylenediaminetetraacetic acid / complex

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Бузаева Мария Владимировна, Завальцева Ольга Александровна, Булыжев Евгений Михайлович, Гусева Ирина Тимуровна, Климов Евгений Семёнович

Рассмотрено извлечение меди, никеля, цинка, хрома из гальванических шламов с помощью комплексонов: пирокатехиа, фенантролина, этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), нитрилотриметиленфосфоновой кислоты (НТФ). Степень извлечения металлов составляет 36 88 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Бузаева Мария Владимировна, Завальцева Ольга Александровна, Булыжев Евгений Михайлович, Гусева Ирина Тимуровна, Климов Евгений Семёнович

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

Extraction of copper, nickel, zinc, chrome from galvanic sludges with the complexones pyrocatechin, phenantrolin, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), nitrilotrimethylenphosphonic acid (NTF) is considered. Degree of metals extraction is 36 88 %.

Текст научной работы на тему «Селективное извлечение тяжелых металлов из гальванических шламов комплексонами»

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ

УДК 621.37:39.002.68

СЕЛЕКТИВНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ШЛАМОВ КОМПЛЕКСОНАМИ

© 2011 г. М.В. Бузаева, О.А. Завальцева, Е.М. Булыжев, И.Т. Гусева, Е.С. Климов

Ульяновский государственный технический университет

Ulyanovsk State Technical University

Рассмотрено извлечение меди, никеля, цинка, хрома из гальванических шламов с помощью комплектное: пирокатехиа, фенантролина, этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), нитрилотримети-ленфосфоновой кислоты (НТФ). Степень извлечения металлов составляет 36 - 88 %.

Ключевые слова: гальванический шлам; ион металла; пирокатехин; фенантролин; нитрилотриметиленфосфоно-вая кислота; этилендиаминтетрауксусная кислота; комплекс.

Extraction of copper, nickel, zinc, chrome from galvanic sludges with the complexones pyrocatechin, phenantrolin, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), nitrilotrimethylenphosphonic acid (NTF) is considered. Degree of metals extraction is 36 - 88 %.

Keywords: galvanic sludge; metal ion; pyrocatechin; phenantrolin; nitrilotrimethylenphosphonic acid; ethylenediaminetetraacetic acid; complex.

Гальваническое производство предприятий машиностроения потребляет огромное количество воды, которая после проведения технологических процессов загрязнена. Ионы тяжелых металлов из сточных вод обычно стабилизируются в виде осадков сточных вод - гальванических шламов (ГШ), представляющих собой опасные отходы. Для снижения их экологической опасности разработана технология ферритизации ГШ [1]. Ферритизированные гальванические шламы (ФГШ) практически нерастворимы в воде и слабокислых средах. В любом случае гальваношламы содержат большое количество ценных металлов и требуют утилизации. Большая часть методов утилизации ГШ выдвигает достаточно жесткие требования к составу и свойствам шламов, что делает проблематичным утилизацию смешанных шламов. К наиболее перспективным методам утилизации относится комплексообра-зование [2].

Целью настоящей работы явилось изучение возможности селективного извлечения металлов из гальванических шламов с помощью комплексонов, в качестве которых использовали пирокатехин, фенантро-лин, динатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), нитрилотриметиленфосфоновую кислоту (НТФ).

Объектами исследований стали производственные гальванические шламы машиностроительного предприятия. Валовое содержание тяжелых металлов в сухом исходном и ферритизированном (в скобках) гальваношламе составило (г/кг): медь - 5,42 (3,25); никель - 4,27 (2,97); цинк - 3,84 (2,80); хром - 6,37 (4,24).

В суспензию ГШ (влажность - 95 %, плотность -1,05 г/см3) вводили различные количества комплексо-нов по отношению к объему шлама, перемешивали 5 ч, отфильтровывали, в фильтрате определяли содержание ионов металлов (атомно-абсорбционный спектрофотометр С-115-М1).

Степень извлечения ионов металлов из шламов (а, %) определяли по разнице валового содержания металлов в исходных шламах(Сисх.) и после обработки комплексоном (С):

а = (Сисх - Скон) • 100 % / Сисх.

Результаты анализов обрабатывались с помощью программы Microsoft Excel с вычислением среднего арифметического значения ( x ), его отклонения

(d=x— x ), стандартного отклонения (S=^^ d2 /(n -1) )

и доверительного интервала ( x + еа или x + S-ta,K /n). Значение заданной доверительной вероятности а = = 0,95. Общее число определений, n = 4; число степеней свободы, K = n - 1 = 3. Значение коэффициента Стьюдента, ta, К = 3,18 [3].

Пирокатехин (1,2-дигидроксибензол) и о-фенан-тролин (1,10-фенантролин) относятся к бидентатным лигандам, которые с центрально-координированным атомом металла образуют 5-членные циклы.

oh

,oh

Пирокатехин

Фенантролин

Связи между атомом металла (Ме) и лигандом (Ъ) в цикле в случае пирокатехина ковалентные (с замещением атома водорода) и координационные (за счет неподеленных электронных пар кислорода). Фенан-тролин образует комплексы с координационными связями за счет неподеленных электронных пар азота.

Молекулы ЭДТА и НТФ содержат кислотные и основные центры. Оба комплексона выступают в качестве полидентатных лигандов.

NaOOCH2C\

2 >n-ch2ch2-n

HOOCH2C

/CH2COOH ^CH2COONa

ЭДТА

Сн2- Р(0)(0Н)2 ^СН^Р(0)(0Н)2 СН2" Р(0)(ОН)2 НТФ

С катионами металлов в широком интервале рН все приведенные комплексоны образуют устойчивые хелатные металлокомплексы, растворимые в воде:

Ъ + Меп+ ~ ЪпМе.

Устойчивость комплексонатов металлов зависит от иона металла и структуры органического лиганда, что приводит к избирательности комплексона по отношению к различным металлам.

Исходные шламы имеют щелочную среду, рН = = 9,0 - 9,4. Среда водных растворов комплексонов слабощелочная для фенантролина (рН=7,9) или кислая: пирокатехин, рН=5,7; ЭДТА, рН=5,2; НТФ, рН=2,7. Добавление фенантролина к суспензии ГШ практически не меняет рН смеси. Остальные комплек-соны повышают кислотность среды.

При введении комплексонов в суспензию гальваношлама часть тяжелых металлов переходит из шлама в раствор с образованием соответствующих комплексов [4]. Комплексы имеют как ковалентный, так и ионный характер и в растворе частично диссоциированы. Равновесная концентрация свободных катионов металлов в растворе зависит от устойчивости комплекса, его концентрации, растворимости, рН среды. Выходу свободных ионов в раствор способствует увеличение кислотности среды при введении ком-плексонов.

На рис. 1 представлены зависимости концентрации ионов металлов (СМе) в растворе (фильтрате) от концентрации комплексона (СК) для ГШ и ФГШ.

Для комплексов пирокатехина зависимости СМе от СК носит практически линейный характер. В случае ФГШ концентрация ионов металлов в растворе ниже, чем для ГШ, поскольку ферритизированный шлам более устойчив по сравнению с исходным. Концентрация ионов цинка и хрома при извлечении из ГШ и ФГШ составляет 1,0 - 4,0 мг/л.

Остальные комплексонаты металлов характеризуются более низкими концентрациями ионов в растворе, чем пирокатехиновые комплексы. Максималь-

ная концентрация ионов никеля составляет 20,0 мг/л (фенантролин, ГШ), меди - 9,0 (ЭДТА, ГШ) и 7,0 мг/л (ЭДТА, ФГШ). Во всех остальных случаях концентрации не превышают 6,0 мг/л.

о

0

0,2

0,4

0,6

0,8 Ск, г/л

Рис. 1. Зависимость концентрации катионов металлов от концентрации пирокатехина. ГШ: 1 - никель, 2 - медь; ФГШ: 3 - никель, 4 - медь

Зависимости СМе от СК для комплексов НТФ приведены на рис. 2.

8

6

а 4

i о

0,5 1,0 1,5 2,0

2,5 С*-, г/л

Рис. 2. Зависимость концентрации катионов металлов от концентрации НТФ. ГШ: 1 - никель, 2 - медь; ФГШ: 3 - никель, 4 - медь

Для извлечения тяжелых металлов из гальванического шлама с применением НТФ требуются более высокие концентрации, чем для других комплексонов, что может быть связано со способностью НТФ образовывать разнолигандные комплексы с различной растворимостью [2]. В частности, комплексонаты меди и никеля более растворимы, чем цинка и хрома. Концентрации ионов цинка и хрома в комплексах НТФ ниже, чем никеля и меди.

Известно, что для большинства лигандов устойчивость комплексонатов металлов сохраняется в ряду: Си > № > Zn > Сг [2]. В рассмотренных системах наблюдается такая же последовательность.

В таблице приведены результаты по извлечению комплексонами металлов из гальванических шламов.

Степень извлечения меди, никеля, цинка и хрома из гальванических шламов комплексонами составляет 38-90 %. Извлечение металлов из ФГШ протекает в меньшей степени, чем из ГШ, что объясняется более высокой устойчивостью ферритных структур по сравнению с осадками сточных вод гальванических производств.

2

0

Степень извлечения металлов из гальванических шламов при оптимальной концентрации комплексона

Металл Гальванический шлам

Пирокатехин Фенантролин

а, % Ск, г/л а, % СК, г/л

Медь 88,3 0,8 72,2 0,6

Никель 89,7 0,8 86,4 0,4

Цинк 57,2 0,7 60,4 0,3

Хром 63,0 0,7 61,2 0,2

Металл ЭДТА НТФ

а, % Ск, г/л а, % СК, г/л

Медь 89,5 0,4 68,3 1,0

Никель 73,5 0,5 67,8 1,5

Цинк 68,3 0,6 64,6 1,5

Хром 64,8 0,3 67,2 1,0

Ферритизированный гальванический шлам

Металл Пирокатехин Фенантролин

а, % СК, г/л а, % Ск, г/л

Медь 44,7 0,8 57,6 0,8

Никель 48,3 0,8 49,2 0,6

Цинк 37,6 1,2 34,8 0,5

Хром 42,3 1,0 43,2 0,5

Металл ЭДТА НТФ

а, % СК, г/л а, % СК, г/л

Медь 64,7 0,6 40,4 1,2

Никель 57,4 0,8 51,3 2,0

Цинк 38,4 1,2 39,6 2,0

Хром 44,2 1,2 41,2 1,8

Пирокатехин, фенантролин и ЭДТА проявляют наибольшую селективность по отношению к меди и никелю. НТФ не проявляет выраженной селективности при извлечении металлов из гальванических шла-мов.

Литература

1. Семенов В.В., Варламова С.И., Климов Е.С. Утилизация шламов гальванического производства методом ферри-

Поступила в редакцию

тизации // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2005. Т. 48. Вып. 2. С. 111 - 112.

2. Дятлова Н.М. Комплексоны и комплексонаты металлов. М., 1988. 544 с.

3. Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков. М., 1983. 267 с.

4. Завальцева О.А., Климов Е.С. Влияние некоторых ком-плексообразующих добавок на процессы ферритизации гальванических шламов // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2005. Т. 48. Вып. 9. С. 48 - 50.

3 ноября 2010 г.

Бузаева Мария Владимировна - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Химия», Ульяновский государственный технический университет. Тел. (8422)43-33-08. E-mail: m.buzaeva@mail.ru

Завальцева Ольга Александровна - канд. биолог. наук, доцент, кафедра «Химия», Ульяновский государственный технический университет. Тел. (8422)43-31-08 E-mail: z.olga1979@mail.ru

Булыжев Евгений Михайлович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Химия», Ульяновский государственный технический университет. Тел. (8422)44-42-45.

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

Гусева Ирина Тимуровна - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Химия», Ульяновский государственный технический университет. Тел. (8422) 77-81-32.

Климов Евгений Семёнович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия», Ульяновский государственный технический университет. Тел. (8422)40-00-99. E-mail: eugen1947@mail.ru

Buzaeva Maria Vladimirovna - Candidate of Chemistry Sciences, assistant professor, department «Chemistry», Ulyanovsk State Technical University. E-mail: m.buzaeva@mail.ru

Zavaltseva Olga Aleksandrovna - Candidate of Biology Sciences, assistant professor, department «Chemistry», Ulyanovsk State Technical University. Ph. (8422)43-31-08 E-mail: z.olga1979@mail.ru

Bulyzov Eugeny Михайлович - Doctor of Technica, Professor, Head of Chemistry Department Ulyanovsk State Technical University. Ph. (8422)44-42-45.

Guseva Irina Timurovna - Candidate of Chemistry Sciences, assistant professor, department «Chemistry», Ulyanovsk State Technical University. Ph. (8422) 77-81-32.

Klimov Evgeniy Semenovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department«Chemistry», Ulyanovsk State Technical University. Ph. (8422)40-00-99. E-mail: eugen1947@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.