Условия селективного и совместного извлечения ионов железа и меди из никелевого электролита экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 669.273

УСЛОВИЯ СЕЛЕКТИВНОГО И СОВМЕСТНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА И МЕДИ ИЗ НИКЕЛЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИТА ЭКСТРАКЦИЕЙ СМЕСЬЮ ОЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ И ТРИЭТАНОЛАМИНА В КЕРОСИНЕ Н.Б. Кокоева*, Н.Т. Кисиев**, Л.А. Воропанова***

Н.Б. Кокоева

м

Н.Т. Кисиев

к 4

Л.А. Воропанова

Аннотация. Определены оптимальные условия селективного и совместного извлечения примесей меди и железа из никелевого электролита экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине. Ключевые слова: селективное извлечение, никелевый электролит, олеиновая кислота, триэтаноламин.

Для получения качественного никеля необходимо, чтобы содержание примесей Си, Fe и др. в электролите не превышало оптимальных концентраций.

При растворении никелевого анода большинство примесей переходит в раствор, создавая концентрации, во много раз превышающие оптимальные. Поэтому для получения катодного никеля требуемого качества необходимо очистка никелевого электролита от металлов-примесей [1-4].

Ионы меди из никелевого электролита обычно удаляют методом цементации более электроотрицательным металлом - никелем. Для этой цели используют никелевый порошок. Очистка электролита от железа проводится путем окисления хлором для перевода железа в трехвалентное состояние и последующего осаждения в виде основных солей переменного состава, нейтрализацию кислоты гидролиза осуществляют карбонатом никеля [5-10].

Целью работы является поиск оптимальных условий (величина рН и объемное соотношение водной В и органической О фаз В : О) селективного и совместного извлечения железа и меди из никелевого электролита экстракцией. Состав электролита, г/дм3: 0,5 - 0,89 Fe, 1,02 - 1,24 Си, 63,5 - 82,7 N

В качестве экстрагента использовали смесь

олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине в объемном соотношении 12 : 6 : 82 соответственно.

Температура исходного раствора 22 °С, величина рН 2,2-2,4.

Экстракцию осуществляли при перемешивании и регулировании постоянной величины рН 30-50 мин, в качестве нейтрализаторов использовали растворы №ОН и Н^04. Нагрев осуществляли до 40-45 °С. Исследованиями установлено, что при комнатной температуре экстракция осуществляется менее эффективно.

На рис. 1 дана схема приборов для проведения экстракции.

Стакан 2 с исходным раствором, содержащим экстрагируемые ионы, и экстрагентом помещали на нагреватель 3 для нагрева смеси до заданной температуры. Для лучшего массооб-мена содержимое стакана перемешивали мешалкой 1 в течение заданного времени и затем переносили в делительную воронку, где смесь отстаивалась и разделялась на экстракт и ра-финат. После отстаивания рафинат, а затем экстракт, через нижнее выходное отверстие делительной воронки сливали в отдельные емкости. Химический анализ изучаемой пробы проводили по стандартным методикам.

Результаты экстракции оценивали извлече-

' Кокоева Наталья Борисовна - к. т. н., старший преподаватель. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет), Россия, РСО-А, г. Владикавказ.

' Кисиев Николай Теймуразович - и.о. мастера обжигового цеха Никелевого завода ОАО «ГМК «Норильский никель». ' Воропанова Лидия Алексеевна - д. т. н., профессор, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет, Россия, РСО-А, г. Владикавказ (lidia_metaШidia_metall@mail.ru)._

КОКОЕВА Н.Б., КИСИЕВ Н.Т., ВОРОПАНОВА Л.А. УСЛОВИЯ СЕЛЕКТИВНОГО

нием металлов в экстракт £, % масс от исходного количества, и коэффициентом разделения ßFe/Cu ионов железа (III) и меди (II).

43

СЕЛЕКТИВНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА

Условия экстракции: температура 40°С, продолжительность экстракции 10-15 мин, рН = 2,7- 4,7, В:О = 1- 4,5.

Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в табл. 1. Для исследования был выбран линейный план Бокса В2 с числом опытов 8. Независимыми переменными (в безразмерном масштабе) были: рН раствора (Х1) и соотношение В:О (Х2). Ниже приведена связь между безразмерными и размерными масштабами незави симых переменных:

рН - 3,7

% 2 ="

В : О - 2,75

2,7 1

В результате обработки экспериментальных данных получены адекватные математические модели извлечения железа и коэффициента разделения в кодовом масштабе: - извлечение железа в экстракт: е„е = 61,811 -11,444*, + 6,133*2 + 3,205*,2 +■

+ 0,496*2 -1,003*1*2

(1)

Рис. 1. Схема приборов для проведения экстракции

тракт оказывает величина рН, затем - отношение В : О.

По полученным математическим моделям проведена оптимизация (табл. 2) с определением значений независимых переменных в кодовом масштабе, соответствующих наибольшему извлечению железа.

Условному оптимуму соответствуют следующие значения независимых переменных в процессе экстракции никелевого электролита: (рН) Х1 = -1(2,7) и отношение (В : О) Х2 = +1 (4,5).

Этим условиям соответствует опыт 3 табл. 1, в котором получены следующие значения зависимых переменных: £Ре = 80,46 %, еСи = 3,56 %

Ч 8,651*2 -16,49*,*2

(2)

(Sd = 2,133 F = 71,093; F0,05;7;2 = 19,353); и ß = 11431

Fe/Cu

ßFe,Cu = 1,3 93 1 03 - 5 1 0,7 1 9*1 + 61,551*2 + 47,637*2 + На рис. 2 по данным табл. 1 получены результаты селективного извлечения железа (III) в экстракт из никелевого электролита смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине в зависимости от величины рН и соотношения В : О, температура 40 °С, продолжительность экстракции 10-15 мин: а - извлечение железа е^,

(Р = 72,448; ^ = 19,353); где еМе - извлечение металла в раствор, %; РгеIсм ~ коэффициент разделения; х1 - рН раствора в безразмерном масштабе; ж2 - соотношение В:О в безразмерном масштабе;

^ад - дисперсия адекватности;

Р - экспериментальное значение

Р-статистики;

Р0 05. м-1, м-к - табличное значение критерия Фишера.

Так как получены низкие показатели извлечения меди, математическая обработка экспериментальных данных не производилась.

В связи с тем, что для уравнений (1-2) Р > Р0 05- м--т м-к, они признаны адекватными экспериментальным данным с уровнем значимости 0,05.

Из уравнения (1-2) следует, что самое сильное влияние на извлечение железа в экс-

Таблица 1

Матрица планирования и результаты эксперимента экстракции ионов железа и меди из никелевого электролита смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине

№ п/п Кодовый масштаб Натуральный масштаб Извлечено в экстракт, % ßFe/Cu

Х, Х2 рН В:О Cu Fe

1 -1 2,7 1 9,06 58,64 17,8

2 1 -1 4,7 1 20,65 80,02 104,88

3 1 2,7 4,5 3,56 80,46 114,31

4 1 1 4,7 4,5 27,9 94,82 85,96

5 0 2,7 2,75 6,23 66,29 36,86

6 1 0 4,7 2,75 26,84 87,64 71,63

7 0 -1 3,7 1 8,62 66,54 18,4

8 0 1 3,7 4,5 9,82 84,02 47,8

ТОМ 17

б - коэффициент разделения

ßFe / Cu .

Таблица 2

Результаты оптимизации по моделям (1-2)

СОВМЕСТНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА И МЕДИ

Условия экстракции: температура 40 °С, продолжительность экстракции 50 мин., рН = 5- 7, ВО = 1- 4,5.

Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в табл. 3. Для исследования был выбран линейный план Бокса В2 с числом опытов 8. Независимыми переменными (в безразмерном масштабе) были: рН раствора (Х1) и соотношение В : О (Х2). Ниже приведена связь между безразмерными и размерными масштабами независимых переменных:

_ рН - 6 _ В : О - 2,75

% 1 _ г , ^2 _ "

Функция оптимизации Условия оптимумов Значения функций отклика

Xi X2

£ Fe -1 +1 84,092

ßFei Си -1 +1 2038

5

1

В результате обработки экспериментальных данных получены адекватные математические модели извлечений металлов в кодовом масштабе:

- извлечение меди в экстракт:

еСи = 77,206 - 2,396* + 7,553*2 + 0,525*?

-1,069*2 - 0,286**2; (3)

^ 2 = 0,178; F= 62,646; Fo,o5;7;2 = 19,353)

ег, = 77,11 -1,195*1 +13,488*2 + 0,21*2 "

В:0

ßFe/ Cu

S Fe

а)

-1,918*2 - 0,12**2

(4)

(S2 = 0,307; F= 69,917; Fo,o5;7;2 = 19,353) ,

безразмерном О в безраз-

где еМе - извлечение металла в раствор, %;

X - рН раствора масштабе; Х2 - соотношение В мерном масштабе; ^2 - дисперсия адекватности; F - экспериментальное значение F-статистики;

Р0 05. м-1. м_к - табличное значение критерия Фишера.

В связи с тем, что для уравнений

(3-4) 1= > 1^05. м.1; ^ они признаны

адекватными экспериментальным данным с уровнем значимости 0,05.

Из уравнений (3-4) следует, что самое сильное влияние на извлечение меди и железа в экстракт ока-

В:О

б)

Рис. 2. Результаты селективного извлечения железа (III) в экстракт из никелевого электролита смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине в зависимости от величины рН и соотношения В : О, температура 40 °С, продолжительность экстракции 10-15 мин: а - извлечение железа eF& б - коэффициент разделения ß / ■

Таблица 3

Матрица планирования и результаты эксперимента экстракции ионов железа и меди из никелевого электролита смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине

№ п/п Кодовый масштаб Натуральный масштаб Извлечено в экстракт, %

Х1 Х2 рН В:О Cu Fe

1 -1 5 1 83,65 87,21

2 1 -1 7 1 90,65 90,05

3 1 5 4,5 84,25 95,25

4 1 1 7 4,5 89,25 97,25

5 0 5 2,75 86,87 97,75

6 1 0 7 2,75 93,58 98,88

7 0 -1 6 1 86,25 88,21

8 0 1 6 4,5 86,60 96,25

ТОМ 17

КОКОЕВА Н.Б., КИСИЕВ Н.Т., ВОРОПАНОВА Л.А. УСЛОВИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ...

45

зывает соотношение В : О, затем - величина рН.

По полученным математическим моделям проведена оптимизация (табл. 4) с определением значений независимых переменных в кодовом масштабе, соответствующих наибольшему извлечению меди и железа. Как видно, оптимальные условия экстракции совпадают по Х1 и по Х2.

Таким образом, условному оптимуму соответствуют следующие значения независимых переменных в процессе экстракции никелевого электролита: (рН) Х1 = -1 (5) и (В : О) Х2 = +1 (4,5).

Этим условиям соответствует опыт 3 (см. табл. 3), в котором получены следующие значения зависимых переменных: еп = 84,25 %, ес = 95,25 %.

Си ' 'Ре '

На рис. 3 по данным табл. 3 показана зависимость совместного извлечения железа £Ре (а) и меди еСи (б) в экстракт из никелевого электролита от величины рН и соотношения В : О экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине, температура 40 °С, продолжительность экстракции 50 мин.

ВЫВОДЫ

Экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине можно очистить никелевый электролит от примесей железа и меди:

1. Оптимальное значение селективного извлечения железа ес = 80,46 %,

Ре ' '

(еСи = 3,56 %) и рРе/Си = 114,31 возможно при рН = 2,7 и В : О = 4,5;

2. Оптимальное значение совместного извлечения железа (III) еРе = 95,25 % и меди (II) еСи = 84,25 % возможно при рН = 5 и В : О = 4,5.

Таблица 4

Результаты оптимизации по моделям (3-4)

Функция оптимизации Условия оптимумов Значения функций отклика

X! х2

£ Fe -1 +1 90,205

£ си -1 +1 86,897

£ Ре 100-

90-

а)

80—

70-

В:О

£ Си

рН

б)

4

2 РН

В:О

Рис. 3. Зависимость совместного извлечения железа £_

Ре

(а) и меди £Си (б) в экстракт из никелевого электролита от величины рН и соотношения В : О экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине, температура 40 °С, продолжительность экстракции 50 мин.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования и науки Республики Северная Осетия-Алания в рамках научного проекта № 17-48-150696\17

ЛИТЕРАТУРА

1. Худяков И.Ф., Кляйн С.Э., Агеев Н.Г. Металлургия меди, никеля, сопутствующих элементов и проектирование цехов. - М.: Металлургия, 1993. 432 с.

2. Резник И.Д., Соболь С.И., Худяков В.М. Кобальт. - М.: Машиностроение. ч. 2, 1995. С. 351-397.

3. Шиврин Г.Н., Головицкая Т.А., Илюшин С.А., Колманов А.А. Проблемы электролиза меди и никеля. - Рязань: НП «Голос губернии», 2011. 352 с.

4. Набойченко С.С., Ни Л.П., Шеерсон Я.М., Чугаев Л.В.

Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов. - Ека-

ТОМ 17

теринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2002. 940 с.

5. Воропанова Л.А. Обезвреживание стоков, содержащих ионы цветных металлов, путем экстракции их смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина // Изв. ВУЗов, Цветная металлургия, № 5, 2001. С. 32-38.

6. Воропанова Л.А., Кисиев Н.Т. Очистка никелевого электролита от примесей железа (III) и меди (II) экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина / Записки горного института. Т. 214, 2015. С. 28-33.

7. Воропанова Л.А., Кисиев Н.Т. Гагиева З.А. Экстракция ионов железа и меди из водных растворов смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине / Вестник ДонНТУ. Специальный выпуск «Металлургические процессы и оборудование». 2016. № 4(4). С. 10-14.

8. Патент РФ 2591915, С22В 3/40, С22В 15/00, заявка

2015105130/02, приоритет 16.02.2015, опубл. 20.07.2016 БИ № 20. Воропанова Л.А., Кисиев Н.Т., Гагиева З.А. Способ экстракции ионов железа и меди из водных растворов смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина в керосине.

9. Патент РФ 2604286, C25D 21/18, заявка 2015127592, приоритет 08.07.2015, опубл. 10.12.2016 БИ № 34. Воропанова Л.А., Кисиев Н.Т., Гагиева З.А. Способ очистки никелевого электролита от примесей железа (III) и меди (II) экстракцией смесью олеиновой кислоты и триэтаноламина.

10. Патент РФ 2604289, C22B 3/26, C22B 23/00, C22B 15/00, заявка 2015127591, приоритет 08.07.2015, опубл. 10.12.2016 БИ № 34. Воропанова Л.А, Кисиев Н.Т., Гагиева З.А. Способ очистки никелевого электролита от примесей железа (III), кобальта (III) и меди (II) экстракцией.

CONDITIONS FOR SELECTIVE AND JOINT EXTRACTION OF IRON AND COPPER IONS FROM NICKEL ELECTROLYTE BY EXTRACTION WITH A MIXTURE OF OLEIC ACID AND TRIETHANOLA-MINE IN KEROSENE N.B. Kokoeva1, N.T. Kisiev2, L.A. Voropanova3

1 North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), NCIMM (STU)

2 Noril'skii Nikel' GMK OAO. 3 Dr, professor. North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), NCIMM (STU) (lidia_metalllidia_metall@mail.ru).

Abstract. Optimum conditions for selective and collaborative extraction of copper and iron impurities from nickel electrolyte by extraction with a mixture of oleic acid and triethanolamine in kerosene were determined. Keywords: selective extraction, nickel electrolyte, oleic acid, triethanolamine.

REFERENCES

1. Khudyakov I.F., Klyayn S.E., Ageev N.G. Metallurgiya medi, nikelya, soputstvuyushchikh elementov i proektirovanie tsekhov. - M.: Metallurgiya, 1993. 432 s.

2. Reznik I.D., Sobol' S.I., Khudyakov V.M. Kobal't. - M.: Mashinostroenie. ch. 2, 1995. S. 351-397.

3. Shivrin G.N., Golovitskaya T.A., Ilyushin S.A., KolmanovA.A. Problemy elektroliza medii nikelya. - Ryazan': NP «Golos gubernii», 2011. 352 s.

4. Naboychenko S.S., Ni L.P., Sheerson Ya.M., Chugaev L.V. Avtoklavnaya gidrometallurgiya tsvetnykh metallov. - Ekaterinburg: Izd-vo UGTU-UPI, 2002. 940 s.

5. Voropanova L.A. Obezvrezhivanie stokov, soderzhashchikh iony tsvetnykh metallov, putem ekstraktsii ikh smes'yu oleinovoy kisloty i trietanolamina //Izv. VUZov, Tsvetnaya metallurgiya, № 5, 2001. S. 32-38.

6. Voropanova L.A., Kisiev N.T. Ochistka nikelevogo elektrolita ot primesey zheleza (III) i medi (II) ekstraktsiey smes'yu oleinovoy kisloty i trietanolamina /Zapiski gornogo instituta. T. 214, 2015. S. 28-33.

7. Voropanova L.A., Kisiev N.T. Gagieva Z.A. Ekstraktsiya ionov zheleza i medi iz vodnykh rastvorov smes'yu oleinovoy kisloty i trietanola-mina v kerosine / Vestnik DonNTU. Spetsial'nyy vypusk «Metallurgicheskie protsessy i oborudovanie». 2016. № 4(4). S. 10-14.

8. Patent RF 2591915, C22B 3/40, C22B 15/00, zayavka 2015105130/02, prioritet 16.02.2015, opubl. 20.07.2016 BI № 20. Voropanova L.A., Kisiev N.T., Gagieva Z.A. Sposob ekstraktsii ionov zheleza i medi iz vodnykh rastvorov smes'yu oleinovoy kisloty i trietanolamina v kerosine.

9. Patent RF 2604286, C25D 21/18, zayavka 2015127592, prioritet 08.07.2015, opubl. 10.12.2016 BI № 34. Voropanova L.A., Kisiev N.T., Gagieva Z.A. Sposob ochistki nikelevogo elektrolita ot primesey zheleza (III) i medi (II) ekstraktsiey cmes'yu oleinovoy kisloty i trietanolamina.

10. Patent RF 2604289, C22B 3/26, C22B 23/00, C22B 15/00, zayavka 2015127591, prioritet 08.07.2015, opubl. 10.12.2016 BI № 34. Voropanova L.A., KisievN.T., Gagieva Z.A. Sposob ochistki nikelevogo elektrolita ot primesey zheleza (III), kobal'ta (III) i medi (II) ekstraktsiey.

ТОМ 17