Влияние колебаний межфазной поверхности экстракционной системы на процесс извлечения Но (III) Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Известия Тульского государственного университета

Естественные науки 2008. Выпуск 2. С. 194-199

ХИМИЯ

У. IК 541.1

Е.Н. Голубина, Н.Ф. Кизим

Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЭКСТРАКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ПРОЦЕСС ИЗВЛЕЧЕНИЯ НО(III)

Аннотация. В настоящем сообщении рассматривается влияние механических колебаний межфазной поверхности, возбуждаемых вибрирующим элементом, на процесс экстракции Но(Ш) в системах водный раствор Но(МОз)з / раствор Д2ЭГФК в органическом разбавителе (гептан или толуол). Показано, что при колебательном воздействии процесс экстракции протекает с более высокой скоростью, особенно в начале процесса. Это объясняется тем, что в начале процесса вибрация межфазной поверхности предотвращает возникновение структуры в динамическом межфазном слое и межфазная поверхность в течение некоторого времени остается доступной для реагентов.

Экстракция редкоземельных элементов (РЗЭ) в системах с органическими кислотами используется на практике. В качестве экстракционного реагента нередко применяют ди-(2-этилгексил) фосфорную кислоту (Д2ЭГФК). Обычно процесс проводят в условиях интенсивного перемешивания водной и органической фаз с целью эмульгирования и достижения развитой межфазной поверхности. За время контакта фаз определенное количество РЗЭ переходит в органическую фазу. Далее фазы разделяют, затрачивая при этом дополнительную энергию на «вялое» перемешивание системы. Расход энергии можно сократить, если энергию, необходимую для обеспечения приемлемой скорости экстракции, подводить локально в область, которая лимитирует скорость процесса. Основное сопротивление мас-сопереносу сосредоточено в переходном (между водной и органической фазами) слое [1, 2], свойства которого изменяются во времени, называемому далее динамическим межфазным слоем (ДМС). Существует несколько возможностей для реализации на практике такого подхода. Одним из них является использование силовых полей: электрического [3], ультразвукового

[4]. Воздействие электрического поля [3] может привести к диспергированию фаз и, как следствие, к увеличению межфазной поверхности. Наложение на систему ультразвукового поля позволяет активизировать протекание химических превращений [4]. Принципиально другой подход предложен в работах В. В. Тарасова с сотр. [5-6]. В этом случае воздействие на ДМ С осуществляется путем возвратно-поступательного движения ленты из одной фазы через межфазную поверхность в другую с частотой, находящейся в пределах от 0 до 4 Гц. Нами [7] предложен метод, основанный на механическом воздействии на межфазную поверхность путем помещения на нее вибрирующего элемента.

В настоящем сообщении рассматривается влияние механических колебаний межфазной поверхности экстракционной системы на извлечение одного из РЗЭ (гольмия) в системах водный раствор Но(.\0.з)з / раствор Д2ЭГФК в органическом разбавителе (гептан или толуол).

Эксперимент проводили на установке, включающей ячейку, в которую помещали жидкую двухфазную систему, вибрирующий элемент и электромеханическое устройство, позволяющее приводить его в колебательное движение в нормальном к межфазной поверхности направлении. В начале опыта грань вибрирующего элемента устанавливали на поверхность водного раствора соли Но(Ш), вибратор приводили в движение, путем подачи напряжения на электродинамическую головку, затем наслаивали раствор экстракционного реагента (Д2ЭГФК) (в одном из выше указанных растворителей), в который извлекался Но(Ш). Содержание Но(Ш) в органической фазе определяли через заданное время, проводя реэкстракцию его в водный раствор азотной кислоты. Методика эксперимента детально описана в [7].

Экстракция Но(III) сопровождается протеканием химической реакции

Но3+ + 3 • НА <^> НоА3 + ЗЯ+,

в результате которой образуется соль Н0А3, не растворимая в водной фазе и непосредственно не растворимая в органической фазе. Однако эта соль может взаимодействовать с Д2ЭГФК

НоА:; пНА НоАз-пНА,

образуя сольват НоАз-пНА, который и переходит в органическую фазу. Увеличение концентрации молекул соли Н0А3 в ДМС приводит сначала к появлению частиц, далее к их слипанию и формированию пространственной структуры, оказывающей влияние на перенос Но(Ш) в органическую фазу. В частности, формирование геля при экстракции эрбия (III) (наиболее близкого из РЗЭ по свойствам к гольмию) было отмечено нами в работе [8].

Влияние этого фактора хорошо иллюстрирует кривая 1 на рис.1, указывая на то, что в течение 30 мин от начала опыта Но(Ш) в экстракте не обнаруживается. Такая ситуация наблюдается при низкой концентрации

извлекаемого элемента (0,01 М), при недостатке экстракционного реагента, в среде более полярного растворителя. В поле колебаний резонансной частоты экстракция Но(Ш), при прочих равных условиях, протекает с самого начала опыта (рис,.1, кривая 2). По нашему мнению, такой характер зависимости объясняется тем, что в начале процесса вибрация межфазной поверхности предотвращает возникновение структуры и межфазная поверхность в течение «10 мин остается доступной для реагентов. Однако при увеличении концентрации дисперсной фазы достигается критическое состояние и возникает структурно-механический барьер, подавляющий на некоторое время переход Но(III) в органическую фазу.

мин

Рис.1. Влияние механических колебаний межфазной поверхности на процесс экстракции Но(Ш). Водная фаза: 0,01 М водный раствор Но(МОз)з, pH = 5. Органическая фаза: 0,01 М раствор Д2ЭГФК в толуоле. Процесс проводится в отсутствии внешних колебаний (1) или при наличии колебаний частотой 4,9 кГц (2)

Несколько иначе процесс экстракции протекает в случае, когда разбавителем экстракционного реагента (Д2ЭГФК) является менее полярный растворитель - гептан (рис. 2). При всех изученных концентрациях экстракционного реагента (0,01 0,05 М) экстракция протекает с начала опыта,

но при колебательном воздействии скорость в начале экстракции увеличивается и прослеживается тенденция к появлении на кинетической кривой концентрационной задержки через 7-10 мин от начала опыта.

СЮ3, м

мин

а б

Рис. 2. Влияние концентрации экстракционного реагента и замены разбавителя на процесс экстракции Но(Ш). Водная фаза: 0,01 М водный раствор №>(N03)3, pH = 5. Органическая фаза: раствор Д2ЭГФК в гептане с концентрацией: 0,01 М (1), 0,03 М (2), 0,05 М (3). Процесс проводится в отсутствии внешних колебаний (а) или при наличии колебаний резонансной частоты (б)

Надо заметить, что экстракция Но(III) сопровождается спонтанной поверхностной конвекцией (СПК), которая возникает практически сразу после приведения фаз в контакт. Её интенсивность зависит от условий проведения процесса, в частности, она повышается при увеличении исходной концентрации экстракционного реагента. Колебательное воздействие с малой амплитудой в этих условиях может и не влиять на протекание процесса экстракции. Однако со временем интенсивность СПК снижается и наступит время, когда влияние колебательного воздействия станет заметным. Такая ситуация наблюдалась нами на системе, в которой исходная концентрация экстракционного реагента в 5 раз превышала исходную концентрацию извлекаемого элемента (рис. 3).

Если концентрация извлекаемого элемента достаточно высока (0,1 М), а экстракционного реагента мала (0,05 М), влияние колебаний межфазной поверхности прослеживается в течение всего времени опыта (рис. 4), причем, как и в ранее рассмотренных случаях, роль механических колебаний в большей мере наблюдается в первые 40 мин опыта.

С104,М

0,5

2,0

1,5

1,0

0

0 10 20 30 40 50 60

мин

Рис. 3. Влияние колебаний вибрирующего элемента на процесс экстракции Но(Ш) Водная фаза: 0,01 М водный раствор Но(МОз)з, pH = 2. Органическая фаза: 0,05М раствор Д2ЭГФК в гептане. Процесс проводится в отсутствии внешних колебаний (1) или при наличии

колебаний (2)

СЮ3, м

0 20 40 60

Рис. 4. Кинетические кривые экстракции Но(Ш) Водная фаза: 0,1 М водный раствор Но(МОз)з, pH = 5. Органическая фаза: 0,05М раствор Д2ЭГФК в гептане. Процесс проводится в отсутствии внешних колебаний

(1) или при наличии колебаний резонансной частоты (2)

Таким образом, колебательное воздействие на межфазную поверхность оказывает влияние на экстракцию Но(III) в системах водный раствор Но(МОз)з / раствор Д2ЭГФК в органическом разбавителе (гептан или толуол), увеличивая скорость экстракции, что особенно заметно в начале процесса.

І, мин

Библиографический список

1. Основы жидкостной экстракции / под ред. Г.А. Ягодина. - М.: Химия, 1981.

2. Савистовский Г. Последние достижения в области жидкостной экстракции / Г. Са-вистовский. - М.: Химия, 1974.

3. Пронин Е.В. Экстракционное разделение микрокомпонентов во внешнем электрическом поле / Е.В. Пронин [и др.] // Докл. РАН. -2002. -Т. 385. -№ б. -С. 788-789

4. Маргулис М. А. Звукохимия - новая перспективная область химии высоких энергий /М.А. Маргулис // Химия высок, энергий. -2004. - V. 38. -JV® 3. -С. 163-170.

5. Тарасов В. В. Массопередача при периодических возмущениях межфазной границы системы жидкость/жидкость / В.В. Тарасов, Г.Г. Ларин // Теор. осн. хим. технол. -2000. -Т. 34. -№ 2. -С. 188 - 194.

6. Тарасов В.В. Динамический межфазный слой в неравновесных системах жидкость/жидкость / В.В. Тарасов // Докл. РАН. -1996. -Т. 350. -№ 5. -С. 647-649.

7. Кизим Н.Ф. Экстракция РЗЭ при колебательном воздействии на динамический межфазный слой в системах с Д2ЭГФК / Н.Ф. Кизим, Е.Н. Голубина, А.М. Чекмарев // Докл. РАН. - 2006. -Т. 411. -№ 5. -С. 638-641.

8. Голубина Е.Н. Кинетические особенности экстракции Рг(Ш), Nd(III) и Ег(Ш) в некоторых системах / Е.Н. Голубина, Н.Ф. Кизим // Известия ТулГУ. Сер. Естественные науки. -2007. -Вып. 1. -С. 231-235.

Поступило 20.07.2008