СОРБЦИЯ ИОНОВ МЕДИ (II) ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМ КАТИОНИТОМ НА ОСНОВЕ БЕНТОНИТА

1

• Авторы
• Файлы

Акимбаева А.М. Ергожин Е.Е. Товасаров А.Д. Статья в формате PDF 251 KB Сорбционные методы концентрирования и разделения неорганических ионов занимают одно из ведущих мест в химическом анализе. Проводятся разработки и изучаются свойства новых материалов. Известные сорбенты можно разделить на две большие группы: неорганические вещества - алюмосиликаты, оксиды, сульфиды; соединения на основе органических полимеров, содержащие ионообменные или комплексообразующие группы. На стыке этих двух групп находятся сорбенты с неорганической основой с нанесенным на поверхность органическим веществом - модификатором. Интерес к ним вызван специфическими свойствами последних: неорганический каркас придает им такие свойства, как высокую скорость установления сорбционного равновесия (в случае широкопористых носителей), ненабухаемость, термическую и радиационную устойчивость, механическую прочность; органический модификатор обеспечивает селективность и полноту связывания ионов. Сравнительно давно используются сорбенты с адсорбционными связями между модификатором и носителем. Слабая фиксация органического вещества на поверхности носителя и как следствие этого смывание его при контакте с раствором является основным недостатком последних. Эта проблема решается использованием кремнеземных сорбентов с ковалентно закрепленными лигандами [1-3]. Однако из-за сложности их синтеза они не получили широкого распространения. Значительные перспективы для сорбции и концентрирования ионов различных металлов открывают минерально-органические материалы на основе природных алюмосиликатов [4,5].

В настоящей работе приведены результаты изучения сорбции ионов меди (II) органоминеральным катионитом на основе бентонита.

Исследуемый катионит получали полимеризацией акриловой кислоты на поверхности кислотоактивированного бентонита (Казахстан) [6]. Содержание углерода, по данным элементного анализа, составляет 3,44 %, привес полимера - 13 %. Статическая обменная емкость по 0,1 н раствору КОН - 7,5 мг-экв/г.

Сорбцию ионов меди (II) из растворов различных концентраций изучали в статических условиях при комнатной температуре (60 мин, V=5 мл, m_c=0,1 г). После проведения сорбции осадок отфильтровывали и определяли содержание ионов металла в равновесной жидкой фазе атомно-адсорбционным методом. Степень извлечения (R, %) рассчитывали по формуле:

R=(Q_исх-Q_к)Ч100/Q_исх,

где Q_к - количество ионов металла в исходном растворе; Q_к - количество ионов металла, найденное после сорбции в водной фазе.

При изучении закономерностей сорбции ионов металлов анализируют влияние различных факторов на емкость ионита, из которых важное значение имеет зависимость равновесной емкости по ионам металла от равновесной концентрации его в растворе. Установлено, что количество поглощенных ионов Cu²⁺ возрастает по мере увеличения концентрации исходного раствора и достигает 16,9 мг/г при содержании ионов меди в нем 0,5 г/л (V=10 мл, m_c=0,1г). При этом степень извлечения составляет 99,2 %.

Эффективность сорбции во многом определяется кинетикой процесса. Установлено, что равновесие в распределении ионов металла между твердой фазой и раствором при комнатной температуре устанавливается для органоминерального катионита за 30 мин, при этом ионы меди извлекаются наиболее полно (99,5 %), чем на КБ-4 (95,0 % за 60 мин). Высокая удельная поверхность (265 м²/г) природного минерала обусловливает быструю сорбцию катионов (60 % за 15 мин). Однако наличие химически активных групп на поверхности модифицированного бентонита определяет его высокие обменные свойства.

Хорошо выраженная зависимость степени извлечения катионов металла от рН обусловливается типом иона металла и поверхностными хаpaктеристиками сорбента. В некоторых случаях это связано с равновесной константой реакции иона металла [7]:

Me²⁺ + Н₂О      MeОН⁺ +Н⁺

В большинстве случаев зависимость степени сорбции от кислотности среды определяется стабильностью комплексов катионов металла с поверхностными группами сорбента. Извлечение ионов меди (II) из раствора исследуемым катионитом, содержащим на поверхности карбоксильные группы может осуществляться за счет образования как ионной, так и координационной, а в некоторых случаях только координационной связи, энергия которой определяет селективность ионита по отношению к компонентам раствора. Количество привитых групп, способных реагировать с ионами металла, существенно зависит от кислотности среды. Изучение влияния рН на сорбцию ионов металла органоминеральным катионитом и КБ-4 показадо, что процесс начинается еще в кислой области, и степень извлечения возрастает от 49,6 до 99,7 % (8,45-16,80 мг/г), а для промышленного катионита в аналогичных условиях извлекается 26,0-92,0 % (7,45-15,11 мг/г) ионов меди. Степень извлечения достигает максимальных значений при рН>5, где предполагается, что высокая устойчивость комплекса, так как при низких значениях рН сорбент находится в протонированном состоянии. Однако в этом случае обычно образуются гидролизованные формы металла. В процессе сорбции использовали катионит в Н⁺-форме, поэтому отмечалось понижение величины рН равновесного раствора за счет перехода протонов в раствор при координации ионов меди с карбоксильными группами сорбента.

Известно [7], что величина рН 50 %-ной сорбции ионов (рН_1/2) является хаpaктеристикой сродства данного сорбента к иону металла, так как [Н]_1/2≈К_М/К_Н, где К_М, К_Н- константа устойчивости комплекса и протонизации лиганда соответственно. Установлено, что 50 %-ное извлечение ионов металла наблюдается уже при рН 1, что свидетельствует о высоком сродстве изучаемого катионита к ионам меди. Это значительно выше, чем для исследованных раннее сорбентов на основе модифицированных комплексообразующими лигандами силикагелей [7].

Разнообразие пpaктических задач выделения и разделения ионов определяет необходимость изучения сорбции ионов из различных сред. При этом эффективность сорбента обусловлена его избирательностью по отношению к тем или иным компонентам раствора. Для определения возможности извлечения ионов меди из растворов, содержащих ионы никеля и кобальта с суммарной концентрацией всех ионов 0,375 г/л исследовали влияние продолжительности процесса на степень извлечения каждого катиона. Найдено, что органоминеральный катионит по сорбционной активности не уступает промышленному сорбенту. Кинетика процесса извлечения ионов цветных металлов на исследуемых сорбентах является замедленной, за 120 мин поглощение ионов меди происходит на 90 % на модифицированном бентоните и 79,5 % на КБ-4.

Количественной мерой пpaктической применимости сорбента для концентрирования того или иного иона является коэффициент распределения этого иона (D, мл/г). Для оценки селективности сорбционного процесса с участием исследуемого и промышленного сорбента проводили сорбцию Cu²⁺ из растворов, содержащих примесные ионы цветных металлов. Полученные данные показывают, что органоминеральный катионит проявляет некоторую избирательность по отношению к ионам меди по сравнению с КБ-4. Представленные значения коэффициентов распределения изменяются в следующем ряду Cu²⁺ > Ni²⁺ ≈ Co²⁺.

В результате проведенных исследований установлено, что бентонит, содержащий на поверхности привитые группы полиакриловой кислоты, в сопоставимых условиях значительно лучше извлекает ионы меди (II) по сравнению с природным минералом и может с успехом заменить промышленные марки сорбентов. Эффективность катионита при селективном извлечении ионов исследуемого металла позволяет проводить сорбцию из растворов, содержащих примесные ионы цветных металлов.

Список литературы

1. Лосев В.Н., Буйко Е.В., Елсуфьев Е.В., Грофимчук А.К. //Химико-экологические проблемы центрального региона. Росc.: Сборник статей по материалам I Всероссийской научной конф., орел, 2003Т.1 Орел: ОРЛИК. 2003 с.57-59.
2. Трофимчук А.К., Комозин П.Н. //ЖАХ. 2004.Т59. №6. С. 614-620.
3. Рябушко О.П., Зайцева Г.Н. //Укр. хим. журн. 1990. Т.56. №3. С.267-271.
4. Шапкин Н.П., Завъялов Б.Б., Скобун А.С. и др. //Изв. Вузов. Химия и химическая технология. 2003. Т.46. №2. С.101-104.
5. Ергожин Е.Е., Акимбаева А.М., Габдулина Ю.Р.//Материалы 2 междунар. конф. «Металлургия цветных и редких металлов. Красноярск. 9-12 сентября 2003.Т.2. С.87-88.
6. Ергожин Е.Е., Акимбаева А.М., Товасаров А.Д. //Пластич. массы. 2005. №10. С.27-29
7. Салдадзе К.М., Копылова В.Д., Меквабишвили Т.В. и др. //Координационная химия. 1976. Т.2.Вып.3. С.382-385.

---