СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 1998 года по МПК C22B3/44 C22B15/00 C22B19/00 

Извлечение ионов тяжелых металлов из водных растворов относится к извлечению веществ из водных растворов с использованием сорбентов и/или флокулянтов при реагентном осаждении и может быть использовано в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков.

Известен способ ионообменной очистки сточных вод [1], в котором для очистки сточных вод используют глинистые алюмосиликатные минералы, в основном бентонитовые глины.

Недостатком данного способа является отсутствие оптимальных условий использования глин для извлечения катионов, что приводит к повышенному расходу реагентов.

Наиболее близким техническим решением является способ извлечения ионов тяжелых металлов с помощью бентонитовых глин [2], в котором использовали модельные растворы сульфатов меди, цинка, кадмия и кальция с концентрацией исходных растворов по металлу 16 - 60 мг/дм³. При времени перемешивания 30 мин, отстаивания 2 ч расход бентонитовых глин без дополнительного использования нейтрализатора составил 15 - 20 г/дм³, при этом бентонитовые глины медленно отстаивались.

С целью повышения степени осветления растворов использовали активированную глину, полученную обработкой последней в гидротермальных условиях 10%-ным раствором щелочи или кислоты при 105 - 110^oC в течение 5 - 6 ч.

Расход активированной бентонитовой глины составил 10 г/дм³, время перемешивания 30 мин, отстаивания 2 ч.

Лучшие результаты были получены с бентонитовой глиной, предварительно обработанной щелочью. При pH осаждения 6,3 - 8,5 степень очистки от ионов меди, цинка и кадмия составила соответственно, %: 99,8; 99,7 и 98,8. Растворы полностью осветлялись после отстаивания в течение 30 мин, степень очистки от взвешенных веществ составила 95 - 98%.

При использовании бентонитовой глины, предварительно обработанной кислотой, очищаемые сточные воды быстро осветляются, но очистка растворов от ионов цветных металлов незначительна. При pH осаждения 5,9 степень очистки от ионов меди, цинка и кадмия составила соответственно, %: 13,3; 3,5 и 19,1.

Недостатками способа являются сложность предварительной подготовки активированной глины, большие расходы глины и других реагентов, неизменность соотношения составов глины и нейтрализатора, который содержится в составе активированной глины.

Задачей изобретения является создание оптимальных условий извлечения ионов тяжелых металлов из водоемких стоков с солесодержанием, способствующим образованию коллоидных, мелкодисперсных систем с трудноосаждаемыми взвесями.

Технический результат изобретения заключается в осаждении ионов тяжелых металлов в широком диапазоне pH, в экономичности процесса за счет сокращения расхода реагентов и получения плотного осадка с низким влагосодержанием при одновременно высокой степени извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, включающем введение в исходный раствор бентонитовой глины и нейтрализатора, перемешивание и отстаивание, бентонитовую глину вводят с концентрацией не более 5 г/дм³, а нейтрализацию раствора осуществляют до и после введения глины при 2,0≤pH≤12,0.

Изобретение поясняется графиками, изображенными на фиг. 1 - 8.

Пример. Бентонитовая глина содержала в качестве основных компонентов алюминий, кремний, железо, магний, кальций, в качестве примесей - натрий, барий, марганец, титан.

В глине содержался кварц, кальцит, пирит и другие минералы.

Глина набухала незначительно в кислой среде и значительно в щелочной.

Фракционный состав бентонитовой глины приведен в табл. 1
Если пульпу бентонитовой глины с концентрацией 5 г/дм³ перемешивать в течение 2 ч при pH 2,5 или при pH 10,0, то после фильтрации в фильтрат переходят элементы в количестве, указанном в табл. 2.

Из данных табл. 2 следует, что в глине обменными катионами являются натрий, кальций и магний. Высокое содержание ионов железа благоприятствует соосаждению ионов тяжелых металлов (полное осаждение гидроксида железа (III) происходит при pH 1,5 - 4,1).

В качестве исходного раствора использовали сульфаты цинка (фиг. 1), меди (фиг. 2), никеля (фиг. 3), кадмия (фиг. 4), хрома (фиг. 5), марганца (фиг. 6), алюминия (фиг. 7) и железа (II) (фиг. 8) с концентрацией 35 - 60 г/дм³ по металлу.

Исследованы условия извлечения этих металлов из водных растворов в широком диапазоне pH с помощью бентонитовых глин.

В исходном растворе сульфата металла объемом 200 см³ устанавливали заданное значение pH, после чего в раствор добавляли 1 г глины, раствор перемешивали 15 мин, отстаивали 2 ч. В течение указанного времени корректировали pH раствора до заданного значения растворами кислоты H₂SO₄ или щелочи NaOH, после чего раствор декантировали и определяли содержание в нем иона тяжелого металла.

Результаты эксперимента представлены на графиках фиг. 1 - 8 в виде зависимости остаточной концентрации ионов тяжелых металлов в декантируемом растворе от pH осаждения металла на бентонитовой глине.

На графиках фиг. 1 - 8 сплошной линией даны результаты с использованием необожженной глины, пунктирной - с использованием обожженной глины (обжиг при 200^oC в течение 5 - 6 ч).

Из графиков фиг. 1 - 8 можно сделать следующие выводы:
извлечение металла в зависимости от его природы начинает осуществляться в кислой области при pH 2 - 4 с сорбционной обменной емкостью (СОЕ) в мг адсорбата (металла) на 1 г адсорбента (глины), рассчитанной для каждого металла по данным графиков фиг. 1 - 8 и составляющей 3 - 10 мг/г;
полное осаждение ионов тяжелых металлов осуществляется при pH полного осаждения гидроксидов металлов, в присутствии бентонитовой глины образование осадка и осветление раствора осуществляется быстрее, повышается степень извлечения ионов тяжелых металлов, образуются более плотные осадки с низким влагосодержанием, причем влага легко теряется при просушивании осадка;
величина pH начала обратного растворения осажденных металлов в большинстве случаев соответствует значению pH 12 - 14.

Результаты удаления ионов тяжелых металлов из водных сульфатных растворов в интервале 2≤pH≤14 бентонитовой глиной с концентрацией C_глины = 5 г/дм³ представлены в табл. 3.

Из данных табл. 3 следует, что бентонитовая глина извлекает ионы тяжелых металлов в широком диапазоне pH, для большинства металлов этот диапазон равен 2≤pH≤12.

Извлечение ионов тяжелых металлов бентонитовой глиной основано на сочетании в ней таких свойств, как нейтрализатор кислых растворов, сорбент, коагулянт, флокулянт.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет изменять соотношение расхода глины и нейтрализатора и находить оптимальные условия их использования.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет в широком диапазоне pH осуществлять быстрое осветление раствора, получать плотные осадки при одновременном глубоком извлечении ионов тяжелых металлов из водных растворов, отделять осветленную водную фазу декантацией, минуя трудоемкую стадию фильтрации.

Способ может быть использован в извлечении веществ из водных растворов с использованием сорбентов и/или флокулянтов при реагентном осаждении и может быть использован в цветной и черной металлургии, а также для очистки промышленных и бытовых стоков. В исходный раствор вводят бентонитовую глину и нейтрализатор, пульпу перемешивают и отстаивают, причем бентонитовую глину вводят с концентрацией не более 5 г/дм³, а нейтрализацию осуществляют до и после введения бентонитовой глины при 2 ≤ рН ≤ 12. За счет сокращения расхода реагентов и получения плотного осадка с низким влагосодержанием при одновременно высокой степени извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов существенно повышается экономичность процесса. 8 ил., 3 табл.

Способ извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, включающий введение в исходный раствор бентонитовой глины, перемешивание и отстаивание, отличающийся тем, что до и после введдения бентонитовой глины в исходный раствор осуществляют нейтрализацию раствора при 2 ≤ pH ≤ 12, а бентонитовую глину вводят при концентрации не более 5 г/дм³.