Способ экстракции ионов металлов Российский патент 2018 года по МПК B01D11/00 

Изобретение относится к области химии и технологии экстракции расплавами, которая используется в аналитической химии для разделения и концентрирования компонентов смесей.

Экстракция ионов металлов с использованием легкоплавких веществ находит все более широкое применение в аналитической химии для концентрирования, разделения и определения элементов. Рассматривается случай, когда легкоплавкое органическое вещество является одновременно реагентом и экстрагентом образующегося соединения с ионом металла. Экстракцию проводят из нагретых на водяной бане водных растворов легкоплавким экстрагентом, т.е. осуществляют экстракцию расплавами. При охлаждении до комнатной температуры жидкий концентрат переходит в твердое состояние и легко отделяется от рафината.

Рассмотрим аналог - экстракцию элементов легкоплавкими смесями, содержащими диантипириалканы и производные бензойной кислоты (Аликина Е.Н., Дегтев М.И. Сравнительная характеристика расслаивающихся систем, содержащих диантипирилалканы и производные бензойной кислоты // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2009. №2. С. 13-18.). Сущность способа заключается в использовании в качестве экстрагента легкоплавкой смеси диантипирилметана или его гомолога с производными бензойной кислоты, в частности салициловой кислотой. При нагревании на водяной бане до 80-90°C смесь превращается в жидкость, в которую переходят ацидокомплексы элементов, образовавшиеся в водном растворе в присутствии анионов комплексообразователей (галогенидов, псевдогалогенидов).

Недостаток способа заключается в использовании для расслоения системы органической кислоты.

Наиболее близким по технической сущности и результату прототипом является способ экстракции кобальта(II) (Аликина Е.Н., Дегтев М.И. Экстракция кобальта(II) расплавами смесей диантипирилалканов и бензойной кислоты // Современные наукоемкие технологии. 2008. №1. С. 12-16), где в качестве экстрагента используют легкоплавкую смесь диантипирилгексилметана и бензойной кислоты, взятых в мольном соотношении 1:0,25-4, экстракцию осуществляют при кислотности среды по HCl 0,05-3,00 моль/л при повышенной температуре (водяная баня).

К недостаткам способа относятся использование дорогостоящего гомолога - диантипирилгексилметана, а также необходимость использования для достижения требуемого эффекта смеси диантипирилгексилметана с бензойной кислотой с ограниченным мольным соотношением компонентов.

Задачи изобретения:

1. Упростить процесс за счет исключения бензойной кислоты;

2. Уменьшить стоимость процесса путем замены дорогого диантипирилгексилметана более дешевым диантипирилметаном;

3. Использовать образующийся малорастворимый легкоплавкий экстрагент - дитиоцианат диантипирилметания, превращающийся при нагревании на водяной бане в несмешивающуюся с водным раствором жидкость;

4. Расширить перечень извлекаемых ионов металлов (в экстракт переходят ионы кобальта, железа (III), цинка, кадмия) для обеспечения концентрирования как индивидуальных ионов металлов, так и группового извлечения.

Сущность изобретения

Способ экстракции ионов металлов диантипирилметаном, образующим в системе вода - минеральная кислота - тиоцианат аммония легкоплавкий экстрагент - дитиоцианат диантипирилметания, который обеспечивает количественную индивидуальную или групповую экстракцию ионов металлов при оптимальной концентрации ионов водорода в интервале от 0,5 до 2,5 моль/л и тиоцианат ионов в интервале от 0,5 до 1,5 моль/л.

Осуществление изобретения

Способ экстракции ионов металлов: вводят 2,0 мл 0,1 М раствора хлорида или сульфата элемента, подкисляют серной кислотой, вводят раствор тиоцианата аммония, воду и затем к водному раствору тиоцианатного комплекса элемента приливают раствор диантипирилметана (ДАМ) до общего объема 20 мл. Ввиду низкой растворимости ДАМ в воде готовят раствор на 0,5 М HCl. При нагревании содержимого стакана на водяной бане до 90°C выделившейся при добавлении кислого раствора ДАМ осадок (твердая фаза) превращается в жидкость. После 10 минутного перемешивания содержимое стакана охлаждают до комнатной температуры, при этом жидкость превращается в твердый концентрат элемента. После экстракции расплавом степень извлечения элемента рассчитывают (примеры) по результатам комплексонометрического титрования твердого концентрата и маточного раствора в условиях, оптимальных для титрования каждого элемента ЭДТА. Дитиоцианат диантипирилметана является легкоплавким соединением и при нагревании на водяной бане превращается в несмешивающуюся с водным раствором жидкость. Расплав дитиоцианата диантипирилметания имеет очень высокие концентрации протонированного катиона диантипирилметана и тиоцианат ионов, что обеспечивает эффективную экстракцию в этот расплав ионов металлов в виде ионных ассоциатов. При экстракции происходит замена простого тиоцианата иона комплексным металлосодержащим анионом (ацидокомплексом). При оптимальной концентрации ионов водорода в интервале от 0,5 до 2,5 моль/л и тиоцианат иона в интервале от 0,5 до 1,5 моль/л.

Отличительные существенные признаки для упрощения, удешевления процесса и расширения перечня извлекаемых ионов металлов:

1. Исключение из процесса органической кислоты;

2. Замена дорогого диантипирилгексилметана более дешевым диантипирилметаном;

3. Введение кислого (на HCl) раствора ДАМ в кислый тиоцианатный водный раствор с подлежащими экстракции ионами металлов для образования малорастворимого дитиоцианата диантипирилметания, превращающегося при нагревании на водяной бане в несмешивающуюся с водным раствором жидкость;

4. Расширение перечня извлекаемых ионов металлов (в экстракт переходят ионы кобальта, железа (III), цинка, кадмия), что обеспечивает концентрирование как индивидуальных ионов металлов, так и групповое извлечение.

Указанные выше отличительные признаки направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

ПРИМЕРЫ

Рассмотрим примеры экстракции четырех элементов (Fe3+, Со2+, Zn2+ и Cd2+) расплавом дитиоцианата диантипирилметана (ДАМ).

В стеклянный стакан вводят 2,0 мл 0,1 М раствора хлорида или сульфата элемента, подкисляют серной кислотой до определенной кислотности, вводят раствор тиоцианата аммония, воду и затем к водному раствору тиоцианатного комплекса элемента приливают раствор диантипирилметана до общего объема 20 мл. Ввиду низкой растворимости ДАМ в воде готовят раствор на 0,5 М HCl. При нагревании содержимого стакана на водяной бане до 90°C выделившейся при добавлении кислого раствора ДАМ осадок (твердая фаза) превращается в жидкость. После 10 минутного перемешивания содержимое стакана охлаждают до комнатной температуры, при этом жидкость превращается в твердый концентрат элемента. После экстракции расплавом степень извлечения элемента рассчитывают (примеры) по результатам комплексонометрического титрования твердого концентрата и маточного раствора в условиях, оптимальных для титрования каждого элемента ЭДТА, с индикатором сульфосалициловой кислотой в случае Fe³⁺, мурексидом при титровании Со²⁺, эриохромом черным для Zn²⁺ и Cd²⁺. При оптимальной концентрации ионов водорода в интервале от 0,5 до 2,5 моль/л и тиоцианат иона в интервале от 0,5 до 1,5 моль/л.

Рассмотрено влияние на степень извлечения (R, %) 2⋅10^-4 моль элементов расплавом дитиоцианата диантипирилметания следующих факторов: концентрации ионов водорода (C_H⁺) при 0,5 М KSCN и 1⋅10^-3 моль ДАМ (табл. 1), концентрации тиоцианат-ионов (C_SCN-) при C_H+=0,5 моль/л и 2⋅10^-3 ДАМ (табл. 2) и количества ДАМ при C_H+=1,0 моль/л и C_SCN-=1,0 моль/л (табл. 3).

Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для разделения и определения металлов. Способ экстракции ионов металлов включает извлечение из кислых растворов. В качестве легкоплавкого экстрагента используют дитиоцианат диантипирилметания, образующийся в системе вода - минеральная кислота - тиоцианат аммония - диантипирилметан, обеспечивающий экстракцию ионов цинка (II), кадмия (II), железа (III), кобальта (II) при концентрации ионов водорода в интервале от 0,5 до 2,5 моль/л и тиоцианат-ионов в интервале от 0,5 до 1,5 моль/л. Технический результат: повышение селективности и безопасности анализа. 3 табл.

Способ экстракции ионов металлов, включающий извлечение из кислых растворов, отличающийся тем, что в качестве легкоплавкого экстрагента используют дитиоцианат диантипирилметания, образующийся в системе вода - минеральная кислота - тиоцианат аммония - диантипирилметан, обеспечивающий экстракцию ионов цинка (II), кадмия (II), железа (III), кобальта (II) при оптимальной концентрации ионов водорода в интервале от 0,5 до 2,5 моль/л и тиоцианат-ионов в интервале от 0,5 до 1,5 моль/л.