Анализ возможности извлечения меди из сточных вод с малой концентрацией металла методом экстракции

Существующая проблема очистки загрязненных вод от металлов привела к появлению большого количества методов очистки сточных вод от меди. Однако большинство из них не позволяют селективно извлекать металлы [1–4].

Эта проблема решается применением метода цементации, основанного на реакции замещения ионов меди на поверхности железного лома. Однако цементация имеет ряд недостатков, основными из которых являются необходимость высоких концентраций меди в растворах и накопление ионов железа в воде [5, 6]. Последние представляют не меньшую опасность для водного объекта.

Метод экстракции по сравнению с другими методами обладает рядом преимуществ, заключающихся в следующем:

• –    обеспечивается высокая селективность, позволяющая разделить близкие по свойствам элементы (медь, цинк, железо и др.);

• –    эффективное разделение жидких фаз;

• –    возможность регенерации используемых реагентов, что значительно удешевляет процесс очистки сточных вод [2, 3];

• –    возможность извлечение меди из растворов с пониженной концентрацией, что и доказывается в данной статье.

Проведение экспериментов

По результатам литературно-патентного обзора [6–10] было выявлено, что все предыдущие исследования по вопросу экстракции меди, лабораторные и натурные работы проводились на растворах с концентрациями меди более 1 г/л, в то время как большинство сточных вод имеют концентрацию значительно меньшую. В данной работе начальной была принята концентрация меди в исходной воде 800 мл/л.

При поиске наиболее эффективного экстрагента учитывались следующие факторы:

• 1)    эффективность извлечения меди из растворов;

• 2)    экологическая и санитарная безопасность;

• 3)    стоимость;

• 4)    доступность;

• 5)    возможность регенерации.

Такими свойствами обладают общедоступные растительные масла.

Механизм экстрагенции жиров и масел заключается в возможности присоединения атомов водорода при наличии в молекулах двойных связей. Он характерен для ненасыщенных жирных кислот.

Анализ показал, что наибольшее количество мононенасыщенных жирных кислот содержит оливковое масло, в котором содержание олеиновой кислоты (C17H33COOH) колеблется от 55 до 85 %. Это гораздо больше, чем в любом другом масле или жире. Кроме того, следует учесть, что основным источником олеиновой кислоты является именно оливковое масло.

Повышенная эффективность оливкового масла подтверждается в работе [6]. Однако в данной работе использовались растворы с более высокими концентрациями меди.

Методика проведения лабораторных исследований представлена на рис. 1.

Одной их первых задач, поставленных в исследовании, является нахождение оптимального соотношения объемов испытуемого раствора с объемом экстрагента (В:О).

На рис. 2 приведена зависимость концентрации извлеченной меди от соотношения В:О. Ожидаемый результат был спрогнозирован после проведения опытов.

Как следует из графика, максимальная эффективность извлечения меди составляет 6 к 1, что противоречит прогнозному значению, полученному по литературно-патентным исследованиям. Это означает, что экстракция меди из малоконцентрированных растворов имеет свои особенности по сравнению с растворами с высокой концентрацией.

В реалии сточные воды, загрязненные медью, имеют различные значения pH. Эти значения являются управляемыми факторами, то есть имеется возможность изменять их в технологическом процессе извлечения меди из сточных вод. Поэтому

Рис. 1. Методика проведения лабораторных исследований

—•—Фактический результат

- ■ -Ожидаемый результат

Рис. 2. График зависимости эффективности извлечения меди из раствора со значением pH 10,1 от соотношения раствор:экстрагент В:О

теоретический и практический интерес представляет установление влияния pH водного раствора на интенсивность извлечения меди.

Зависимость концентрации извлеченной маслом меди от pH раствора представлена на рис. 3.

Как следует из приведенного графика (рис. 3), наилучшим pH раствора является pH 7–9. До значений меньше 7 процесс извлечения меди из раствора протекает весьма слабо либо вовсе не идет. При значениях выше 9 мутность экстракта увеличивается при одновременном снижении эффективности извлечения меди (рис. 4).

Установленное наилучшее значение водородного показателя при экстракции меди подтверждается также такими показателями эффективности процесса экстракции оливковым маслом, как коэффициент распределения (отношение концентрации элемента А в органической среде к водной в условиях установившегося экстракционного равновесия (равновесные концентрации)), так и степень экстракции (доля экстрагируемого элемента, перешедшего в экстракт, от общего его количества в обеих фазах). Результаты расчетов показаны на рис. 5, 6.

Как видно из рис. 5, 6, оптимальным значением водородного показателя исходного водного раствора является 8. Степень извлечения меди составляет (99,5 %).

Именно поэтому это значение водородного показателя было выбрано для последующих экспериментов.

Полученные результаты по выявлению оптимальных параметров процесса экстракции позволили провести итоговые исследования по вопросу выявления эффективности извлечения меди из растворов. Для этого было заготовлено пять проб с концентрацией меди 800 мл/л. Значение рН раствора – 8. Соблюдалось соотношение раствора к экстрагенту 6:1.

Результаты концентрации меди в экстракте и остаточная концентрация меди в растворе (рафинате) показаны на рис. 7.

Рис. 3. Зависимость эффективности извлечения меди из раствора от pH

—•— Концентрация меди, мг/л

pH 4

pH 8

pH 10

Рис. 4. Внешний вид экстракта при различных значениях водородного показателя исходного раствора

Величина pH

■ Степень экстракции h, %

Рис. 6. Зависимость степени экстракции меди в оливковое масло от рН исходного раствора

• ■ Коэффициент распределения для оливкового масла

Рис. 5. Зависимость коэффициента распределения меди от водородного показателя исходного раствора

■ Концентрация меди в масле, мг/л

■ Остаточная концентрация меди в растворе, мг/л

Рис. 7. Концентрации меди в растворе и в оливковом масле после экстракции

Как видно из рис. 7, максимальная концентрация меди в масле наблюдалась в третьей пробе. Среднее значение в группе составляет 11300 мг/л. Концентрация меди в экстракте увеличилась в 14 раз (с 800 мг/л до 11 300 мг/л).

Следует отметить, что извлечение меди из раствора с применением электроэкстракции возможно только тогда, когда ее концентрация превышает 635 мг/л. Только тогда медь будет осаждаться на электродах. Однако при столь малой концентрации затраты на электроэнергию столь высоки, что производство становится нерентабельным.

Таким образом, проведенными исследованиями было доказано, что количество меди, которую можно экстрагировать с помощью оливкового масла, в 17,8 раза превышает то количество, которое необходимо для процесса электролиза.

Полученными результатами было доказано, что оливковое масло является весьма эффективным экстрагентом и может применяться в технологии очистки сточных вод от меди и получения товарной продукции – чистовой меди.

Организовать добычу чистовой меди возможно в зоне затопления пиритовых хвостов в старой пойме р. Сак-Элга Челябинской области [11]. Экологические мероприятия, реализованные на этой реке в целях предотвращения загрязнения питьевого источника Челябинской агломерации – Арга-зинского водохранилища, предусматривали отвод чистого стока реки по другому руслу и создание пруда для сбора оставшегося загрязненного стока реки на месте залегания пиритовых хвостов.

По нашим водобалансовым расчетам возможно организовать бессточный режим этого пруда, в этом случае загрязненный сток, поступающий в пруд, будет идти на испарение. Это приведет к тому, что концентрация меди в воде будет повышаться и возникнет возможность организовать эффективный процесс извлечения меди и других металлов (например, цинка) из этих вод.

Выводы и предложения

Проведенные исследования позволили выявить следующее:

• 1.    Оптимальными управляемыми параметрами процесса экстракции меди с помощью оливкового масла, используемого в качестве экстрагента, при начальной концентрации меди в растворе 800 мл/л являются

  – водородный показатель раствора равный 8;

  – соотношение объема водного раствора к экстрагенту при экстракции 6 к 1.

• 2.    Использование оливкового масла в экстракции из растворов с концентрацией 800 мл/л позволяет увеличить концентрацию меди в экстракте в 14 раз (с 800 мг/л до 11 300 мг/л).

• 3.    Полученные значения концентрации в экстракте позволяют получать чистовую медь методом электроэкстракции.

• 4.    Перспективным местом добычи меди из сточных вод и предотвращения загрязнения Арга-зинского водохранилища – источника питьевого водоснабжения Челябинской агломерации – является пруд, созданный в зоне затопления пиритовых хвостов в старой пойме р. Сак-Элга.