Определение лантана из сурьмяных отходов спектрофотометрическим методом

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 54.542.543                                    

На территории Кадамжайского сурьмяного комбината Кыргызской Республики, имеется большое количество промышленных отходов. Металлы побочной подгруппы 111 группы. Лантаноиды. В эту группу входят скандий, иттрий, лантан, актиний и два семейства 14 элементов. Известно, что к редкоземельным металлам относятся: лантан, церий, неодим, празеодим, самарий, прометий, гадолиний, европий, тербий, гольмий, диспрозий, эрбий, иттербий, лютеций, тулий, скандий, иттрий. Атомы этих элементов имеют потри валентных электрона: да электрона в s-состоянии на внешнем и один в d-состоянии на пред внешнем уровнях .элементы подгруппы скандия являются d-элементами и для них характерно трехвалентное состояние. Атомы этих элементов сходны с атомами элементов главной подгруппы по числу валентных электронов, но отличаются по электронной конфигурации внешнего и пред внешнего уровней. Из-за больших размеров атомов и ионов элементов побочной подгруппы 111 группы и наличия только двух электронов на внешнем уровне, эти элементы проявляют более ярко выраженные металлические свойства, чем элементы главной группы. По этой причине они обнаруживают некоторое сходство со щелочноземельными металлами [1–3].

Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники:  в радиоэлектронике, в приборостроении, атомной технике, в машиностроении, в химической промышленности, в металлургии и др. Широко применяют La, Ce, Nd, Pr в стекольной промышленности в виде оксидов и других соединений. Эти элементы входят в состав стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи, кислотно- и жаростойких стекол. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединение в химической промышленности, например, в производстве пигментов, лаков и красок, в нефтяной промышленности как катализаторы.

Редкоземельные элементы применяют в производстве некоторых взрывчатых веществ, специальных сталей и сплавов как газопоглотители. Монокристаллическое соединение редкоземельных элементов применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике. Высокие темпы роста за последние 20 лет вызваны увеличением спроса на жесткие диски, персональное звуковое оборудование и небольшие электродвигатели в некоторых автомобилях. На металлургические предложения, которые включают в себе использование редких земель в никель-металл-гидридных (NiMH) батареях. NiMH-батареи показали самые высокие темпы роста в этом секторе в течение последнего десятилетия, что изначально была обусловлена увеличением спроса на портативное электронное оборудование, а затем использованием этих батарей в электросистемах HEV.

Легкие редкоземельные элементы (LREE) используются в производстве жидких катализаторов каталитического крекинга (FCC) и авто катализаторов, которые вместе составляют около 16% мирового спроса. Пересмотр использования РЗЭ в магнитах и любой продолжительный период высоких цен могут ограничить использование магнитов NdFeB в электродвигателях с постоянными магнитами для электроавтомобилей и ветровых трибун.

Индивидуальные РЗЭ используются в производстве каталитических фильтров-нейтрализаторов (цезий, неодим). В металлургии РЗМ используются для получения особых сортов чугуна, стали и сплавов цветной металлургии, РЗМ повышают качество металлургических продукций, улучшают их свойства, в частности удар прочные и коррозионностойкие.

Редкоземельные металлы также используются в военно-промышленном комплексе, без них современные двигатели беспилотных летательных аппаратов и большие части оборудования с бескомпьютерным управлением невозможно. Перечислим в качестве примера, где можно найти редкоземельные элементы в оборудовании и вооружении мощнейшей Российской подводной лодки класса «Антей». В производстве генераторов и электроприемников (лантан, празеодим, диспрозий и тербий), в сенсорных датчиках и люминофоры дисплеев на командовании, с использованием РЗЭ эффективно работает.

Гидролокаторы и оптические системы наблюдения и управления движением произведены с применением неодима, тербия, лантана и церия, а для выпуска электроприводов оперения стабилизаторов баллистических ракет, систем контроля гравитации стабилизаторах «умных» бомб используется самарий и неодим.

Данные элементы используются в совершенно различных отраслях. Например, их широко применяют в стекольной промышленности. Во-первых, они повышают светопрозрачность стекла, а во-вторых эти металлы используются для производства стекла специального назначения — стекла поглощающие ультрафиолетовые лучи или пропускание инфракрасных излучений. С помощью редкоземельных веществ производят жаростойкие. Самые высокие темпы роста РЗЭ прогнозируется для магнитов катализаторов и керамики со средними ежегодными темпами роста 6% за период. Люминофоры и пигменты составляют чуть более 6% от общего объема потребления редкоземельных элементов, но почти 15% по стоимости.

Люминофор является основным рынком для европия и иттербия, тяжелых редкоземельных элементов (HREE) с высокой стоимостью, а также церия [4].

Определение РЗЭ проводится весовым, кондуктометрическим, фотометрическим, рентгенофлуоресцентным, спектрографический методом, спектрофотометрическим и т. д.

Массовая для каждого отдельного элемента в материале содержащем смесь редкоземельных элементов, по сравнению с общим содержанием редкоземельных элементов в материале [5].

Показана возможность комплекс образования скандия, иттрия и празеодима β-гидроксилмалеинимидом и найдены оптимальные условии этого процесса, эквивалентная электропроводность комплекса скандия, иттрия и празеодима с β-гидроксилмалеинимидом. Разработанная кондуктометрическая методика определения скандия, иттрия и празеодима о цене на метрологический, изучено мешающие влияние, результаты применены для анализа различных природных объектов [6].

Фотометрия представляет собой часть абсорбционной спектрофотометрии, охватывающую область видимого излучения. Фотометрические методы определения элементов основаны на простой зависимости между интенсивности окраски раствор и концентрацией вещества в растворе. Для фотометрического определения используется или окраска самого элемента (иона), или что случается более часто, окраска соединения, в которое переводится определяемый элемент. Если элемент (ион) не окрашен и его нельзя перевести в окрашенного соединении, то используют косвенные фотометрические методы. Фотометрические методы основаны на цветных реакциях, в результате которых окраска появляется, изменяется или исчезает. Методы эти отличается универсальностью, высокой чувствительностью и точностью. В настоящее время разработаны фотометрические методы определения практически всех элементов, за исключением благородных газов. Определение элементов можно проводить в очень широком интервале концентрации компонентов пробы: от микроколичества — 50–1% до микроколичества порядка 10-6–10-8%. Причем по точности фотометрические методы превосходят многие другие инструментальные методы, к перечисленным преимуществам фотометрии следует добавить ее доступность. Средней фотоколориметр-основной прибор фотометрии в настоящее время относительно дешев, его стоимость значительно ниже стоимости приборов, необходимых для многих других инструментальных методов анализа [7].

Определение редкоземельных элементов рентгенофлуоресцентным методом. Методика XRF-SCIENTIFIC. Рентгенофлуоресцентным экспресс методом определяют сыпучих все порошок образных проб с аппаратом ХL3T-960 (США).

Комплекс спектрографический ИСП-28 и ИСП-30 предназначен для спектрального анализа твердых проб и применяется в испытательных лабораториях металлургических промышленности Принцип действия комплекса основан на методе эмиссионного оптического спектрального анализа с возбуждением пробы с помощью искры. Комплекс спектрографический включает в себе спектрограф кварцевый ИСП-28 с искровым генератором ИГ-3 и спектрограф кварцевый ИСП-30 с дуговым генератором ДГ-2, микрометр МФ-2 Искровой генератор ИГ-3 и дуговой генератор ДГ-2 предназначен для возбуждения эмиссионного потока излучение от искры (дуги) между образцом и электрода. Спектральный состав излучения определяется химическим составом исследуемый проб. Спектрографы кварцевые ИСП-28 и ИСП-30 предназначены для анализа и фотографирования эмиссионного потока излучения. Спектрографы состоят из оптической системы, которая фокусирует эмиссионный поток излучения входной щели, диспергирующей кварцевой призмы. Излучение спектральных линий 3 выделяемых призмой, фокусируется объективом и проецируется на фотопластинку. Степен засветки (почернения) изображения каждой спектральной линии на фотопластинке пропорционально интенсивности линии. После проведения измерений и проявки фотопластинки оптическая плотность каждой линии, соответствующей интересующим химическим элементам в пробе, фотометрируется на микрометре типа МФ-2 или другом, измеряющем оптическую плотность в диапазоне от 0 до 1,40 Б с абсолютной погрешностью не более ±0,02Б. Для перевода значений оптической плотности спектральных линий на фотопластинке в концентрацию химического элемента в пробе проводится построение градировочных зависимостей на основе анализа стандартных образцов соответствующих сплавов металлов родственных измеряемым.

Спектрометрический метод — один наиболее распространенных методов как количественного, так и качественного анализа в современной химии. Спектрофотометрия в ультрафиолетовой и видимой областях спектра — это метод молекулярной абсорбционной спектроскопии, основанных на измерения и изучении спектров поглощения электромагнитного излучения молекулами в оптической области. Измерения обычно проводят ближней ультрафиолетовый области (диапазон волны приблизительно 180–400 нм) и видимой области (диапазон волны приблизительно 400–800 нм) [8].

Экспериментальная часть

Навеску концентрата содержащего РЗЭ помещают в стакан емкости 100 мл, смачивают небольшим количеством воды, прибавляют рассчитанное с 30% избытком по отношению к навеске количество соляной кислоты (1:1) нагревают и упаривают на водяной бане. Затем добавляют повторно такое же количество соляной кислоты и упаривают раствор на водяной бане до образования влажных солей. Остаток после выпаривания растворяют в воде при слабом нагревании отфильтровывают не растворимый осадок промывают 3 раза по 2 мл дистиллированной водой, переносят раствор в мерную колбу емкостью 25 мл и доводят объем раствора до метки водой. Стандартный раствор лантана, приготовит в мерной колбе емкостью 100 мл дистиллированной воды 0,2058 г лантан азотнокислый 6-водный La(NO) 3 × 6H 2 O. Стандартный раствор нитрата лантана содержащий 0,5 мг La в 1 мл.

Готовят полоску фильтровальной бумаги, наносят микропипеткой 0,05 мл раствора нитрата лантана, имеющего pH=5, и высушивают на воздухе. Затем бумагу погружают на 5 сек в 0,001 M водно-спиртового реактива метилового тимолового синего, высушивают на воздухе в течение 30 мин и снимают спектр отражения. Для построения калибровочного графика на полоски бумаги наносят микропипеткой по 0,05 мл раствора нитрата лантана, содержащих 60, 90, 120, 150 и 180 мкг лантана и имеющих pH=5. Бумагу высушивают на воздухе и затем каждую полоску в отдельности погружают на 5 сек в 0,001 М водноспиртовой раствор метилового тимолового синего.

После высушивания на воздухе в течение 30 мин определяют коэффициент отражения окрашенных зон при L=600 нм и строят калибровочной график «коэффициент отражения-концентрации лантана. Эталоном сравнения служит фильтровальная бумага, погруженная на 5сек в раствор метилового тимолового синего той же концентрации и высушенная в течение 30 мин на воздухе. Определение коэффициент отражения измерено спектрофотометром ПЭ 5400 уф исследуемой хроматограммы при 600 нм, при помощи калибровочного графика находят неизвестное содержание лантана в исследуемой пробе [8].

Обработка экспериментальных данных проводились на основе следующей формулы:

Х = (А-а) × 1000

V где А — количество лантана в пробе, найденное по калибровочной кривой, мг; а — количество лантана найденное в холостой пробе, мг; V — объем раствора, взятой для анализа.