Введение к работе
Актуальность темы. Экстракция, являясь одним из наиболее эффективных методов разделения и концентрирования веществ, основана на их неравномерном распределении между водным раствором и несмешивающимся с ним органическим растворителем. Переход вещества из водной фазы в органическую в существенной степени зависит от разности энергии его гидратации и сольватации в этих средах. Возможность влиять на эти два параметра путем введения реагентов, образующих с экстрагируемым веществом соединения с низкой энергией гидратации, позволяет выделять, разделять и концентрировать разнообразные по природе неорганические и органические вещества. Однако в тех случаях, когда образование соединений с указанными свойствами затруднено или невозможно (например, при необходимости экстрагировать высокозарядные неорганические комплексные ионы или хорошо растворимые в воде органические соединения и их комплексы с ионами металлов), использование систем водный раствор - органический растворитель не всегда приводит к желаемым результатам.
В этой связи возник вопрос о нахождении и исследовании гетерогенных жидких систем, обе фазы которых содержат значительные концентрации воды, с тем, чтобы уменьшить влияние гидратации на перенос экстрагируемого вещества из одной фазы в другую. С другой стороны, безусловный практический интерес представляет возможность использовать экстракционные системы, в которых бы отсутствовали органические растворители, являющиеся часто токсичными, летучими, горючими или взрывоопасными.
Указанные требования реализуются в двухфазных системах на основе дешевых, доступных и нетоксичных ПАВ, в том числе вода - оксифос Б - высаливатель, расслаивание в которых на две жидкие фазы наблюдается лишь при определенных значениях концентраций составляющих веществ. Наиболее полную картину фазовых равновесий в изучаемых системах, необходимую для оптимизации экстракционных процессов, можно получить с использованием метода физико-химического анализа путем построения соответствующих диаграмм растворимости. Анализ таких диаграмм позволяет сделать выводы не только о границах области расслаивания, но и о характере взаимодействия компонентов и количественном соотношении фаз в системе.
Стремление расширить возможности выделения и разделения веществ методом жидкостной экстракции за счет использования двухфазных водных систем без органического растворителя послужило основанием для постановки данного исследования.
Представленная работа является обобщением результатов исследований, выполненных автором в Институте технической химии УрО РАН по теме «Исследование равновесий в гетерогенных системах, содержащих соединения металлов и N,0-coдержащие органические лиганды» № гос. регистрации 01201000652. Работа частично финансировалась РФФИ: грант № 07-03-96013 рУрала и грант № 12-03-00222.
Цель работы. Выявление структуры изотермических фазовых диаграмм расслаивающихся систем вода - оксифос Б - высаливатель и возможностей их
применения для экстракционного разделения и концентрирования ионов металлов.
Задачи исследования:
-
изучить фазовые равновесия в водно-солевых растворах оксифоса Б;
-
определить условия существования жидких двухфазных систем в зависимости от концентраций компонентов и кислотности среды;
-
исследовать распределение ряда неорганических ионов, органических комплексообразующих реагентов и их комплексов с ионами металлов;
-
выяснить возможность применения экстракционно-фотометрического метода определения элементов в полученных экстрактах.
Научная новизна работы:
-
Предложена и экспериментально подтверждена возможность использования расслаивающихся на две жидкие фазы систем вода - оксифос Б - неорганический высаливатель для целей жидкостной экстракции ионов металлов.
-
Исследованы фазовые равновесия в девяти ранее не изученных условно трехкомпонентных системах, содержащих воду, оксифос Б и высаливатель. Установлено влияние природы катиона высаливателя на его высаливающую способность.
-
Изучена экстракция неорганических ионов, органических комплексообразующих реагентов и их комплексов с ионами металлов. Установлено, что оксифос Б обладает высокой экстракционной способностью по отношению к ряду ионов металлов.
Практическая значимость работы.
Результаты по растворимости в системах вода - оксифос Б - неорганический высаливатель могут быть использованы в качестве справочного материала для проведения различных химико-технологических процессов. На основе анализа фазовых диаграмм вода - оксифос Б - высаливатель предложены составы оптимальные для целей экстракции.
Показана возможность экстракционно-спектрофотометрического определения кобальта с тиоционатом калия и пиридилазонафтолом, галлия с пиро-катехиновым фиолетовым. Из процесса определения исключены токсичные органические растворители и стадия реэкстракции.
Новизна проведенных исследований и их практическая применимость подтверждена патентом РФ №2350671.
На защиту выносятся:
-
Концентрационные значения интервалов существования областей двухфазного жидкого равновесия в системах вода - оксифос Б - неорганическая кислота.
-
Изотермы растворимости тройных систем вода - оксифос Б - неорганический высаливатель. Концентрационные пределы устойчивости области расслоения в присутствии неорганических кислот, гидроксида натрия и аммиака. Оптимальные для экстракции ионов металлов соотношения компонентов в изученных системах.
-
Закономерности распределения ионов металлов в системах с сульфатами аммония или натрия в присутствии хлороводородной и серной кислот.
4. Распределение органических комплексообразующих реагентов и их комплексов с металлами в системе вода - оксифос Б - сульфат аммония.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и специалистов (Краснодар, 2007), Втором Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж: ВГТА, 2008), X и XI краевых научно-практических конференциях студентов и молодых ученых «Химия и экология» (Пермь, 2008, 2009), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования» (Курск, 2009), IX Международном Курнаков-ском совещании по физико-химическому анализу (Пермь, 2010), II и III международных конференциях «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, ИТХ, 2010, 2012).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 работах. Список публикаций включает 5 статей, из них 3 в рекомендованных ВАК изданиях, 1 патент и тезисы 9 докладов.
Личный вклад соискателя. Автор участвовал в постановке задач исследования, планировании, подготовке и проведении экспериментальной работы, обсуждении, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке основных выводов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей пять глав, выводов, списка литературы (124 наименований). Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц и 56 рисунков.
