УДК 544.723

Адсорбционное извлечение никеля на модифицированном углеродном сорбенте

Чиши Татьяна Сергеевна – аспирант Уральского государственного лесотехнического университета

Свиридов Алексей Владиславович – кандидат технических наук, доцент Уральского государственного лесотехнического университета

Аннотация: В данной работе исследованы физико-химические и адсорбционные свойства новых модифицированных углеродных сорбентов на основе древесного угля БАУ-А. Для модификации которых применялись органические соединения оксимовых групп. Сорбционные свойства модифицированных сорбентов изучались на модельных растворах, содержащих ионы тяжелых цветных металлов. Основным компонентом в модельных растворах являлся ион никеля.

Ключевые слова: сорбция, никель, модифицированный углеродный сорбент.

Введение

В последнее время проблема очистки сточных вод, перед сбросом их в окружающую природную среду, для предприятий горнодобывающего комплекса является острой. Наиболее распространенные технологии, так же используемые реагенты для очистки не обеспечивают очистку до предельно допустимых концентраций (ПДК) для водоемов культурно-бытового, хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения, куда как правило идет сброс технологических сточных вод предприятий.

Технологические сточные воды металлургических предприятий делятся на три вида: средне образующая (для растворения пульп, обогащении и переработке руды, гидротранспорта продуктов и отходов производства); промывная (для промывки жидких, газообразных и твердых продуктов и изделий); реакционная (для приготовления реагентов) [1].  Тяжелые металлы со стоками предприятий металлургических производств попадают в природные воды, что оказывает негативное влияние на окружающую среду. Они проявляют мутационные, канцерогенные свойства, относятся к консервативным веществам и наносят непоправимый ущерб всему живому.

К таким металлам относится и никель. Ионы никеля, содержащиеся в воде в два раза более токсичны, чем его соединения. Повышенное содержание ионов Ni²⁺ оказывает негативное воздействие на сердечно-сосудистую систему, кожу, вызывает различного рода респираторные заболевания, аллергию. При попадании в организм происходят структурное изменения в почках, кроветворных органах, печени [2]. Особую опасность представляют концентрированные растворы процесса никелирования.

В настоящее время актуальной задачей является очистка отработанных растворов производства никеля до существующих нормативов, также идет существенная потеря ценного металла при его попадании в сточные воды [3, 4].

Сырьевой базой получения никеля являются: медно-никелевые сульфидные месторождения, содержание Ni 0,6-5%; никелевые силикатные и кобальт-никелевые силикатные месторождения, содержание Ni- 1,1-2%. 

Для извлечения никеля из всех видов сырья используется как гидрометаллургический, так и пирометаллургической способ извлечения. В настоящее время технологические схемы построены на сочетании гидро- и пирометаллургических методов. Гидрометаллургическая обработка осуществляется путем кислого выщелачивания, чаще всего в качестве выщелачивающего агента служит серная кислота [5]. Важной операцией технологии переработки никелевых руд служит выделение никеля из продуктивных растворов выщелачивания. Одним из доступных и перспективных способов решения этой проблемы является способ селективного адсорбирования [6].

Ход эксперимента

В данной работе изучалась адсорбция никеля на углеродном сорбенте, модифицированном диметилглиоксимом (ДМГ).

Объектом исследования был взят модельный раствор, содержащий ионы тяжелых цветных металлов (в том числе никеля) и рН раствора 3,5.

Для приготовления модельного раствора были использованы соли металлов: моренозит – NiSO₄(H₂O)₇, хлорида железа шести водный – FeCl₃(Н2О)₆, медный купорос – CuSO₄, сернокислый натрий – Na₂SO₄. Величину рН раствора регулировали 1н HCl. Концентрации ионов металлов анализировали с помощью атомно-адсорбционного метода анализа на ICP Mass Spectrometer NexION 350X.

Концентрации ионов металлов раствора представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Элемент  (пересчете на ион металла)	Концентрация иона в модельном растворе, мг/дм3
Ni+2	1190
Fe+3	2,61
Na+	45,78
Сu+2	2,8

В качестве сорбента применялся порошковый березовый уголь марки БАУ-А, соответствующий ГОСТ 6217-74, характеризующийся микропористой структурой и низкой плотностью. Суммарный объем пор по воде 1,6 см³/г [7], адсорбционная активность по йоду составила 64% [8].

Для модификации сорбента применялся приготовленный 1%-ный щелочной раствор ДМГ, образующий с никелем комплексные соединения и являющийся селективным реагентом по отношению к ионам никеля. Приготовление раствора ДМГ проводилось следующим образом. Для получения 3%-ного раствора щелочи в мерную колбу на 1 литр помещалась навеска NaOH, после чего объем доводили до метки дистиллированной водой. Далее ДМГ растворяли в полученном 3%-ном растворе NaOH таким образом, чтобы концентрация ДМГ в растворе составляла 1% по массе. Для этого навеску ДМГ массой 2 гр. помещали в мерную колбу на 200 мл, заливали 3%-ным раствором щелочи до необходимого объема.

Для модификации сорбента брали навески 2 грамма (образец № 1) и 10 грамм (образец № 2) угля БАУ-А на 100 мл раствора 1%-ного щелочного раствора ДМГ. В коническую колобу на 250 мл помещалась навеска угля, после чего добавляли 100 мл щелочного раствора ДМГ. Адсорбция ДМГ на угле проводилась в статическом режиме при постоянном перемешивании при помощи магнитной мешалки при комнатной температуре в течении 30 минут. После чего полученный модифицированный угольный сорбент отфильтровывался и высушивался в сушильном шкафу при температуре 65 градусов Цельсия до постоянного веса.

Сорбцию ионов никеля из модельного раствора проводили в статическом режиме при комнатной температуре в течении 30 минут с постоянным перемешиванием. Сорбция ионов никеля изучалась в диапазоне доз модифицированного сорбентов от 0,5 до 1,5 грамм на 100 мл модельного раствора. На диаграмме 1 показано сравнение степени извлечения ионов никеля в зависимости от модификации сорбента. Приведены данные по сорбции никеля на образцах сорбентов № 1 и № 2, а также на не модифицированном угле БАУ-А. Доза сорбентов на диаграмме № 1 составляла 1 грамм на 100 мл модельного раствора.

Диаграмма 1. 1 – Образец № 1; 2 – Образец № 2; 3 – Уголь БАУ-А без модификации.

Из данных, приведенных на диаграмме видно, что модификация угля БАУ-А щелочным раствором ДМГ существенно увеличивает степень извлечения никеля из модельного раствора. Наилучший результат получен на образце № 1 при массовом соотношении уголь / ДМГ составляющем 10/1.

Далее изучалось влияние дозы модифицированных углеродных сорбентов (в сравнении с не модифицированным образцом) на степень извлечения никеля из модельного раствора. Результаты эксперимента приведены на графике № 1.

График 1. 1 – Образец № 1; 2 – Уголь БАУ-А без модификации. 3 – Образец № 2.

Результаты, приведенные на графике № 1 показывают, что с увеличением дозы модифицированного углеродного сорбента степень извлечения возрастает. Это связано с увеличением количества сорбционных центров. Лучших результатов удалось добиться в эксперименте с максимальной дозой сорбента, где степень извлечения составила 31% от исходной концентрации никеля в модельном растворе.

Так же была изучено влияние рН на степень извлечения ионов никеля модифицированными углеродными сорбентами. В ходе проведенных экспериментов рН модельного раствора варьировалась в диапазоне от 3 до 4,5.

Зависимость степени извлечения никеля (для образца № 1) от рН раствора показана на графике 2.

График 2.

Из приведенной на графике 2 зависимости видно, что с увеличением значения рН степень извлечения никеля из модельного раствора увеличивается. При этом существенного влияния рН на степень извлечения не наблюдается.

Выводы.  В данной работе показана принципиальная возможность выделения никеля на модифицированных углеродных сорбентах. С целью увеличения сорбционной емкости сорбентов была проведена модификация БАУ-А диметилглиоксимом в виде его 1%ного щелочного раствора. Полученные результаты увеличение сорбционной емкости сорбента с 6 мг/г (не модифицированный сорбент) до 35,7 мг/г (образец № 1).

Список литературы

1. Рогожников Д.А. Экологические проблемы металлургического производства. / Рогожников Д.А, Шопперт А.А., И. В. Логинова И.В. // Учебное пособие в двух частях. Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 22.03.02 – Металлургия. – Екатеринбург: Издательство УМЦ УПИ 2017. – 223 с.
2. Сидоренко Г.И. Никель гигиенические аспекты охраны окружающей среды. / Сидоренко Г.И, Ицкова А.И. // М.: Медицина, 1980. – 176с.
3. Лупейко Т.Г., Использование техногенного карбонатсодержащего отхода для очистки водных растворов от ионов никеля (II) / Лупейко Т.Г., Баян Е.М., Горбунова М.О. // Журнал прикладной химии – г. Ростов-на-Дону, Том: 77 Номер: 1 Год. – 2004. С.87-91
4. https://docs.cntd.ru/document/1200004636 «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования" ГН 2.1.5.585а-96.
5. Брянцева Н.И./ Исследование сорбционного извлечения никеля из растворов выщелачивания окисленных никелевых руд. /Брянцева Н.И., Маковская О.Ю.// в сборнике: Актуальные проблемы развития технических наук. Сборник статей участников XXIII областного конкурса научно-исследовательских работ «Научный Олимп» по направлению «Технические науки». Министерство образования и молодежной политики Свердловской области; ГАУ СО «Дом молодежи»; ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» – Екатеринбург, 2020. С.114.-
6. Дударева Г.Н. Адсорбционное извлечение никеля(II) из водных растворов техногенного характера / Дударева Г.Н., Иринчинова Н.В., Дударев В.И. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология -2020 Том 10 №1 С. 133-139.
7. Гост 17219-71. Угли активные. Метод определения суммарного объема пор по воде. – Переизд. С изм. – Введен 1973-01-01. – М.// ИПК Изд-во стандартов, 1973. – 11с.
8. Гиндулин И.К. Термическая переработка древесины. / Гиндулин И.К., Юрьев Ю.Л. // Учебно-методическое пособие предназначено для проведения лабораторных и практических занятий, выполнения курсового и дипломного проектирования, для прохождения учебной и производственной практики бакалавров и магистров по направлениям 18.03.01, 18.04.01, 19.03.01 и 19.04.01 – Екатеринбург: Издательство УГЛТУ 2021. – 113 с.