Концентрирование ионов тяжелых металлов с применением эмульсий на основе парафина и комплексообразующих реагентов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В. И. УЛЬЯНОВА-ЛЕНИНА

РГО од

На правах рукописи

МОЛГАЧЕВА Ирина Викторовна

КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ ПАРАФИНА И КОМПЛЕКСООБРАЗУЮШИХ РЕАГЕНТОВ

02. 00. 02 - аналитическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

КАЗАНЬ - 1993

Работа выполнена на кайЬедре аналитической химии Казанского ордена Ленина и ордена Трудового Кшсного Знамени государственного университета имени В.И.Ульянова-Ленина.

Научны© руководители:

Официальные оппоненты:

'Ведущая организация:

доктор химических наук, профессор В.Ф.Торопова

кандидат химических наук, доцент А.Р.ГариФзянов

доктор химических наук В.и.Гороховская

кандидат химических наук В.Т.Иванов

Пермский:, политехнический институт

Защита диссертации состоится " 3 " 1993 г.

в /'»'^часов на заседании специализированного Совета К 053.29,02 по химическим наукам Казанского государственного университета имени В.И.Ульянова-Ленина; ул. Ленина, 18,• Бутлеровская аудитория.

С диссертацией молено ознакомиться в научной библиотеке университета.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 420008, г. Казань, КГУ, ул. Ленина, 18, Научная часть.

1993 г.

Н.Р.Федотова

Автореферат разослан "М " Ь^^Л-И Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из необходимых условий flporpec-¡а аналитической химии является разработка новых методов кон-дентрирования й разделения элементов. Новые пшеыы концентри-ювания зачастую возникают на границах традиционных, объеди-шя достоинства различных методов.

Среди органических реагентов, применяемых в аналитической симии для концентрирования и разделения элементов', значительна интерес представляют дитиокислоты фосфора - высокоэффективные и сравнительно доступные экстрагенты ионов тяжелых металлов. Комплексообразующие и экстракционные свойства дитио-Ёюсфорных кислот /ДТФК/ детально изучены и систематизирова-ты,выявлена взаимосвязь между реакционной способностью и строением данных аналитических реагентов. Необходимо отметить, ito область применения ДТФК ограничивается, в основном, экстракцией.

Представлялось интересным расширить область применения ЦТФК, путем использования их в методе концентрирования, явля-ощимся пограничным между экстракцией и сорбцией - при концентрировании с использованием эмульсий парафиновых растворов ¡датиокислот фосфора.

Цель работы состояла в разработке метода концентрирования ионов металлов с использованием эмульсий на основе парафина и комплексообразующих реагентов, исследовании влияния различных факторов на величину степени извлечения целевых элементов с использованием этих эмульсий, а также в возможности сочетания предложенного метода концентрирования с рентгенофлуоресцект-ным анализом.

Научная новизна работы. Предложен метод концентрирования ионов металлов с использованием парафиновых эмульсий таких комплексообразующих реагентов, как диундецилдитиофосфорная кислота /ДУДТФК/, даундецилфосфорная кислота /ДЖК/, высшие алифатические амины /ВАА/. Установлено, что использование метода позволяет достичь значений коэффициентов концентрирования ь» 103. Изучено влияние концентрации минеральных кислот

на степень извлечения ионов металлов данными экстрагирующими эмульсиями, состава эмульсий и соотношения фаз. Найдены емкости эмульсий по отношению к различным ионам металлов.

Практическая значимость работы. Сочетание предложенного метода концентрирования с рентгенофлуоресцентным анализом получаемого концентрата использовано для совместного опреде-лени ионов Сс1/П/, РЬ/П/, Н§/П/, В1/111/, 111/ в природных и сточных водах.

Показана возможность концентрирования из водных растворов ионов £с/1И/ и (*а./Ш/ с использованием парафиновых эмульсий ДУФК.

Апробации работы и публикации. Результаты работы доложены и обсувдены на итоговой научной конференции Казанского государственного университета /Казань, 1992/, Ш Всесоюзной конференции по методам концентрирования в аналитической хи-•мии /Черноголовка-, 1990/, IX Всесоюзной конференции по химии экстракции /Москва, 1991/.

По теме диссертации имеется 5 публикаций, в том числе 2 статьи в центральных научных журналах и тезисы 3 докладов.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц и 25 рисунков. Работа состоит из введения, шести глав, выводов и библиографии, включающей 135 ссылок. В первой главе представлен обзор литературы по методам концентрирования в современной аналитической химии и применению ДТФК как аналитических реагентов. Последующие главы посвящены обсуждению собственных результатов и описанию экспериментов.

СОДЕРЖАНИИ РАБОТЫ Эмульсии растворов комплексообразующих реагентов в парафине

Способ приготовления парафиновых эмульсий комплексообса-зующих реагентов заключался в интенсивном перемешивании или встряхивании нагретой до 80-90°С смеси парафина, водного раствора ПАВ и соответствующего реагента.

Требования к органическому реагенту| используемому в предлагаемом методе концентрирования, можно сформулировать

следующим обвазом:

1. Реагент должен, обеспечивать количественное извлечение

ионов металла из водного раствора в заданной области кислотности средн.

2, Реагент не должен в заметной степени переходить в водную фазу.

Доля ксмплексообшзующего реагента ИЛ , переходящего в волную фазу, может быть оябнена по уравнению:

р • СЛ']У» V» . . = 1

ишч + шу, _ кчнчч + ч клнче+1 л/

где 0 - отношение объемов водной и органической фаз, или величина, обратная коэффициенту концентрирования: IV- эффективная константа распределения реагента. При выборе в качестве комплексообразуюшх реагентов ДТФК. исходя из условий М»10-?'моль/л /рКдтфк^ 2/, 0 ^ 1СГ4, 10%. получили, что величина К.' должна составлять не менее 107.

Для двухфазной системы вода-алкан влияние заместителей в молекуле ДТФК, определяемое длиной алкильных групп

описывается корреляционным уравнением:

Параметр Е3 у линейных алкильных групп составляет ™ -0,4. Исходя из приведенных выше условий, параметр % должен составлять >3» При получении эмульсий, предназначенных для концентрирования ионов тяжелых металлов, нами была использована диундецилдитиоФосФорная кислота (О^^О^РСй) 5 Н, для которой 1С= 4,53 и К.'= 1011.

Яяалкилфосфорные кислоты /ЛАФК/ явдяются более слабыми кислотами по сравнению с ЛТФК. При одинаковых заместителях у атома Фосфора, определяющих величину распределения реагента ыелду водной и органической фазами, ^Сддфк будет> ^'дхфК' При получении эмульсий, предназначенных для концентрирования ионов $*.№/ и Са/П/, нами была использована диундецилфос-форная кислота (^.^зО^Р(0)011.

Величина поверхности- межфазного контакта в методах концентрирования, основанных на перераспределении вещества между Фазами,' является важнейшим фактором» определяющим кинетические характеристики и эффективность концентрирования. Наш был проведен дисперсионный анализ.получаемых эмульсий, заключающийся в обработке результатов микрофотографирования шзепаратов эмульсий с последующим постБоением кривой распределения частиц по размерам и вычисления удельной поверхности Фазового контакта экстрагирующих парафиновых эмульсий /рис. 1, табл. 1/.

30 -

го

10 Л

во -

40 -

10 '

/Г

10 -

Рис. 1. Кривые распределения по размерам частиц дисперсной фазы парафиновых эмульсий, содержащих: а/ 2% ДУЛТФК; б/ 2% ЛУДТФК, 1% бегеновой кислоты; в/ 2% ДУЛТФК, 1% твин.

По полученным результатам можно сделать вывод, что размер частиц, на который приходится максимум кривой распределения, примерно одного порядка /1-5 мкм/ для эмульсий с ионогенны-ми ПАВ. Дяя эмульсий с неионогенными ПАВ размер частиц на порядок выше.

Таблица 1.

Величина поверхности раздела органической Фазы,

о

диспергированной в 1 см водного раствора эмульгатора

/ Уф/ у0 = 1/2 /*

Состав эмульсий

Комплексо-образующий реагент Эмульгатор Парафин, % Во|а, S, м2

ЛУЛТФК, 2% tivecn-wo^ 1% 28 69 0,08

ДУДТФК, бегеновая кислота, 1% 28 69 0,35

дултак, 2% - 28 70 0,07

ВАА,. 0,552 бегеновая кислота, 2% 30 Z8 68 40 0,28 0,04

штак, 1% бегеновая кислота, 2% 29 68 0,25

* ~ \/й/ Vc ~ соотношэние объема дисперсной фазы и дис-герсионной'среды.

Что касается значений удельных поверхностей межфазного контакта, то сопоставление полученных параметров с аналогичными величинами дяя твердых синтетических сорбентов позволило зделать вывод о том, что реализация экстракционных свойств тарафиновых эмульсий комплексообразующих реагентов проявляется за счет взаимодействия извлекаемых ионов с реагентом, рас-лределенным по всему объему частиц дисперсной фазы.

2. Экстракция ионов тяжелых, металлов эмульсиями

растворов диундецилдитиофосфорной кислоты в парафине

Изучена экстракция ионов Cd/П/, РЬ/Д/, Hg/П/, Ь<-/Ш/ эмульсиями растворов ДУДГФК в парафине в зависимости от концентрации HCL и возможность их реэкстракции, определена экстракционная емкость эмульсий, исследована кинетика экстракции лабильных и инертных комплексов.

Методика эксперимента. Экстракционное извлечение ионов

металлов проводили двумя способами: на установке, обеспечивающей интенсивное перемешивание /су = 2000 мин-1/ и в сосудах, помешенных на встряхиватель.

Эмульсию после экстракции отделяли чег>ез мембшнные Филь-тш с диаметгюм пор 0,4-0,6 мкм, закрепленные в разборной воронке из фторопласта с диаметром Фильтрующей поверхности 24 мм при пониженном давлении.

Концентрации ионов Сс1/Е/, РЬ/П/, ВС- /Ш/ в волной Фазе определяли полярографическим методом в переменнотоковом режиме на приборе ПУ-1. Концентрацию ионов Ид/П/ устанавливали метолом экстшкционного титрования дитизоном. Концентоа-цию ионов Рс(/П/ определяли экстракционно-фотометшчески с меркаптобензимидазолом на Фотоэлектроколориметре КФК-2 /-?1тох= 540 нм/.

Содержание ионов металлов в концентрате определяли рент-генофлуоресцентным методом анализа*, а также фотометрически после растворения концентрата в гексане /лтох = 360 и 315 нм. для Вь /Ш/ и Рс1/П/ соответственно/.

Исследование кинетики извлечения ионов С(1/П/ проводили методом хроноамперометрии на ртутном капающем электроде.

тишяние кислотности среды. Изучение зависимости степени извлечения ионов Сс1/П/, РЬ/П/, Нд/П/, Ъ1/131/ от кислотности среда проводилось в области низких концентраций Ип+/10~^ моль/л/. Соотношение объемов отдающей водной фазы и эмульсии составляло, 1:500 /коэффициент концентрирования' с учетом водной фазы самой эмульсии > 1(Р/. Сравнение полученных результатов -с литературными данными позволяет сделать вывод о том, что экстракция парафиновыми эмульсиями ЛУЛТФК в рассмотренной области концентраций. НСЕ. аналогична экстракции производными ЛТФК в гептане и толуоле /рис.2/.

При проведении извлечения в области рН > 1, фильтрат после отделения эмульсии остается мутным и наблюдается .резкое уменьшение степени извлечения, что связано с депротонизацией и мицеллообразованием ЛУДТФК /рК ~ 2/.

* - эксперименты по ВЗД проводились на спектрометре \/М-2 /"Карл Цейс"/ в ВНИИ ГеолНеруд, с.н.с. Крюковым СЛ.

- 8 -

Рис. 2а,б. Зависимость степени- извлечения /Л/ ионов металлов от концентрации Нс£ при экстракции парафиновыми эмульсиями ДУДТФК. а/ содержание ДУДТФК в эмульсии -1%;

Уотд.= 100 ««; 4Чм.= 0.2 «и; 3-1СГ5, Срь = Ь , 1-10 моль/л; б/ содержание ДУДТФК в эмульсии - 10%;

\/отд<= 50 мл; Уэы = 0,2 мл; С^ = 5.10~5моль/л.

Количественная реэкстракция ионов металлов достигается последовательной обработкой концентрата несколькими объемами /по 10 мл/ концентрированной И СЕ. Суммарный объем реэкстракта составляет 30-50 мл. В реэкстрактах методом полярографического анализа достаточно надежно определяются Сс( /П/ и

Ъ1 /щ/.

Экстракционная емкость эмульсий. Расчет теоретической емкости эмульсий с различным содержанием ДУДТЖ проводили по формуле:

1г

£ А<моль/1^100.М.П ' /3/

где. М - молярная масса ДУДТФК /438г/моль/;

. <\ - % содержания ДУДТФК в органической фазе эмульсии;

П - заряд иона металла.

Экспериментальные значения емкостей эмульсий по отношению к ионам металлов определяли по горизонтальным участкам изотерм экстракции /рис.3/.

■ I I г I 1 I I

✓ ¿-З У -и 4 6 <г

Рис. За,б. Изотермы экстракции ионов металлов парафиновыми эмульсиями ДУДТФК".

а/ РЬ/П/, Hg/П/, Содержание ДУДТФК в эмульсии - 10$; V0Tn.= 50 мл; VaM<= 0,1 мл; Сн^= 1 моль/л;

б/ Bl №/. Содержание ДУДТФК в эмульсии - 2%\, \70ГД.= 50 мл; \/эм>= 0,2 мл; Снс(= 1 моль/л.

Сопоставление экспериментальных и теоретических емкостей эмульсий показывает, что количественная экстракция ионов металлов достигается при 4+5-кратном избытке реагента в экстракционной смеси по сравнению со стехиометрическими коэффициентами.■

Кинетика извлечения ионов Cd/Ц/ и Pd/П/ изучалась с целью выяснения вопроса о том, можно ли предложенный метод концентрирования рассматривать как прием экстракции или сорбции.

Время установления равновесия при извлечении ионов /И/ не зависит от интенсивности перемешивания и количества реа-

гента в экстракционной смеси, что позволяет исключить из числа лимитирующих стадий внешнюю и внутреннюю диффузии целевого элемента.

' ОА/П/, как известно, образует с ДТФК лабильные* комплексы, Рс1/П/ - инертные. На рисунке 4 представлены зависимо-

Рис. 4а,б. Зависимость степени'извлечения ионов Сс1 /П/ /а/ и Ра /П/ /б/ парафиновыми эмульсиями ДУДТФК /содержание ДУДТФК - Ъ%/ от времени.

а/ Уотд>=-25.мл; Уэм>= 1,0 мл; С^ = Б-мЛюль/л;

СНС{,=-1 моль/л; б/ Уотд>= 100 мл; \/эм>= 0,2 мл; С^ = 2-10~5моль/л; • СНг, = 1 моль/л.

сти степеней извлечения ионов СЛ/Д/и М/Д/ от времени перемешивания экстракционной смеси. Полученные результаты свидетельствуют о том, что лимитирующей стадией процесса извлечения является химическая реакция.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что концентрирование с применением эмульсий на основе парафина и комплексообразующих реагентов может быть отнесено к одному из приемов экстракционного концентрирования. По кине- ' тичесиим параметрам экстракция эмульсиями не уступает жидкостной экстракции.

Другие комплексообразующие реагенты в составе парафиновых эмульсий. Поскольку платиновые металлы образуют с ДТФК кинетически инертные комплексы, время установления равновесия при их извлечении эмульсиями на основе парафина и ДУДТФК довольно велико /60 мин для Pd /П/; РЬ /17/ в данных условиях не извлекается/. Представлялось интересным ввести в состав эмульсий такой комплексообразующий реагент, который взаимодействует с платиновыми металлами, в чартности с Pd /п/ и Р-Ь /1У/ в кислой среде по внешнесферному механизму. Такими реагентами являются амины.

С этой целью нами были использованы высшие алифатические амины /ВАА/ четной фракции Cg-C^g.

Зависимость степени извлечения ионов Pd/П/ и Pt /1У/ эмульсиями на основе парафина и ВАА представлена на рисунке 5. 1-, %

■ТОО-

SC-

"Рис. 5. Зависимости степеней извлечения W /П/ и Pt/iy/ при экстракции эмульсиями на основе парафина и ВАА от концентрации HQZ..

С' = 1-10~5моль/л; С^ = 5-10"5моль/л;

v отд.= 100

V3M.= т,>

содержание ВАА в эмульсии 2%,

Время установления равновесия в системе при V = 50-1-эм = ОД* 0,2 мл составляло 10. мин.

Колоколообразный характер полученной зависимости объясняется начальным увеличением степени извлечения за счет роиста экстрагируемой фосмы металлов - хлошдных комплексов?^ и PdCS.^" и последующим уменьшением вследствие конкурентной веакции ацидолиганда СС »поскольку амины способны

•экстрагировать также минеральные кислоты.

3. Экстракция ионов /Ш/ и /Щ/ пмульсиями растворов диундецилфосфорной кислоты в парафине

Весьма актуальной является проблема разработки эффективных способов концентрирования таких редких металлов как Лс. /Ш/ и /1лД широко применяемых в радиотехнике и других важнейших областях науки и производства.

Являясь "жесткими" кислотами по классификации Пирсона, £с/1Д/ и 61&/Ш/ экстрагируются реагентами, относящимися, в отличие от рассматриваемых ранее ЛТФК, к "жестким" основаниям. Такими реагентами, в частности, являются соли алкил- и диалкилфосфорных кислот.

В качестве, комплексообразующего реагента, вводимого в состав' эмульсий для извлечения ионов $с-ъ* и бга3+ , нами была выбрана диундецилфосфорная кислота /ДУФКЛ соответствующая всем требованиям, предъявляемым к комплексообразующим реагентам в предложенном метода концентрирования.

Концентрацию ионов ¿с.ъ* и в водной Фазе до и после извлечения определяли Фотометрически с ксиленоловым оранжевым 540 нм/.

Время установления равновесия составляло 20-25 мин.

Характер зависимости степеней извлечения ионов и от концентрации Нее. /рис.6/ объясняется сменой механизма экстракции:' в нейтральных и слабокислых растворах реа- • лизуется координационный механизм, приводящие к образованию хелатов, что соответствует нисходящему участку кривой. С увеличением концентрации НСС. , начиная с 2 моль/л, степень извлечения вновь возрастает. При этом, экстрагируемыми Формами являются, по-видимому, смешанные, комплексы типа НС£(НД^.

Повышение содержания ДУФК в эмульсиях приводит к росту • степени извлечения. Увеличение содержания ДУФК в эмульсии свыше 50% сопровождается ухудшением полноты отделения эмульсии после экстракции.

И,7,

Рис.й. Зависимость степени извлечения ионов 5с3+ и С^а^от концентрации НСЕ. при экстракции эмульсиями на основе парафина и ДУФК. V =-100 мл;

Сы= 1-10 моль/л; содержание ДУФК в эмульсии - 20$.

---1-1-1-г—

■к- у е <Р *о Условиями количественного извлечения с коэффициентом концентрирования ~ 500, являются, во-первых, максимальное содержание реагента в эмульсии, в даНном случае - 40$. С^а- количественно извлекается из нейтральных и слабокислых сред двукратной экстракцией /коэффициент концентрирования составляет ~ 250/.

4. Сочетание экстракционного концентрирования ионов тяжелых элементов эмульсиями на основе ДУДТФК и парафина с рентгеноФлуоресцентным опт делением

Проведенные исследования по экстракции ионов Сс1 /п/, Рс1 /П/, Н^/п/, Е><- /III/, /Ь/1П/парафиновыми эмульсиями ДУДТФК, позволили выявить оптимальные условия группового количественного извлечения этих элементов: время экстракции -10 мин, интервал концентраций НССв отдающей водной Фазе -1-2 моль/л, соотношение объемов Фаз: V эм>= 500:1,

содержание ДУДТФК в эмульсии - 5+10$.Разработанная методика включает следующие операции: извлечение ионов металлов при встряхивании экстракционной смеси, отделение эмульсии фильтрованием через мембранный Фильтр, рентгенофлуоресцентное

определение элементов в осадке на мембране, закрепленной в

кольце-держателе.

.- 1.4 -

Определение элементов проводили по способу внешнего стандарта, концентрации их находили по градуировочным графикам. В таблице 2 приведены.данные расчетов пределов обнаружения элементов предложенным комбинированным методом анализа.

Таблица 2

Чувствительность /К/ и нижние пределы определяемых содержаний /С^г, / элементов методбм экстоакционно-рентгенофлуоресцентного анализа- / ^отд^/\/зм>= = 500:1 /

•Элемент К, имп/с СтЛ , мкг/мл •

Висмут 2 0,3

Свинец 5 0,6

Мышьяк 3 1.1

Ртуть 9- 1,7

Кадмий 9 2,8

Палладий 7 3,7

На рисунке 7 приведен типичный рентгеновский спектр концентрата, содержащего ионы некоторых элементов.

Рис. 7. % -10-5 моль/л; ^тл/Ю0:0,2.

выводы

1. Предложен метод концентрирования с применением эмульсий на основе парафина и комплекс о о б та зующих реагентов.

2. Разработан способ получения эмульсий на парафиновой матрице, содержащих диундецилдитиофосфорную кислоту, диун-децилфосфорную кислоту, высшие алифатические амины.

3. На основании микроскопического анализа оценена площадь поверхности мегйазного контакта при проведении концентрирования предло;кенным методом.

4. Показаног что влияние различных факторов /кислотности отдающей водной фазы и т.д./ на степень извлечения аналогично данным по жидкостной экстракции с использованием соответствующих реагентов.

5» Предложенный метод позволяет достигать значений коэффициента концентрирования > 10^.

6."Показана возможность сочетания метода концентрирования ионов СЛ /П/, РЬ/П/, Hg/П/, BL /Ш/, /л/, при использовании парафиновых эмульсий диундецилдитиоФосФорной кислоты, с рентгеноФлуоресцентным анализом получаемого концентрата и рассчитаны пределы обнаружения указанных элементов данным комбинированным методом анализа.

7. При использовании в качестве комплексообразующего .реагента диундецилФосфорной кислоты показана возможность извлечения из водных растворов ионов £с ЛН/ и' G!a /Ш/.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Торопова В.Ф., Джамаль Апь-Хатиб, Молгачева И.В., Штырлин В.Г. Комплексообразупцие и окислительно-восстановительные свойства диалкилдитиофосфкновых кислот // Тез. докл. ХУ1Л Всесоюзного Чугаевского совещания по химии комплексных соединений, 29-31 мая 1930г. - Г.'лнск, 1990. - С.249.

2. Гарифзянов А.Р., Молгачева И.З., Торопова В.Ф.

- 1G -

Применение растворов дитиокислот фосфора в парафине для концентрирования ионов тяжелых металлов //Тез. докл. III Всесоюзной конференции по методам концентрирования в аналитической химии. - Черноголовка, 1990. - С.64.

3. Гарифзянов А.Р., Молгачева И.В., Торопова В.Ф. Экстракция в эмульсии - эффективный метод концентрирования ионов металлов из разбавленных растворов // Тез. докл. IX Всесоюзн. конф. по химии экстракции. - Москва, 1991. - С.367,

Гарифзянов A.P.-, Молгачева И.В., Торопова В/5. Концентрирование- ионав тяжелых металлов с применением 'эмульсий ди-ундецилдитиофосфорной кислоты в парафине //Курн. аналит. химии (в печати) .

5.' Гарифзянов А.Р., Ыолгачева И.В., Торопова В.Ф. Концентрирование ионов скандия (Ш) и галлия (Ш) из водных растворов с применением эмульсий диундепилфосфорной кислоты г парафине // Журн.' аналит. химии (в печати) .