Существующие методы извлечения металлов из отходов

Известны методы извлечения металлических элементов из твердых и жидких техногенных отходов. Для извлечения металла из жидких отходов, в которых металл находится в растворенном состоянии, широкое применение находят методы экстрагирования [17], флотации ионов и молекул [18-21], флотоэкстракции [4]. Широкое применение нашла флотация высокодисперсных частиц (микрофлотация) [22].

Для выделения труднорастворимых соединений металлов может быть использован метод химического осаждения из растворов [23].

Для извлечения металлов из твердых отходов применяются методы пирометаллургии [24], гидрометаллургии [25], микробиологического выщелачивания [26-28], электрохимического выщелачивания [29-31].

Методы экстрагирования

Экстрагирование рассматривается как процесс разделения компонентов твердых или жидких веществ с использованием экстрагентов (селективных растворителей). Экстрагируемое (извлекаемое) вещество переходит из твердой или жидкой фазы в фазу жидкого экстрагента.

Для обеспечения эффективности контакта экстрагента с фазой, содержащей извлекаемое вещество, применяют энергичное перемешивание или взбалтывание. При этом происходит образование эмульсионной системы. Затем следует разрушение эмульсии и расслаивание. Благодаря различию в плотностях жидких фаз образуются два жидких слоя.

При проведении твердофазной экстракции одна фаза является жидкой, вторая твердой. В качестве твердой фазы можно использовать гидрофобный алкилированный силикагель. Твердая фаза играет роль сорбента, особенно в случае извлечения комплексных соединений металлов. Это могут быть координационно насыщенные и координационно ненасыщенные хелаты.

Для регенерации экстрагента применяют дистилляцию, выпаривание, высаливание и кристаллизацию. Экстрагент должен отличаться высокой селективностью по отношению к извлекаемому веществу, невысокой вязкостью, отличаться по плотности от жидкости с растворенным веществом, обладать химической инертностью, низкой летучестью, отсутствием токсичности.

Все экстрагенты разбивают на три группы [32]:

  • 1. Углеводороды.
  • 2. Соединения, содержащие одну функциональную группу в молекуле.
  • 3. Соединения, содержащие несколько функциональных групп в молекуле.

Для успешного проведения процесса экстракции требуются экстрагенты, отличающиеся высокой селективностью. Это органические сульфиды и сульфоксиды, алкиланилины, алкиламинопиридины, а также реагенты на основе полидентатных серо- и азоторганических соединений [17, 33].

Для элементов, используемых в атомной промышленности (урана, плутония, циркония, ниобия и др.), применяются кислородсодержащие экстрагенты. В цветной металлургии находят использование серо- и азотсодержащие экстрагенты. Для экстракции редких металлов в широкой области pH используются соли четвертичных аммониевых оснований. Для экстрагирования ^-соединений I и II групп применяются краун-соединения. В последнее время в экстракционном процессе нашли использование двухфазные водные системы на основе водорастворимых полимеров.

В основе теории экстракционного равновесия лежит правило фаз Гиббса. Экстракционная система, состоящая из двух фаз (водная и органическая) и трех компонентов (вода, распределяемое вещество и экстрагент) имеет три степени свободы. При постоянстве давления и температуры система будет иметь только одну степень свободы.

При условии равновесного распределения вещества между двумя жидкими фазами характеристикой процесса является коэффициент распределения:

Кр = су С0,

где Сэ - концентрация экстрагируемого вещества в экстракте; С0 - концентрация экстрагируемого вещества в исходной жидкости.

Строго говоря, равновесное распределение вещества i между фазами 1 и 2 характеризуется равенством его химических потенциалов [32]:

Значение можно определить как: где ах - активность вещества.

Если химическое состояние вещества в обеих фазах остается неизменным, имеем:

где к - константа Генри.

С веществом в обеих фазах могут происходить химические превращения - комплексообразование, гидролиз, диссоциация и др.

В равновесной системе неэлектролит - электролит выражение для термодинамической константы экстракции принимает вид:

Тогда для термодинамической константы распределения вещества i между фазами получим:

где у - средний коэффициент активности иона в фазе органического растворителя; уэкс - коэффициент активности экстрагента; п - число молей органического растворителя.

Если экстракция в двухфазной системе сопровождается химической реакцией:

где индекс «р> относится к фазе органического растворителя, то термодинамическая константа экстракции может быть выражена уравнением:

Особое значение приобретает проблема реакционной способности, поскольку процесс экстракции сопровождается образованием комплексных соединений [32]. Действительно, молекула экстрагента играет роль донора, ион металла - роль акцептора электронов.

где К — эффективная константа экстракции [35]; ^m электроотри- цательность заместителей; гп - геометрическая характеристика замесБыли получены количественные зависимости экстракционной способности в функции электроотрицательности радикалов, связанных с атомом фосфора [17, 33, 34]: тителей, учитывающая геометрию молекулы (длину, степень разветвленности и др.); А,В nq - константы.

Для описания реакционной способности нашло применение уравнение Тафта [36]:

*

где к и к0 - константы скорости; о - константа, учитывающая влияние заместителя на реакционную способность (для метильной группы °сн3 — 0) и уравнение Гаммета [36]:

где к и к0 - константы равновесия; р - коэффициент пропорциональности (зависит от типа и условий реакции); о - константа, характеризующая заместитель в бензольном кольце (сохраняет постоянство в различных реакциях).

Предложено также уравнение, устанавливающее связь экстракционной способности с электроотрицательностями групп и стериче- скими факторами [36]:

где q - константа, зависящая от длины радикала; А и В - константы, зависящие от природы химической связи.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >