Регенерационная утилизация гальванических растворов, содержащих катионы меди

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регенерационная утилизация гальванических растворов, содержащих катионы меди (II)

Специальность 03.00.16 - Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Пашаян Александр Араратович

Иваново, 2008



Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Брянский государственный университет» им. И. Г. Петровского

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Роева Наталья Николаевна

Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор Казиев Гарри Захарович, г. Москва

Доктор химических наук, профессор Рыбкин Владимир Владимирович, г. Иваново

Ведущая организация: Институт химии растворов Российской академии наук, г. Иваново.

Защита состоится « 20 »октября 2008 г. в часов в аудитории Г205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Ивановский государственный химико-технологический университет” по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10. Е-mail: dissovet@isuct.ru.

Автореферат разослан « » сентября 2008 г.

Ученый секретарь,

д.т.н., ст.н.с. Гришина Е.П.



Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время одной из острых экологических проблем является проблема нарастающих количеств отработанных гальванических растворов и невостребованных гальванических шламов.

Электролиты меднения содержат комплексообразующие компоненты (аммиак и амины, тартраты, трилон-Б и т.п.), наличие которых предотвращает образование нерастворимых гидроксидов меди в щелочной среде. Следовательно, отработанные электролиты меднения не могут быть утилизированы в виде нерастворимых гидроксидов. Поэтому такие электролиты не смешивают с общими гальваническими стоками, в результате чего они накапливаются.

Наиболее приемлемыми необходимо считать процессы регенерационной утилизации медьсодержащих гальванических растворов, позволяющих выделить катионы меди и все другие компоненты электролитов. Такой подход обеспечит максимально полную очистку воды и за счет экономии регенерированных реагентов резко сократит расходы не только очистных сооружений, а также и процесса гальванического меднения.

Следовательно, проблема создания высокоэффективных и малоотходных (без образования шлама) методов регенерационных технологий утилизации любых гальванических стоков является актуальной.

Целью данной работы является разработка ресурсосберегающих химических способов регенерационной утилизации медьсодержащих гальванических растворов, позволяющих регенерировать катионы меди и все другие компоненты электролитов.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ и критически оценить отечественный и зарубежный опыт в области очистки медьсодержащих гальванических электролитов и сточных вод.

2. Теоретически обосновать выбор направления исследований.

3. Создать и освоить методическую базу для осуществления аналитического контроля процессов в ходе исследований.

4. Определить оптимальные условия процессов регенерационной утилизации медь содержащих гальванических растворов всех видов и назначений, позволяющих выделить катионы меди и все другие компоненты электролитов.

5. Провести оценку эколого-экономической целесообразности разработанных способов.

6. Предложить пути и механизмы реализации успешного и масштабного внедрения технологий, разработанных на основе проведенных исследований.

Научная новизна. Научно обоснована и экспериментально осуществлена регенерационная утилизация и очистка медьсодержащих электролитов и растворов. При этом:

· выявлены оптимальные условия и последовательность химических процессов, позволяющих осуществить количественную регенерационную утилизацию отработанных медно-аммиачных травильных растворов и щелочных электролитов меднения, содержащих комплексоны типа трилона Б и сегнетовой соли;

· показано, что при совместной утилизации кислых и щелочных медно-аммиачных растворов с выходом >98% можно выделить хлорид аммония и катионы меди (II) в виде нерастворимого соединения [Cu(OH)ClCu(OH)₂]nН₂О (n=1-3), структура которого доказана физико-химическими методами;

· показано, что количественное удаление хлорида аммония из раствора можно осуществить его частичным упариванием и высаливанием кристаллов с применением вторичного сырья спиртовой промышленности;

· показано, что использование восстанавливающего моносахарида позволяет количественно удалить катионы меди (II) в виде оксида меди (I), регенерацию которого в соли меди (II) можно осуществить как в кислой, так и щелочной среде в присутствии окислителя кислорода воздуха.

Новизна технических решений подтверждена решением РОСПАТЕНТа от 29.07.2008 г., о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007108239/02(008973) и решением РОСПАТЕНТа от 07.04.2008 г., о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007104455/02(004804)

Практическая ценность. Разработанные ресурсосберегающие способы регенерационной утилизации и очистки медьсодержащих гальванических электролитов представляют как экономическую, так и экологическую ценность, так как позволяют количественно извлечь и применять по назначению все исходные компоненты.

Экологическая ценность разработанных способов заключается в том, что они позволяют обеспечить глубокую степень очистки отработанных гальванических растворов до уровня действующих ПДК по воде.

На защиту выносятся: разработанные методики определения концентрации меди (II) в различных типах сточных вод; оптимальные условия выделения меди и сопутствующих продуктов из модельных травильных растворов и электролитов меднения, приготовленных в соответствии с промышленными методиками; оптимальные условия регенерационной утилизации отработанных промышленных гальванических растворов: медно-аммиачных щелочного и кислого травления; щелочного меднения, содержащих медно-тартратные комплексы и комплексы с трилоном Б. утилизация медь гальванический электролит

Личный вклад автора. Постановка целей и задач исследований, оформление материалов для публикации научных статей, тезисов докладов и заявок на патенты осуществлены автором, совместно с научным руководителем. Автором лично проведено обобщение литературных данных и их критический анализ, теоретические исследования и их экспериментальное подтверждение, обобщение и обсуждение результатов исследований.

Достоверность проводимых исследований обеспечивалась: использованием современных и стандартных методов исследований и применением статистических методов обработки результатов, проверкой их на воспроизводимость, а также отсутствием противоречий с теми сведениями, которые ранее были известны. Методы исследования: спектрофотометрия, рН-метрия, титриметрия, гравиметрия, ИК-спектроскопия, рентгенофазный и химический анализ.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на региональных научно-технических конференциях: Межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы утилизации отходов производства и потребления, пути их решения» (Брянск 2005г); Региональной научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», (Брянск, БГИТА, 2005г), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2006г); на III Международном симпозиуме «Региональные проблемы экологии: Пути решения», (Республика Белорусь, Полоцк-2006г), на IX Всеукраинской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов «Экологические проблемы регионов Украины» (Одесса, ОГЭКУ 2007г), на второй Международной научно-технической конференции «Окружающая природная среда-2007: актуальные проблемы экологии и гидрометеорологии интеграция образования и науки» (Одесса, ОГЭКУ 2007г), на пятой Международной научной конференции студентов, магистров и аспирантов «Современные проблемы экологии и геотехнологии» (Житомир, ЖГТУ, 2008г.).

Публикации: по теме диссертации имеется 14 публикаций.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, обзора литературы, теоретических исследований, методической части, экспериментальной части, выводов, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 188 страницах, из них 173 страница основного текста, включая 20 рисунков и 10 таблиц, библиография содержит 133 наименования.

Краткое содержание работы

I. Литературный обзор: рассмотрены и проанализированы имеющиеся патентно-литературные сведения по различным способам утилизации медьсодержащих гальванических растворов меднения и медного травления. Сделан вывод, что эти способы неэффективны, так как не позволяют выделять медь и сопутствующие продукты из растворов, а лишь переводят их в менее опасные, с точки зрения экологии, формы. Показано, что большинство из применяемых способов не технологичны, характеризуются большими материальными затратами. Отмечено, что наиболее перспективными способами утилизации медьсодержащих травильных растворов являются регенерационные, в которых химическими преобразованиями удается выделить из раствора все компоненты и регенерировать их в исходные вещества. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследований, которые решаются в диссертационной работе.

II. Теоретическое обоснование выбора направлений исследования:

Теоретическими расчетами показано, что существующие в нестоящее время на практике методы очистки гальванических стоков не могут быть применены при утилизации гальванических электролитов меднения, где катионы меди (II) находятся в прочных комплексах. Оценена эколого-экономическая целесообразность применения реакций ионного обмена и окислительно-восстановительных процессов как в кислой, так и в щелочной средах. Доказано, что регенерационные методы утилизации этих электролитов позволят эффективно очистить воду и удовлетворить всем эколого-экономическим требованиям к этим процессам.

III. Методика эксперимента: Представлены условия и методы экспериментальных исследований.

Определение концентрации катионов меди (II) в исследуемых образцах проводили фотометрическим методом, с диэтилдитиокарбаматом свинца. Спектрофотометрические измерения проводили на приборах СФ-56 и Unico, снабженными персональными компьютерами. Спектры в ИК-области измеряли на приборе ФСМ-1201. Значения рН растворов определяли с помощью прибора рН-150МА. Взвешивание препаратов осуществляли с помощью электронных лабораторных весов марки ALC-210d4. Определение сухого остатка осуществляли по весовому анализу, упариванием растворов досуха. Рентгенофазный анализ кристаллов проводили на приборе ДРОН-3.

Математическую обработку полученных экспериментальных данных осуществляли с использованием ЭВМ.

IV. Экспериментальная часть:

4.1. Выявление оптимальных условий регенерационной утилизации электролитов меднения осуществляли на модельных растворах:

· Медно-аммиачные растворы щелочного травления (г/л): растворяли CuCI₂•2H₂O (115), NH₄CI (95) в 27% водном растворе аммиака до объема 1л. рН = 10,04.

· Медно-аммиачные растворы кислого травления (г/л): растворяли CuCI₂•2H₂O (230), NH₄CI (50), 50 мл концентрированной соляной кислоты в дистиллированной воде до объема 1л . рН = 0,18.

· Медно-тартратные электролиты меднения (г/л): растворяли CuSO₄•5H₂O (9), NaOH (9), Na₂CO₃ (6), Сегнетова соль KNaTart (55) в дистиллированной воде до объема 1л. рН = 12,56.

· Электролиты меднения, содержащие Трилон Б(г/л): растворяли CuSO₄•5H₂O (14); NaOH (15); Трилон-Б (30) в дистиллированной воде до объема 1л. рН = 12.

4.2. Разработаны экспресс-методы спектрофотометрического определения катионов меди (II) в медно-аммиачных, медно-таратратных и электролитах меднения, содержащих трилон Б.

4.3. Разработан метод совместной утилизации медно-аммиачных электролитов кислого и щелочного травления. Это позволяет сократить расходы кислоты или щелочи. Выявление оптимальных параметров совместной утилизации осуществляли методом потенциометрического титрования (см. рис.1).

Первый скачок потенциала на кривой (рис.1) при рН=1,5 соответствует реакции нейтрализации соляной кислоты аммиаком с образованием гидролизующейся соли хлорида аммония. Концентрация хлорида аммония задается исходными количествами соли и дополнительно образовавшимся количеством NH₄CI в результате реакции нейтрализации, и составляет 1,27 моль/л. При отсутствии других компонентов в растворе рН в точке эквивалентности определяется гидролизом хлорида аммония (рН= 4,7).



Рисунок 1 - График потенциометрического Рисунок 2 График потенциометрического титрования электролита кислого меднения (2) титрования в 0,1н растворе НCI безводного щелочным электролитом (1). осадка (m = 0,10230 г) от совместной утилизации.

Однако, в растворе присутствует и хлорид меди (1,314моль/л), гидролиз которого соответствует значениям рН = 3,86. Как видно из рисунка 1, первый скачок потенциала происходит в интервале 0,5-2,5, то есть он опережает рассчитанное нами значение рН на 2-3 единицы. Этот факт может быть объяснен тем, что в водных растворах аммониевых солей катионы меди находятся в составе аммиачных комплексов различного строения [Cu(NH₃)_х(H₂O)_y]²⁺, в связи с чем, их влияние на рН среды посредством гидролиза не может быть точно оценено. Можно только предположить, что значение рН первого скачка обусловлено не только гидролизом хлоридов аммония и меди (II).

Второй скачок потенциала происходит в интервале рН = 4 6,5 (буферная смесь NH₄ОН+NH₄CI), при котором наблюдалось выделение осадка и обесцвечивание раствора над ним. Остаточное содержание меди в растворе над осадком при рН=5,25 составляло 235 мг/л, что превышает значение ПДК [ПДК_{рыб.хоз.} (Cu²⁺)=0,001мг/л] более чем 25 000 раз. Таким образом, при совместной утилизации кислых и щелочных растворов степень конверсии Cu²⁺ в осадок составляет ~99,9%, однако такой подход не обеспечивает требуемое значение гигиенических нормативов. Поэтому, требуется дополнительная доочистка маточных растворов от Cu²⁺.

Аналитический контроль качественно-количественного состава исследуемых растворов осуществляли спектрофотометрическим методом, пользуясь литературными данными о спектрах поглощения комплексов меди состава: [Cu(H₂O)₆]²⁺; [Cu(NH₃)(H₂O)₅]²⁺ ; [Cu(NH₃)₂(H₂O)₄]²⁺; [Cu(NH₃)₃(H₂O)₃]²⁺; [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ и [Cu(NH₃)₅(H₂O)]²⁺ в области 500 - 1000 нм.

Доочистку раствора от остаточных количеств катионов меди (235мг/л) осуществляли с применением катионитов: сульфоуголь в Н⁺, Na⁺ и NH4⁺ формах (см.табл. 1).

В концентрированных растворах [С(NH₄Cl) 1,3моль/л] происходит осмотический удар, и иониты перестают работать. Поэтому необходимо удалить NH₄Cl из раствора. Такой подход одновременно продиктован необходимостью полной регенерации компонентов отработанных растворов.

Таблица 1-Зависимость степени очистки воды от Cu²⁺ ( 235мг/л), от формы катионита (сульфоугль).

Форма катионита	СCu2+, мг/л	Степень очистки, %
H+	39	83,4
Na+	54	77
NH4+	65	72,4

После удаления осадка соли меди (II), регенерацию хлорида аммония осуществляли упариванием маточного раствора (68 г/л хлорида аммония) и его кристаллизацией из концентрата (объем 10% от начального) в присутствии эфирно-альдегидной фракции спиртовой промышленности. После многократных процедур выделения NH₄CI (выход бесцветных кристаллов NH₄CI > 95%), спиртовые маточные растворы объединяли, перегоняли спиртовую фракцию и применяли для последующих процедур регенерации хлорида аммония. Маточный раствор возвращали на стадию смешения кислых и щелочных травильных растворов. Очистку многократно использованных растворов (С_меди 200мг/л) осуществляли при рН = 2,5-3, добавлением в раствор железных стружек. Раствор нейтрализовали щелочью, выделяли осадок гидроксида железа в смеси с металлической медью. В очищенной воде катионы меди не были обнаружены.

Установление химического состава нерастворимой соли меди. Известно, что в присутствии катионов аммония образуется хлорид гидроксо меди (II), а не гидроксид.

В литературе описаны две разновидности основного хлорида меди (II): CuCI₂ • Cu(OH)₂ - желто-зеленые кристаллы и CuCI₂ • 3Cu(OH)₂ • xH₂O, где x = 0 - 3, сине-зеленые кристаллы.

Установление точной структуры осадка проводили методами обратного титрования и рентгенофазного анализа.

Методом потенциометрического титрования (рис.2.) показано, что молярная масса эквивалента исследуемого безводного образца составляет 71,2 г/моль. Показано, что возможно только значение Z = 3, что соответствует формуле Cu(OH)₂ • CuOHCI (М_х = 213,6 г/моль). Весовым методом было показано, что исследуемый образец содержит 1,4 моль H₂O в кристаллогидрате.

Рисунок 3 - Результаты рентгенофазового анализа кристаллов.



Предложенная же в литературе формула CuCI₂ • 3Cu(OH)₂ соответствует значению Z = 6 (М_х = 429 г/моль), то есть эта структура двукратная по отношению к Cu(OH)₂ • CuOHCI

Рентгенофазовый анализ (см. рис.3). показал, что исследуемым кристаллам соответствует брутто формула Cu₂CI(OH), молярной массой - 213,57 г/моль, что полностью совпадает с нашими выводами.

Регенерацию хлорида меди осуществляли добавлением раствора соляной кислоты к водной суспензии гидроксо-соединения меди так, чтобы растворение осадка происходило не полностью. Такой подход позволяет получить водный концентрат хлорида меди, не содержащего соляной кислоты. Рассмотрены также и процессы перевода хлорида меди в сульфат, через стадию образования оксида меди (II).

Последовательность химических процессов регенерационной утилизации медно-аммиачных травильных растворов представлена на схеме 1 (стр.15).

4.4. При разработке способа регенерационной утилизации тартратных электролитов проведены теоретические исследования, позволяющие обосновать механизм этих процессов и их последовательность.

Катионы меди (II) с сегнетовой солью образуют тартратные комплексы различной структуры. Известны 4 значения для констант неустойчивости. Так как K_1,2 = K₁•K_2, то K₂ = K_1,2/K₁ и K₂ = 7,76•10^-6/10^-3 = 7,76 •10^-3. Таким образом, можно вычислить константу нестойкости каждой стадии (см. табл.2).

Таблица 2 - Константы нестойкости медно-тартратных комплексов.

Строение	CuTart*	Cu(Tart)22-	Cu(Tart)34-	Cu(Tart)46-
Общая константа нестойкости К1,2…i	1•10-3	7,76 •10-6	1,74 •10-6	6,31 •10-7
Константа Ki	10-3	7,76 •10-3	224 •10-3	362 •10-3

^* -нейтральные молекулы в растворе



Образование конкретного комплекса зависит от концентрационных отношений н(Cu²⁺) : н(Tart)^2-. При сопоставлении значений K₁, K₂, K₃ и K₄ можно убедиться, что наиболее прочными являются комплексы 1 и 2. Третья и четвертая молекулы тартрата связаны слабее.

При переходе от н(Cu²⁺) : н(Tart)²= 1:2 к н(Cu²⁺) :н(Tart)²= 1:3 и 1:4 К_нест резко возрастает. Это означает, что комплексы Cu(Tart)₃⁴и Cu(Tart)₄⁶крайне неустойчивы, тогда, как наиболее устойчивым является молекулярный комплекс Cu(Tart) и Cu(Tart)₂².

В модельных растворах [н(Cu²⁺) : н(Tart)^2-] = 6,25, при рН>10, (Tart)²анионы находятся в избытке, поэтому в растворе возможны образование всех 4-х видов тартратных комплексов меди. При понижении pH будет наблюдаться постепенное протонирование карбоксильных групп винной кислоты. Рассчитано, что при рН=1,82 произойдет процесс:

[Cu(Tart)] + 2H⁺ Cu²⁺ + H₂Tart.

При pH = 2,5 протонируется одна карбоксильная группа с образованием гидротартрата аниона (HTart), гидролиз которого обеспечивает pH= 3,7. Таким образом, при pH = 3,5 3,7 винную кислоту можно регенерировать в виде нерастворимого в воде кристаллического осадка гидротартрата калия (КHTart) с последующей его регенерацией в виде KNaTart :

KNa[Cu(Tart)₂] + KNaTart (изб.)+ 2 НСl 2KHTartv + 2NaCI + Cu(Tart)

Как видно из рис.4, протонирование анионов (Tart)²сопровождается спонтанным смещением спектра поглощения ( 670 нм) в сторону длинных волн ( 819 нм). При этом, до значений рН = 4,04 оптическая плотность растет, а потом спонтанно падает, и как видно из рисунка 5, при рН=2,66 спектр поглощения среды не полностью совпадает со спектром поглощения водного раствора сульфата меди этой же концентрации. То есть, при рН=2,66 в растворе находится лишь часть свободных гидратированных катионов меди [Cu(H₂O)₆]²⁺. Остальная часть катионов меди, по-видимому, даже в сильно кислых средах, где все карбоксильные группы винной кислоты протонированы, находятся в комплексах, где в качестве донора электрона выступает электронная пара гидроксильных групп винной кислоты и воды.

Таким образом, спектральные исследования показали, что простым регулированием уровня рН нельзя добиться полного выхода катионов меди из комплексов (см. рисунок 4).

1 исходный раствор, лmax =670нм;

2 рН = 5,85, лmax = 730нм;

3 рН = 4,04, лmax = 834нм;

4 рН = 2,66, лmax = 818нм;

5 рН = 1,20, лmax = 819нм;

6 раствор CuSO4, лmax = 808нм;

Рисунок 4 Спектры поглощения медно-тартратных комплексов в воде при различных значениях рН среды, l = 0,3 см.

Потенциометрическое титрование модельного раствора показало наличия одного скачка потенциала при рН=7. То есть, при рН=7 в растворе катионы меди находятся в виде комплекса меди типа Cu(Tart).

Экспериментами показано, что при рН = 3,5-3,6 из исходного раствора KNaTart удается выделить KHTart с выходом 64%. Идентификацию выделенной нами соли проводили сопоставлением ИКспектров выделенного нами образца с реактивом КНTart (полное совпадение).

Низкие выходы КНTart (рН=3,6) связаны не только с его частичной растворимостью в воде, а также и с нахождением в растворе, при этих условиях, молекулярного комплекса [Cu(Tart)] . Поэтому, следует искать другие подходы для выделения и регенерации из раствора соединения меди и солей винной кислоты (ВК).

Выбор оптимальных условий восстановления катионов меди (II) глюкозой и выделения осадка KHTart из растворов . Результаты исследований обобщены в таблице 3.

Для полной регенерации компонентов раствора осуществили восстановление катионов меди (II) в оксид меди (I). Это позволило:

а) количественно регенерировать свободные остатки ВК в сегнетову соль;

б) регенерировать оксид меди (I) в соответствующие соли меди (II).

C₆H₁₂O₆ + 4NaOH + 2Cu²⁺ C₆H₁₂O₇ + 4Na⁺ + Cu₂O + 2H₂O (рН=12,5)

KNaTart + Н⁺ KHTartv + Na⁺(в присутствии КСl, рН= 3,6)

Остаточное содержание меди в маточном растворе 0,03 мг/л.

KHTartv + NaOH КNaTart + Н₂О (концентрат КNaTart при рН= 8,59)

Таблица 3 Результаты регенерационной утилизации растворов медно тартратных комплексов в различных условиях.

№ п/п	Способ выделения	Выход KHTart, %	Выход Cu2O, %	Цвет раствора
1	Прямое выделение подкислением при pH=3,5 без предварительного удаления Cu2+.	64	-	Бледносиний
2	Обработка раствора глюкозой, удаление осадка Cu2O. Подкисление р-ра до pH=3,5	70,0	99,8	Стойкий бордовый.
3	Обработка раствора глюкозой, удаление осадка Cu2O. Подкисление до pH=3,5 в присутствии KCI, нейтрализация щелочью.	75,5	99,8	Стойкий бордовый.
4	Как в п.3, нейтрализация добавлением CaO, и удалением кристаллического осадка (смесь сульфата, тартрата и глюконата кальция).	75,5	99,8	Бесцветный

Последовательность химических процессов регенерационной утилизации тартратных электролитов меднения представлена на схеме 2 (стр.16).

4.5 При разработке способа регенерационной утилизации щелочных электролитов меднения, содержащих Трилон Б, также проведены теоретические исследования, позволяющие обосновать выбор механизма процессов и их последовательность.

Этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА, H₄Edta или H₄Y) с катионами меди образует комплексы двух видов: CuHY[рК(HY^3-)=11,54] и (CuY)²[рКY^4-=18,8]. В таблице 4 представлены значения рК кислоты H₄Y, а в таблице 5 литературные данные её растворимости в воде, в зависимости от температуры и величины рН водного раствора.

Таблица 4 Ионно-молекулярные формы и значения рК диссоциации Н₄Edta.

Ионно-молекулярная формула H4Edta или H4Y	H3Edta- или H3Y-	H2Edta2- или H2Y2-	HEdta3- или HY3-	Edta4- или Y4-
рКn	рК1= 1,99	рК2=2,67	рК3=6,27	рК4=10,95

В зависимости от рН среды H₄Edta находится в разных состояниях протонирования, как показано ниже.

H₆Y²⁺H₅Y⁺H₄YH₃Y^-H₂Y^2-HY^3-Y⁴



рН= 0 1,0 1,6 2 3 6 6-10 10-14

Таблица 5 Зависимость растворимости Н₄Edta в воде от температуры и рН-среды.

№ п/п	toC	рН	Растворимость
			г/л	моль/л
1	21	0,7	0,175	610-4
2	21	1,0	0,128	4,3810-4
3	22	1,6	0,063	2,1510-4
4	22	2,0	0,065	2,2210-4
5	22	3,1	0,65	2.2210-3
6	21	4,0	30,4	1,0410-1
7	60	4,0	61,4	2,110-1
8	70	1,8	1,75	610-3
9	70	3,1	1,8	6,1610-3

Минимальная растворимость H₄Edta достигается при рН=2-1,6 (~0,064г/л).

Теоретическими расчетам нами показано, что разрушение комплексов меди (II) состава CuHY^-, даже при рН=1,6, не может привести к образованию осадка H₄Edta, последующее удаление которого из раствора позволило бы освободить катионы меди (II) от лигандов, и при последующей нейтрализации выделить их из раствора в виде нерастворимого гидроксида меди.

Поэтому, при утилизации подобных электролитов меднения необходимо осуществить процесс восстановления катионов меди (II), аналогично тому, что и в тартратных комплексах

Выбор оптимальных условий регенерационной утилизации щелочных медных электролитов, содержащих трилон Б.

Потенциометрическое титрование модельного раствора показало наличие одного скачка при рН=7, что соответствует нейтрализации щелочи сильной кислотой. При этом не были обноружены скачки потенциала для последовательных процессов:

Y^4- HY³ H₂Y^2- H₃Y^-.

Этот факт может быть обусловлен тем, что многоосновные, слабые кислоты титруются как одноосновные (один скачок).

Таким образом, методом потенциометрического титрования не удается установить значение рН, позволяющее определить оптимальную концентрацию кислоты для обеспечения максимального выхода H₄Edta.

Процесс подкисления модельного раствора, начиная с рН= 2,36 и ниже, сопровождается образованием осадка. Максимальный выход осадка H₄Edta наблюдается при рН=2,0, что согласуется с литературными данными (см. табл.5).

В исходном растворе имеется избыток трилона Б, так как . То есть, при рН=2,0-1,6 можно выделить 0,08-0,06=0,02 моль/л или 5,84 г/л H₄Edta

При добавлении кислоты при рН2 значение рН раствора не меняется, так как при этом образуются сложные буферные смеси. При этом выход осадка уменьшается. Это обусловлено образованием протонированных форм H₄Edta в результате процессов:

H₄Y H₅Y⁺ H₆Y²⁺.

При рН=2,0 из модельного раствора выделяли 22 г/л (0,075моль/л) высушенного при t>115^oC осадка, что составляет 94 % от теоретического, из расчета от начального количества трилона Б. Эти количества осадка, в расчете на H₄Edta, почти в 4 раза превышают теоретически предсказуемые. Считают, что H₄Edta с медью образует единственно возможные комплексы состава 1:1. То есть, в растворе осталось 0,08-0,075=0,005 моль остатка H₄Edta. При этом высвобождаются (остаются без лиганда партнера) 0,06-0,005 = 0,055моль/л катионов меди (93,3% от его содержания в растворе). Следовательно, можно полагать, что при подкислении раствора до рН = 2, свободная часть катионов меди (II) останется без лиганда, то есть удастся разрушить комплекс меди:

CuH₂Y +2Н⁺H₄Yv + Cu²⁺

После отделения осадка, обратная нейтрализация раствора гидроксидом натрия до рН=5-7 показала, что осадок гидроксида меди не образуется.

Таким образом, удаление избыточных и связанных с медью количеств H₄Edta не позволяет выделить из раствора гидроксид меди (II). Этот факт может быть объяснен тем, что в растворах возможно образование комплексов меди (II) с ЭДТА состава 2:1, 3:1 и т.д. Эти данные противоречат доминирующему в литературе мнению о том, что H₄Edta со всеми катионами металлов, вне зависимости от их заряда, образует комплексы состава 1:1.

Имеются сведения о том, что при рН=2 в медно ЭДТА растворах возможно образование соединения состава Cu₂Edta, растворимость которого в воде составляет 0,01 моль/ л (или 4,16г/л) в расчете на кристаллогидрат Cu₂Edta5H₂O (литературные данные).

Возможно, что при подкислении растворов, наряду с H₄Edta, из раствора выделятся в осадок кристаллы Cu₂Edta5H₂O. Поэтому, выделяемая нами кристаллическая смесь была прокалена в течении часа при температуре 320^оС. В остатке после прокаливания оказалась черная кристаллическая масса, которая легко растворяется в растворе серной кислоты, с образованием характерного голубого цвета раствора сульфата меди (II). Содержание меди в исследуемом образце составляло 28,57%, что совпадает с содержанием меди в Cu₂Edta (30,76%). Таким образом, можно заключить, что выделенные кристаллы представляют собой смесь Cu₂Edta (93%) и Н₄Edta (7%). Следовательно, такая методика регенерационной утилизации отработанных растворов не может быть рекомендована для отработанных электролитов меднения, содержащих трилон Б.

Из данных рисунка 5 видно, что при снижении рН среды до рН=9,14, происходит возрастание интенсивности поглощения, при смещении его максимума л_max = 759нм в сторону коротких волн (л_max = 736нм). Дальнейшее введение кислоты, (от рН=9,14 до рН=2,96), приводит к уменьшению интенсивности поглощения при постоянстве максимума полосы поглощения л_max = 736нм. При рН от 2,96 до рН=1,0 (при последних значениях предпочтительнее формы CuHY CuH₂Y^o CuH₃Y⁺ CuH₄Y²⁺), происходит понижение интенсивности поглощения, которое сопровождается смещением полосы поглощения в длинноволновую область (от л_max = 736нм до л_max = 746нм).

1-исходный, модельный раствор, рН = 12,23, л_max = 759нм;

2 рН = 9,14; л_max = 736нм, 3 рН = 4,25; л_max = 737нм, 4 рН = 2,96; л_max = 736нм, 5 рН = 2,10; л_max = 740нм, 6 рН = 1,00; л_max = 746нм, 7 рН=1,8-5, раствор СuSO₄x5H₂O - 15г/л; л_max = 810нм.

Рисунок 5 Спектры поглощения модельного раствора СuSO₄ в присутствии трилона Б в воде при различных значениях рН среды, l =0,3см.



Наблюдаемая динамика изменений спектров поглощения может быть объяснена тем, что при различных значениях рН образуются смеси различных комплексных соединений меди (II) с ЭДТА.

Теоретически, по мере снижения рН раствора, происходит последовательное образование форм CuY^2-, CuHY^-, CuH₂Y, CuH₃Y⁺.

Однако, как видно из рис.5, изменения интенсивности и максимума полосы поглощения происходят не спонтанно, а скачками. Так, частичная нейтрализация раствора от рН=12,23 до рН=9,14 приводит к образованию смеси, с оптической плотностью 5,5 раза больше исходной смеси при смещении максимума полосы на 51 нм в сторону коротких волн.

С химической точки зрения, как это следует из кривой потенциометрического титрования, в этом интервале рН происходит только простая реакция ионного обмена нейтрализации сильного основания сильной кислотой.

Известно, что при любом значении рН в области 0,5-3,0 в растворе трилона Б в заметных количествах одновременно существуют 3-4 частицы, и доля ни одной из них не превышает 50%. К сказанному следует добавить и вероятность нахождения в растворе молекулярного соединения меди типа Cu₂Edta.

Кислая соль СuHYв растворе находится при рН = 2,33. Следовательно, при рН более 2,33 будет преобладать форма СuY^2-. То есть, процесс CuY^2- CuHYзавершается при рН=2,33. Это значит, что в щелочном растворе ЭДТА медь связана в виде комплекса CuY^2-.

При подкислении раствора от рН=12,23 (где предпочтительно имеем комплексы типа CuY^2-) до рН=9,14 будут образоваться смесь CuHYс незначительным содержанием CuY^2-. Следовательно, надо полагать, что молекула CuHYимеет поглощение в коротковолновой области и более высокий коэффициент экстинкции.

Снижение интенсивности поглощения при рН=4,25, без смещения максимума полосы, может быть объяснено тем, что при этих значениях рН в растворе существует только протонированная форма СuH₂Y. Следовательно, надо полагать, что эта форма обладает низким значением коэффициента экстинкции. При значениях рН = 4,25-2 в растворе находится смесь СuH₂Y, СuH₃Y⁺ и Cu₂Edta.

Сопоставление спектра поглощения сульфата меди (II) со спектром поглощения смеси при рН = 2, показывает, что поставленная цель не достигнута. То есть, попытка разрушить комплексы меди, удалить из раствора нерастворимый в воде Н₄Edta, и в нейтральной среде выделить гироксид меди, оказалась безрезультатной.

Даже в сильно кислых средах, когда появляются четвертичные аммониевые соли Edta, комплекс меди полностью не распадается. Свидетельством этого факта является не совпадение спектров поглощения сульфата меди и спектра раствора при рН=1,0.

Поэтому следует считать, что полное выделение H₄Edta в виде нерастворимого вещества при снижении рН невозможно, а регенерационная очистка таких отработанных щелочных растворов медного травления, возможна только при полном удалении меди из комплекса в виде нерастворимого вещества. При этом, возможны два варианта:

1. Восстановление меди до металлического цементацией в щелочной среде алюминием или в кислой среде железом.

2. Восстановление катионы меди до оксида меди (I), с применением восстанавливающих углеводов (моносахаридов).

С эколого-экономических соображений процесс цементации нецелесообразен, поэтому, был исследован процесс восстановления катионов меди глюкозой из щелочных растворов меди, содержащих трилон Б в качестве комплексона. Выбор оптимальных условий восстановления катионов меди глюкозой и выделения осадка H₄Edtа из растворов, несодержащих катионы меди (II) осуществляли аналогично тому, что и при утилизации медно-таратратных растворов (см.табл. 6).



Таблица 6 - Показатели процессов выделения H₄Edtа и Cu₂O при утилизации щелочных медных электролитов, содержащих трилон Б.

Способ выделения	Выход Cu2+ %	Выход H4Edt, %	Сухой остаток, %	Цвет раствора
Восстановление Cu2+ при рН=12 (глюкоза в избытке в 1,5 раза), удаление Cu2O, Выделение H4Edta подкислением до pH=2. Нейтрализация раствора NaOH.	99,99	97,6	2,23	Слегка желтоватый раствор.
Удаление Cu2+(глюкоза в стехиометрических количествах). Выделение H4Edta подкислением до pH=2. Нейтрализация раствора NaOH.	99,99	97,6	1,75	Слегка желтоватый раствор.
Удаление Cu2+(глюкоза в стехиометрических количествах). Выделение H4Edta подкислением до pH=2. Нейтрализация раствора CaO.	99,99	97,6	1,27	Слегка желтоватый раствор.

Таким образом, при использовании предложенного метода достигается практически 100% удаление меди и H₄Edtа, которая может быть регенерирована в виде водных концентратов:

H₄Edtа + 2NaOH 2H₂O +Na₂Edtа (водный концентрат).

Последовательность химических процессов регенерационной утилизации электролитов меднения, содержащих трилон Б, представлена на схеме 3 (стр.17).

5. Количественную регенерация Cu₂O в соли меди (II) осуществляли в растворе соляной или серной кислоты, в присутствии кислорода воздуха:

Cu₂O + 4HCI + 0,5О₂ 2CuCI₂ + 2H₂O или Cu₂O + 2H₂SO₄ + 0,5О₂ 2Cu SO₄ + 2H₂O

Аналитический контроль процессов осуществляли по спектрам поглощения растворов. Качественно-количественная идентичность выделяемых образцов Cu₂O доказана полным совпадением спектров поглощения со стандартными спектрами растворов солей меди. Дальнейшую регенерацию осуществляли по схеме:

NH₄CI

2CuCI₂ + HCI_изб. + 4NH₄ОН Cu(OH)₂•CuOHCIv + 4NH₄CI + H₂O

Cu(OH)₂•CuOHCI

Осадок удаляли, и процесс регенерации растворов осуществляли как описано выше (см. стр. 8). Гидроксохлорид меди может быть применен и в других процессах (см. ниже):

пигмент

Cu(OH)₂•CuOHCI фунгицид для овощей (2-7 кг/га)

+3HCI2CuCI₂ (водн. конц.) +NaOH Cu(OH)₂ 2CuО +2Н₂О

Регенрация раствора Cu SO₄ целесообразнее осуществить через стадию образования CuО.

CuSO₄ + H₂SO_{4 изб.} + 4NaOH 2Na₂SO₄ + Cu(OH)₂

Cu(OH)₂ CuO + Н₂О; CuО + 2H⁺ соли Cu²⁺

Последовательность химических процессов регенерации оксида меди (I) в соли меди (II) представлена на схеме 4 (стр.18).

Основные результаты выводы и рекомендации

1. Научно обоснована и экспериментально осуществлена регенерационная утилизация и очистка медьсодержащих электролитов и растворов.

2. Показано, что при регенерационной утилизации отработанных медно-аммиачных гальванических электролитов при рН=5,25, удается из растворов удалить максимальное количество хлорида аммония (98%) и катионов меди (II) (99,9%) в составе осадка Cu(OH)₂•CuOHCI• nH₂O.

3. Регенерацию гидроксохлорида меди целесообразнее осуществлять его растворением в соляной кислоте с образованием водного концентрата хлорида меди (II).

4. Доочистку маточных растворов от катионов меди (II) целесообразнее осуществить их восстановлением, цементацией (железо при рН=2,5-3), что позволяет очистить воду до требуемых санитарно-гигиенических показателей.

5. Регенерационная утилизация щелочных растворов, содержащих комплексы меди (II) с трилоном Б или тартратами, осуществима при восстановлении катионов меди (II) до оксида меди (I) восстанавливающим моносахаридом-глюкозой.

6. Регенерацию сегнетовой соли можно осуществлять через стадию выделения гидротартрата калия при рН=3,5 (75%), с последующим переводом его в водный концентрат KNaTart, а трилона Б путем удаления из растворов (рН=2) кислоты H₄Edtа (97,6%), с дальнейшим ее переводом в водный концентрат трилона Б.

7. Окислительной регенерацией (кислородом воздуха) оксида меди (I) в соли меди (II) можно получить водный концентрат CuCI₂ или CuSO₄ (растворением оксида в соляной или серной кислоте), Cu(OH)₂•CuOHCI• nH₂O (нейтрализацией водного концентрата CuCI₂ аммиаком) или [Cu(NH₃)₄(Н₂О)₂]Cl₂ (растворением оксида в аммиачной воде в присутствии кислорода воздуха).

8. Все рассмотренные способы регенерационной утилизации гальванических растворов меднения позволяют очистить воду до достижения всех предъявляемых к ней санитарно гигиенических норм.



*ЭФА-эфирно-альдегидная фракция (смесь этанола, ацетальдегида. этилацетата, метанола).

Схема 1 Регенерационная утилизация медно-аммиачных травильных растворов.



Схема 2 Регенерационная утилизация тартратного электролита химического меднения



Схема 3 Регенерационная утилизация электролита химического меднения с Трилоном Б



Схема 4 Схема утилизации Cu₂O



Список публикаций по теме диссертации

1. Пашаян, А. А. О необходимости создания региональных технологических центров по утилизации отработанных гальванических растворов / А.А. Пашаян, О.С. Щетинская, Ал. А. Пашаян // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). - 2006. т.11. №3. С. 85-87;

2. Пашаян, А.А. Химические аспекты регенерационной утилизации гальванических растворов/А. А. Пашаян, О.С. Щетинская, Ал. А. Пашаян //Вестник Брянского государственного университета им. И.Г. Петровского. - 2005. №4. С.105-108.

3. Пашаян, А.А. Бесшламовая регенерационная утилизация гальванических стоков/ А.А. Пашаян, С.В. Лукашов, Ал. А. Пашаян, А.Н. Монастыренко //Сборник докладов Межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы утилизации отходов производства и потребления, пути их решения», Брянск, 2005 г, С. 27-29

4. Пашаян, А. А. Регенерационная утилизация гальванических растворов меднения на региональных научно-технологических центрах/ А. А. Пашаян, Ал. А. Пашаян, О.С. Щетинская//Региональные проблемы экологии: Пути решения. Тезисы докладов III международного симпозиума, Республика Беларусь, Полоцк-2006 г. том 1, С. 278-280.

5. Пашаян, А.А. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии утилизации и очистки сточных вод/ Ал. А. Пашаян, О.С. Щетинская А. Н. Монастыренко // Актуальные проблемы лесного комплекса /Под ред. Е.А.Памфилова. Сборник трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 14.-Брянск, 2006. С. 142-145.

6. Пашаян, А.А. Бесшламовая регенерационная утилизация гальванических стоков/ А.А. Пашаян, С.В. Лукашов, Ал. А. Пашаян, А.Н. Монастыренко// Региональная научно-техническая конференция «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», Брянск, БГИТА, 2005 г., том 2, С. 67-71.

7. Пашаян, Ал. А. Эколого экономическая оценка регенерационных методов очистки сточных вод. Критический анализ/ Ал. А. Пашаян, А.А. Пашаян, С.В. Лукашов //Передовые технологии России. 2004, С.4-7.

8. Пашаян, Ал. А. Новые решения и эколого-экономические подходы при утилизации растворов медного травления./ Ал.А. Пашаян, А.А. Пашаян, Н.Н. Роева, О. С. Щетинская // Экология и промышленность России. - 2007. №10. С.36-38.

9. Пашаян, Ал. А. Региональные научно-технологические центры по оказанию экологических услуг. / Ал.А. Пашаян, Н.Н. Роева, А.А. Пашаян. // Сборник докладов научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов “Экологические проблемы регионов Украины”. Одесса, ОГЭКУ, май 2007 г, с. 224-225.

10. Пашаян, Ал. А. Проблемы утилизации отработанных электролитов меднения и пути их решения. / Ал. А. Пашаян, Н.Н. Роева, А. А. Пашаян // Сборник докладов научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов “Экологические проблемы регионов Украины”. Одесса, ОГЭКУ, май 2007г, с. 226-227

11. Пашаян, Ал. А. Новые малоотходные технологии очистки гальванических электролитов и стоков./ Ал. А. Пашаян, А. А. Пашаян, Н.Н. Роева // Второй международной научно техническая конференция «Окружающая природная среда - 2007: актуальные проблемы экологии и гидрометеорологии; интеграция образования и науки». Одесса, ОГЭКУ, 2007, С. 255.

12. Пашаян, Ал. А. Эколого-экономические задачи центров по оказанию экологических услуг. / Ал. А. Пашаян// Второй международной научно техническая конференция «Окружающая природная среда - 2007: актуальные проблемы экологии и гидрометеорологии; интеграция образования и науки». Одесса, ОГЭКУ, 2007, С. 255.

13. Пашаян, Ал. А. Регенерационная утилизация гальванических электролитов, содержащих комплексные катионы меди (II) с различными лигандами / Ал. А. Пашаян, Н. Н. Роева // Пятая международная научная конференция студентов, магистратов и аспирантов «Современные проблемы экологии и геотехнологии» Житомир, ЖГТУ, 2008, С. 18-19.

14. Пашаян Ал. А. Химико-экологические и экономические аспекты регенерационной утилизации медь содержащих гальванических растворов / Ал. А. Пашаян, Н. Н. Роева // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). - 2008. т.13. №2. С. 20-25.

Размещено на Allbest.ru

...