научная статья по теме ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ НА ИОНООБМЕННИКАХ И АКТИВНЫХ УГЛЯХ Химия

Текст научной статьи на тему «ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ НА ИОНООБМЕННИКАХ И АКТИВНЫХ УГЛЯХ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2010, том 84, № 12, с. 2377-2381

== ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ.

ХРОМАТОГРАФИЯ

УДК 544.723

ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ НА ИОНООБМЕННИКАХ

И АКТИВНЫХ УГЛЯХ

© 2010 г. С. В. Хорольская, Е. В. Золотухина, Л. Н. Полянский, С. В. Пешков,

Т. А. Кравченко, В. А. Крысанов

Воронежский государственный университет E-mail: krav@chem.vsu.ru Поступила в редакцию 05.02.2010 г.

Изучен процесс химического осаждения никеля в виде труднорастворимых осадков в матрицах ионообменников и активных углях различных типов из раствора хлорида никеля и электролита химического никелирования. Установлено, что сорбция ионов никеля из раствора хлорида никеля наиболее эффективно происходит макропористыми хелатобразующим ионообменником Purolite D24002 и сульфокатионообменником КУ-23-15/100 и гелевым сульфокатионообменником КУ-2-8. Показано, что в сульфокатионообменники никель поступает в виде противоионов, Purolite D24002 сорбирует ионы никеля в основном за счет комплексообразования. Отмечено, что последующее осаждение никеля в виде твердой фазы в порах матрицы освобождает ионогенные центры, что позволяет проводить повторные циклы сорбции; после трех циклов химического осаждения никеля в статических условиях его количество на 170—250% превышает ионообменную емкость сорбентов. Сделан вывод, что в электролите химического никелирования никель находится преимущественно в виде отрицательно заряженных и нейтральных комплексов с глицином, которые не могут связываться с исследуемыми матрицами, в связи с чем процесс сорбции целесообразно проводить при пониженном значении рН раствора.

Проблема разделения или выделения компонентов из сложных по составу растворов решается разнообразными химическими и электрохимическими методами: разделением, осаждением, экстракцией, сорбционным концентрированием, селективным восстановлением. Наибольший интерес представляет выделение ионов тяжелых металлов на сорбционных материалах, осуществляемое безреагентным методом за счет процессов сорбции и ионного обмена [1—6]. В то же время для выделения компонентов из растворов сложного состава целесообразно использовать сорбенты, способные одновременно к ионному обмену и комплексообразованию, или нескольких сорбентов различной природы совместно [3, 6—8]. Например, известен способ технологического извлечения никеля из отработанных электролитов химического никелирования, в котором выделение никеля осуществляется на комплекситах — иминодиацетатных ионообменниках с их последующей регенерацией [8]. Способность переходных металлов к комплексообразованию позволяет повысить эффективность их сорбции и извлечения из сложных по составу растворов такими ионообменниками. Так, на карбоксильном кати-

онообменнике в КИ^-форме можно селективно извлекать ионы металлов, переводя их предварительно в аммиачные комплексы [9].

Сорбционное извлечение металлов можно сделать более эффективным, если накапливать

металл в порах ионообменников в виде малорастворимого соединения, освобождая тем самым функциональные центры матрицы для нового взаимодействия с ионами металла. Известен способ извлечения и концентрирования ионов металла в виде гидроксидов или частиц металла в ионообменной матрице [10—12]. Так, селективное извлечение ионов меди из смешанных медно-цинковых электролитов основано на образовании комплексов меди и цинка с аминогруппами ионообменника, дальнейшем ионообменном вытеснении ионов Zn2+ из анионообменника за счет большей селективности к ионам Си2+. Последующее химическое восстановление ионов Си2+ до дисперсного металла позволяет освободить ионо-генные центры анионообменника для нового цикла сорбции. Таким способом можно достичь 300% и более превышения ионообменной емкости матрицы за счет концентрирования металла в виде дисперсного металлического осадка [11].

Цель настоящей работы состоит в выявлении физико-химических закономерностей сорбции ионов никеля и их накопления в виде дисперсного осадка представителями различных классов ионообменников и активных углей из раствора хлорида никеля и электролита химического никелирования.

2378 ХОРОЛЬСКАЯ и др.

Таблица 1. Основные характеристики ионообменников

Матрица Состав матрицы Функциональные группы Пористость s, мг-экв/см3

Purolite D24002 акрил-дивинилбензольная -N(CH2COOH)2 макропористый 1.5

Purolite A109 стирол-дивинилбензольная -nh2 макропористый

КУ-23 15/100 [13] стирол-дивинилбензольная -SO3H макропористый 1.1

КУ-2-8 [13] стирол-дивинилбензольная -SO3H гелевый 1.9

СКС-3 синтетический угол - микропористый 0.8

БАУ активный природный уголь - макропористый 0.4

Обозначения: s — ионообменная емкость по H+ (для углей емкость приведена в мг-экв/г по 0.1 М HCl).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали ряд ионообменников различной природы: низкоосновный аминосо-держащий анионообменник РигоШе А109; хела-тообразующий иминодиацетатный полиамфолит РигоШе D24002; макропористый сильнокислотный сульфокатионообменник КУ-23 15/100; ге-левый сильнокислотный сульфокатионообмен-ник КУ-2-8. Их основные характеристики приведены в табл. 1. Все ионообменные материалы предварительно подготовлены путем кислотно-основного кондиционирования [13]. Кроме того, сорбцию ионов никеля проводили синтетическими и природными активными углями СКС-3 и БАУ.

Исследуемые растворы — 0.125 М раствор хлорида никеля и электролит ванны химического никелирования (рН 6) следующего состава: 0.125 М хлорид никеля, 0.2 М аминоуксусная кислота МН2СН2СООН (HGly) и 0.12 М ацетат натрия СН3СООШ.

Для осаждения ионов никеля проводили предварительное насыщение ионообменников и углей насыпным объемом 3 см3 в статических условиях раствором, содержащим ионы №2+ (объемом 50 см3), в течение 3 сут. до установления ионообменного равновесия. Накопление ионов никеля в матрице из раствора хлорида никеля осуществляли в виде труднорастворимого гидроксида №(ОН)2. С этой целью отмытые дистиллированной водой ионо-обменники в №2+-форме обрабатывали 2.5% раствором гидроксида натрия объемом 30 см3. Цикл ионообменного насыщения — химического осаждения проводился троекратно. Для уменьшения концентрации ионов никеля, перешедших вследствие частичного растворения гидроксида никеля в раствор, противоионы №2+ осаждали также в виде карбоната или проводили восстановление до металлического состояния щелочным раствором дитионита натрия (6% №^204 в 2.5% №ОН) объемом 50 см3. Таким способом противоионы

а

(1)

№2+ переводили в координационно-неактивную форму.

Остаточную концентрацию ионов №2+ в растворе определяли комплексонометрическим титрованием трилоном Б (индикатор — мурексид) [14]. Из разности начальной концентрации раствора и концентрации раствора после контакта с сорбентами находили равновесные степени сорбции ионов никеля различными ионообменниками

_ (со - е)¥

'

где с0 — исходная концентрация ионов никеля в растворе, моль/л; с — концентрация ионов никеля в растворе после контакта с сорбентом, моль/л; еН — ионообменная емкость ионообменника по Н+, ммоль/см3; V — объем раствора насыщения, см3; V — объем набухшего ионообменника, см3.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Первоначально исследовали сорбционную способность всех исследуемых ионообменных матриц (анионо-, катионообменники, амфолит) и углей в отношении ионов никеля в статических условиях. С этой целью проводили последовательные циклы насыщения матриц ионами никеля из 0.125 М раствора хлорида никеля и их осаждение в виде гидроксида никеля.

При насыщении ионами никеля сильнокислотных сульфокатионообменников КУ-23-15/100 и КУ-2-8 происходит ионный обмен

2R - 80-Н+ + N12+ ^ ^ - 80з)2№2+ + 2Н+. (2) В аминосодержащем анионообменнике РигоШе А109 ионы никеля координационно связываются с аминогруппами матрицы, образуя комплексы за счет неподеленной электронной пары атома азота [15]

2R - NH2 + N12+ ^ - NH2) ^ N12+]. (3) Иминодиацетатный амфолит РигоШе D24002 участвует в реакциях комплексообразования с ионами никеля не только за счет электронной па-

ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ НИКЕЛЯ НА ИОНООБМЕННИКАХ

2379

ры третичного азота, но и электронной пары атома кислорода карбоксильных групп, поскольку карбоксильные группы являются слабодиссоции-рованными [15]. В результате формируются хе-латные комплексы

R - N(CH2COOH)2 + Ni

■ 2+

г-2+п

(4)

(R-SO^2Ni + 2NaOH ^ ^ [R-SO-Na+]2 • Ni(OH)2, [(R-NH2) ^ Ni2+] + 2NaOH ^ ^ R-NH 2 • Ni (OH)2 + 2Na [R-N(CH2COOH)2 ^ Ni2+] + 4NaOH ^

(5)

(6) (7)

^ [R-N(CИ2COONa)2] • №(ОИ)2 + 2Ш+ + И20. После трехкратного проведения реакций (2)—(7) весь сорбированный в виде гидроксида металл восстанавливали дитионитом натрия

[R-SO-Na+]2 • Ni(OH)2 + Na2S2O4 + 2NaOH ^

^ ^-ЗО^^ • N10 + 2Ш2SOз + 2И20,

[R-NИ2] • №(ОИ)2 + Na2S2O4 + 2ШОИ ^

^ [R-NИ2] • N10 + 2Na2SOз + 2И20,

[R-N(CИ2COO-Na +)2] • №(ОИ)2 + Na2S2O4 +

+ 2ШОИ ^ [R-N(CИ2COO-Na +)2] • №° + (10)

+ 2Ш^03 + 2И20. Из сравнения данных о степени сорбции ионов никеля после каждого цикла насыщения— осаждения, представленных в табл. 2, можно су-

(8) (9)

Таблица 2. Концентрация сорбированных из 0.125 М раствора №02 ионов никеля (с{, мг-экв/см3) в зависимости от номера I цикла ионообменного насыщения — химического осаждения

^ ^ - N(CH2COOH)2 ^ N1 Угли сорбируют ионы никеля вследствие наличия небольшого количества сульфо-, карбоксильных и фенольных групп [16].

После ионообменного насыщения матриц и отмывки их от необменно поглощенного электролита проводили осаждение ионов никеля в виде гидроксида по схеме [17]

т-2+

Сорбент С1 c2 c3

Purolite D24002 0.87 0.85 0.87

Purolite A109 0.27 0.37 0.38

КУ-23-15/100 0.64 0.62 0.60

КУ-2-8 0.92 0.77 0.75

СКС-3 0.37 0.47 0.53

БАУ 0.25 0.35 0.38

дить о сорбционной способности исследуемых материалов. Количество ионов никеля, поглощенных в каждом цикле одним и тем же сорбентом, различаются незначительно. Из рис. 1 видно, что в результате трехкратного статического насыщения и осаждения ионов никеля в матрицах получаются композиты со значительной долей металлического никеля (или его гидроксида).

Для аминосодержащего анионообменника Purolite A109 очевидна невысокая сорбционная способность. Наибольшая сорбционная способ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком