Ионы редкоземельных металлов играют огромную роль в производственных процессах.

Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, в производстве пигментов, лаков и красок [3].

РЗМ существуют в виде карбонатов  La2(CO3)2  , хлоридов LaCl3, нитратов La(NO3)3 , фторидов LaF3  , сульфатов La2(SO4)3 и др. Однако их нахождение в природе незначительно и составляет в земной коре порядка 2,9·10−3 % [1].

В сточных водах производств редкоземельных элементов при их разделении или в водах металлургических производств, образующихся при выщелачивании, наблюдается содержание La3+ более ПДКрх. ПДКрх = 0,1 мг/л.

Очистка сточных вод от этих ионов является актуальной как для исключения загрязнения водоемов, так и для утилизации дефицитного сырья.

Ввиду того, что La3+ находится в кислых сточных водах, длительное хранение которых приводит к коррозии металлических корпусов, извлечение ионов La3+ для последующего использования возможно адсорбцией.

Новизной данной работы явилось исследование возможности использования различных сорбентов, полученных из отходов гидролизных производств и ТЭС для полной утилизации La3+. Для этого используется модульная очистка. Первым модулем устанавливается сорбционная колонна. Однако выбор сорбента для многозарядных ионов является сложной задачей.

В данном случае в качестве сорбентов были опробованы отходы гидролизного производства – лигнин и ТЭС- зола уноса.

Зола уноса – это сухой, пылевидный продукт сжигания угля, извлеченный из скруббера, расположенного в системе очистки дымовых газов ТЭС. Подготовку сорбента осуществляли путем промывки дистиллированной водой, для удаления наиболее мелкой всплывающей фракции.

Таблица 1  

Характеристика золы уноса

Размер частиц, мкм	Масса, г в 20 г продукта	Доля фракции, %
450	0,1244	0,6
315	0,4185	2,1
125	6,1643	30,8
100	3,9518	19,8
90	1,9004	9,5
Менее 90, в том числе всплывающая фракция	7,4306	37,2
	0,01

 

Гидролизный лигнин – это полимер, выделенный как отход гидролизного производства древесины. Гидролизный лигнин содержит остатки растворенных органических веществ (РОВ) и серную кислоту. Подготовку сорбента проводили путем промывки горячей водой для удаления серной кислоты и РОВ. Контроль качества промывки осуществляли по изменению окраски  выходящей из колонки воды, заполненной лигнином, фотометрически.

Факторами исследования являлись состав сорбента и концентрация ионов лантана в сточных водах. Кислотность сточных вод постоянна и равнялась 4. Параметром исследований явилась эффективность адсорбции ионов лантана различными сорбентами. Значения факторов и интервал варьирования приведены в Табл.2.

Для сокращения числа опытов они проводились в соответствии с матрицей. Эффективность утилизации ионов лантана различными составами сорбентов осуществлялась в результате анализа функции Y = f(x1,x2), где Y– эффективность очистки, х1 – сорбент, изменяющегося состава от лигнина до золы, х2 – концентрация ионов La3+, после проведения статической обработки полученных результатов [3].

Таблица 2

 Уровни факторов и интервал их варьирования

Факторы	Уровни факторов			Интервал варьирования	Размерность
	Нижний -1	Средний (нулевой)	Верхний +1
Сорбент (лигнин) –х1	0	37,5	75	37,5	г
La3+ - Х2	0,5	1	1,5	0,5	мг/л

 

Через золу уноса и лигнин были пропущены растворы, содержащие 5, 10 и 15 ПДК La3+.

На основании проведенных экспериментов по матрице планирования типа 22, расчетов математической модели при погрешности опытов 5 % и использовании статистической обработки полученных результатов, оказалось, что уравнение регрессии имеет вид представленный уравнением 1:

 

Ү = 2,1188 + 0,5487x1 + 0,5712x2 + 0,799x1x2.                              (1)

 

Оказалось, что полином однороден, все коэффициенты значимы, модель адекватна [2].

На основании полученных результатов и интервалов варьирования произведен расчет условий для крутого восхождения с целью выбора оптимальных условий очистки сточных вод от ионов лантана.

Анализ проведенных экспериментов показал, что для нахождения оптимума проводилось два опыта, результаты которых приведены в Табл.3.

Таблица 3  

Расчет крутого восхождения

 

Опыт	х1	х2	V, мл	Эффективность, %
bi	0,5506	0,5718
Интервал варьирования	20,6	0,286
Округленный шаг	40	0,5

Опыт 5 (на нулевом уровне)	37,5	1	1400	90
Опыт 6	77,5	1,5	4100	93
Опыт 7	197,5	3	9600	96

Исходя из расчета были проведены два эксперимента.

 

Оказалось, что максимальная эффективность первого модуля очистки сточной воды наблюдается в опыте 7 – достижение концентраций ионов лантана в элюате выше ПДКрх было замечено после пропускания через колонку наполненную лигнином, массой 197,5 г, более 9 л раствора с концентрацией 30ПДКрх.

 

Список литературы

1.     Глинка, Н.Л. Общая химия [Текст]: учеб. пособ. для вузов/ под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е, исправленное.– М.: Интеграл – Пресс, 2003. – 728с.

2.     Кузнецова, Е.В. Математическое планирование эксперимента [Текст]: учеб.пособ./Е.В. Кузнецова. – Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2011. – 35с.

3.     Спеддинг, Ф.Х. Редкоземельные металлы [Текст]: учеб./Ф.Х. Спеддинг, А.Х. Даан. – М.: Металлургия, 1965.– 610 с.