Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

STUDY OF THE EXTRACTION OF COPPER AND ZINC FROM THE TWO-COMPONENT SOLUTIONS

Amangusova L.A. 1 Zaharova V.S. 1 Kalugin Y.A. 1
1 Nosov Magnitogorsk State Technical University
Experimental studies of the extraction of copper ions (II) and zinc from the two-component model systems by means of neutralization were carried out. The investigated pH range was from 0.90 to 12.50. Initial concentrations of metals in the model systems were for copper ion (II) – from 0.1 to 1.0 g / dm3; for zinc ions – from 0.1 to 2.5 g / dm3. The chemically pure alkaline solutions were used as precipitating reagents. The major amount of Cu2 + was removed in the pH range from 5.0 to 7.0 in the absence of Zn2+, Fe2+ and Fe3+ as was found. It was pH 8.0 when the residual content of copper (II) in solution reached a minimum value. Thus reducing the initial concentration of Zn2+ in two-component model solutions is a reason of increasing of pH when the extracting of Cu(OH)2 and Zn(OH)2 starts. That is why the increasing of the technological solutions’ acidity is necessary for the quantitative recovery of copper in the presence of zinc.
method of neutralization
copper and zinc ions
model solutions

Сформированные в результате добычи и переработки медно-колчеданных руд кислые минерализованные промышленные воды по качественно-количественным показателям сопоставимы с забалансовыми рудами и образуют техногенное гидроминеральное сырьё [1-3]. Вовлечение этого вида гидроминерального сырья в переработку связано с необходимостью совершенствования уже имеющихся и с разработкой новых инновационных технологий глубокой переработки техногенных кислых рудничных вод, обеспечивающих предотвращение сброса токсичных гидроминеральных стоков в природные водоемы; это позволит повысить рентабельность производства, улучшить состояние атмосферы и водных ресурсов, сократить накопление отходов и отчуждение земель под их хранение.

С целью практической реализации для технологического процесса, основываясь на общей схеме мероприятий, осуществляемых при проектировании систем переработки кислых минерализованных промышленных вод с помощью методов нейтрализации/осаждения [7-10], экспериментально изучается химия процесса извлечения методом известкования катионов черных и цветных металлов и, в первую очередь, меди (II) из технологических растворов горных предприятий медного комплекса, матричный состав которых примерно известен. Основными компонентами катионного состава этих технологических растворов, наряду с ионами меди (II), являются катионы железа (II), железа (III) и цинка [1, 4-6].

Цель исследования. Экспериментальное изучение закономерностей процесса извлечения ионов меди (II), цинка с применением метода нейтрализации из двухкомпонентных модельных систем в широком интервале рН.

Материалы и методы исследования

Использовали: фотометрический метод с реактивом пикрамин эпсилон и метод прямой потенциометрии с использованием медьселективного электрода для определения меди, гексацианоферратный и трилонометрический титриметрические методы для определения цинка.

Исследуемый интервал рН: от 0,90 до 12,50. Исходные концентрации металлов в модельных системах задавались в следующих пределах: для ионов меди (II) – от 0,1 до 1,0 г/дм3; для ионов цинка – от 0,1 до 2,5 г/дм3. В качестве реагентов-осадителей использовали растворы химически чистых щелочей.

Результаты исследования и их обсуждение

При изучении влияния характера среды модельных двухкомпонентных систем Cu2+ – Zn2+ на степень извлечения из них меди и цинка выяснено, что свежеполученные осадки гидроксидов представляют собой неустойчивые аморфные образования, сорбционная способность которых быстро меняется и зависит от условий их получения, что согласуется с литературными данными [1].

Кривые остаточного содержания ионов Cu2+ и Zn2+, представленные на рис. 1, для модельных систем Cu2+ – Zn2+ с исходным отношением массовых концентраций меди и цинка 1:6,25 свидетельствуют о том, что до pH 5,0 содержание ионов Cu2+ в растворах остается практически равным исходному. В интервале pH от 5,0 до 6,5 наблюдается резкое снижение остаточного содержания ионов Cu2+ в растворах в связи с образованием осадка гидроксида меди (II). При дальнейшем повышении pH до 11,0 остаточное содержание ионов Cu2+ практически не изменяется и находится в интервале 0,013 – 0,025 г/дм3.

Таким образом, при рН выше 6,5 степень извлечения меди из модельных растворов составляет 93,8 – 96,7 %. Осаждение катионов Zn2+ начинается при рН выше 6,5. При рН 8,0 – 11,0 остаточное содержание цинка в модельных растворах минимально (0,016 – 0,020 г/дм3). Степень извлечения цинка при этом составляет 99,2 – 99,4 %. В области значений pH больше 11 наблюдается некоторое увеличение остаточного содержания ионов Cu2+ и Zn2+ в растворах, связанное с частичным растворением осадков Cu(OH)2 и Zn(OH)2 и образованием гидроксокомплексов.

Кривые остаточного содержания ионов Cu2+ и Zn2+ (рис. 2) для модельных систем Cu2+ – Zn2+ с отношением массовых концентраций меди и цинка 1:2,5 отражают незначительное снижение концентрации ионов меди и цинка в растворах в интервале рН 3,0 ÷ 6,0, а затем, при рН больше 6, наблюдается резкое снижение содержания ионов в растворе, связанное с образованием осадков гидроксидов Cu(OH)2 и Zn(OH)2, которое для Cu(OH)2 заканчивается примерно при рН 7, а для Zn(OH)2 – примерно при рН9.

aman1.wmf

Рис. 1. Влияние pH на остаточное содержание ионов Cu2+ и Zn2+ в двухкомпонентных модельных растворах с исходными концентрациями ионов Cu2+ 0,4 г/дм3, ионов Zn2+ 2,5 г/дм3

aman2.wmf

Рис. 2. Влияние pH на остаточное содержание ионов Cu2+ и Zn2+ в двухкомпонентных модельных растворах с исходными концентрациями ионов Cu2+ 0,4 г/дм3, ионов Zn2+ 1,0 г/дм3

Таким образом, уменьшение исходной концентрации ионов Zn2+ в модельных растворах приводит к увеличению рН начала осаждения гидроксидов Cu(OH)2 и Zn(OH)2.

Аналогичные результаты представлены и на рис. 3 для модельных систем с соотношением массовых концентраций ионов меди (II) и цинка 1:0,25. Остаточное содержание ионов меди начинает снижаться только после рН > 6 и достигает минимума примерно при рН 8. Извлечение основной массы цинка в виде его гидроксида начинается примерно при рН 8 и заканчивается при рН около 9.

aman3.wmf

Рис. 3. Влияние pH на остаточное содержание ионов Cu2+ и Zn2+ в двухкомпонентных модельных растворах с исходными концентрациями ионов Cu2+ 0,4 г/дм3, ионов Zn2+ 0,1 г/дм3

Сравнительные данные по изменению остаточного содержания ионов Cu2+ при разных исходных концентрациях ионов Zn2+, представленные на рис. 4, наглядно свидетельствуют о влиянии на рН начала извлечения меди (II) исходного содержания ионов цинка в растворе.

aman4.tiff

Рис. 4. Влияние pH на остаточное содержание ионов Cu2+ в двухкомпонентных модельных растворах с исходной концентрацией ионов Cu2+ 0,4 г/дм3 и с различным исходным содержанием ионов Zn2+

Данные, представленные на рис. 5, отображают такую же зависимость для рН начала извлечения цинка от исходного содержания ионов цинка в растворе.

aman5.tiff

Рис. 5. Влияние pH на остаточное содержание ионов Zn2+ в двухкомпонентных модельных растворах с исходной концентрацией ионов Cu2+ 0,4 г/дм3 и с различным исходным содержанием ионов Zn2+

Анализ кривых остаточного содержания ионов Cu2+ и Zn2+, представленных на рис. 1 – 5, позволяет сделать вывод о необходимости повышения рН для увеличения степени извлечения меди в присутствии цинка.

Как установлено ранее [1], в отсутствие ионов Zn2+, Fe2+ и Fe3+ основное количество ионов Cu2+ извлекается в интервале pH от 5,0 до 7,0, при pH 8,0 остаточное содержание ионов Cu2+ достигает минимального значения. В присутствии ионов Zn2+ остаточное содержание меди начинает снижаться только после рН > 6 и достигает минимума примерно при рН 8.

Следовательно, чем меньше исходная концентрация цинка в растворах, тем при более высоком значении рН извлекаются и медь, и цинк.

Полученные результаты согласуются с расчетными значениями рН осаждения Cu(OH)2 и Zn(OH)2 из чистых растворов с теми же исходными концентрациями ионов Cu2+ и Zn2+, которые использовались в ходе экспериментальной работы. Расчеты проводились на основе табличных значений ПР (Cu(OH)2) =2,2∙10-20 и ПР(Zn(OH)2) = =1∙10-17 при 18-25оС.

Если исходные концентрации ионов цинка в однокомпонентных растворах составляют 2,5; 1,0; 0,1 г/дм3, то расчетные значения рН начала осаждения Zn(OH)2 соответственно равны 6,21; 6,40; 6,90. При исходной концентрации ионов меди (ІІ) в однокомпонентном растворе 0,4 г/дм3 рН начала их осаждения равно 5,17.

По результатам данного этапа исследования можно сделать следующие выводы:

– Уменьшение исходной концентрации ионов Zn2+ в модельных растворах Cu2+ – Zn2+приводит к увеличению рН начала извлечения из них гидроксидов Cu(OH)2 и Zn(OH)2.

– Для количественного извлечения меди из различных техногенных растворов в присутствии цинка необходимо повышать их кислотность.