Hydrometalurgia metali nieżelaznych
Laboratorium
Ćwiczenie nr 3
EKSTRAKCJA MIEDZI Z ROZTWORÓW AMONIAKALNYCH ZA POMOC
CIEKA
EGO
WYMIENIACZA JONOWEGO
Katarzyna Jasińska
WMN, Metalurgia rok III
data wykonania:
Grupa 1, zespół 6 21.04.2015
1. Wstęp
Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest to proces przenoszenia substancji z jednej fazy
do drugiej, który wykorzystujące zjawisko niemieszalności cieczy. W hydrometalurgii
ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest wykorzystywana przede wszystkim do selektywnego
rozdzielania jonów metali.
Rozdział jonów może odbywać się na dwa sposoby:
Øð na drodze fizycznej, w której wykorzystuje siÄ™ różnice rozpuszczalnoÅ›ci substancji w
fazie wodnej i organicznej;
Øð na drodze chemicznej, w której wykorzystuje siÄ™ mechanizm wymiany jonowej
pomiędzy substancjami;
Ekstrakcje przy użyciu ciekłych wymieniaczy jonowych wykorzystuje się głównie do
ilościowego wydzielania, koncentrowania i rozdzielania kationów metali. Wymiana polega na
tym, że kationy metalu przechodzą z fazy wodnej do organicznej, a z kationy wodorowe
przechodzÄ… z fazy organicznej do wodnej.
Proces ekstrakcji jonu metalu można opisuje następujące równanie:
Proces takiej ekstrakcji wykorzystywanej na skale przemysłowa znalazł zastosowanie
w produkcji miedzi metodÄ… hydrometalurgicznÄ…. Do przerobu wykorzystuje siÄ™ odpadowe
rudy tlenkowe. Proces ten zachodzi bardzo szybko, a sprzyja temu intensywne mieszanie.
W uproszczeniu ekstrakcje można zapisać następująco:
·ð Z roztworów amoniakalnych zawierajÄ…cych skompleksowane jony miedzi
·ð Z roztworów siarczanowych zawierajÄ…cych proste jony miedzi
Wielkość ekstrakcji E jest to stosunek zawartości jonów metalu w fazie organicznej do
początkowego stężenia jonów w fazie wodnej. Parametr ten opisuje następujący wzór:
Izoterma ekstrakcji jest to wyznaczona doświadczalnie zależność stężeń równowagowych
substancji ekstrahowanej w obydwu fazach, która zazwyczaj ma charakter krzywoliniowy.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było wyznaczenie wielkości charakteryzujących proces ekstrakcji
miedzi z amoniakalnych roztworów wodnych przy użyciu ekstrahenta LIX 622.
3. Wykonanie ćwiczenia
I. Kinetyka procesu ekstrakcji
Øð W celu oznaczenia poczÄ…tkowego stężenia miedzi pobrano 2 próbki amoniakalnego
roztworu w ilości 5 cm3 każda;
Øð pobrane próbki zobojÄ™tniono 2M kwasem octowym do zmiany zabawienia, nastÄ™pnie
dodano 1cm3 stężonego kwasu octowego i 3-4 krople 0,1% roztworu PAN, następnie
miareczkowano kompleksometrycznie przy pomocy 0,1M roztworu EDTA do zmiany
zabarwienia;
Øð do czterech kolb miarowych pobrano po 25 cm3 roztworu wodnego i 10% LIX622;
Øð kolby szczelnie zamkniÄ™to korkiem, nastÄ™pnie prowadzono ich wytrzÄ…sanie w
odpowiednim czasie: 5, 15, 30, 60 i 240 sekund;
Øð po upÅ‚yniÄ™ciu tych czasów caÅ‚ość cieczy zlewano do suchych rozdzielaczy, a po
rozdzieleniu faz przesączano roztwór wodny do erlenmayerek;
Øð otrzymane w ten sposób roztwory miareczkowano kompleksometrycznie analogicznie
jak opisano to w podpunkcie 2;
Øð na podstawie uzyskanych wyników okreÅ›lono czas potrzebny do osiÄ…gniÄ™cia stanu
równowagi .
II. Wyznaczanie izotermy ekstrakcji
Øð W piÄ™ciu kolbach miarowych zmieszano rożne objÄ™toÅ›ci roztworu wodnego i
organicznego w stosunku (o/w: 4:1; 3:1; 2:1; 1:2; 1:4), a następnie prowadzono ich
wytrząsanie w czasie tR, który wyznaczono w pierwszej części ćwiczenia;
Øð po tym czasie analogiczne jak w poprzedniej części dokonano oznaczenia stężenia
jonów miedzi w fazie wodnej.
III. Wpływ stężenia fazy organicznej na stopień ekstrakcji jonów Cu2+
Øð Pobrano dwie próbki po 25 cm3 roztworu wodnego i oraz roztworów LIX 622 o
różnych stężeniach: 20 % i 30 %;
Øð nastÄ™pnie postÄ™powano tak samo jak we wczeÅ›niejszych punktach doÅ›wiadczenia,
czyli rozdzielono fazy oraz oznaczono stężenie jonów miedzi w fazie wodnej.
4. Wyniki
Tabela 1 Kinetyka procesu ekstrakcji  wyniki pomiarów
o/w = 1 tR = 60 s
objętość EDTA VEDTA, cm3 Stężenie Cu2+, g/dm3
czas
Nr
faza faza
wytrzÄ…sania
próbki
miareczkowanie średnia wodna organiczna
t, s
cw co
0 0 28 27,7 27,85 35,37 0
1 5 20,5 19,7 20,1 25,527 9,843
2 15 21,5 21,3 21,4 27,178 8,192
3 30 22,5 22,2 22,35 28,385 6,985
4 60 22,8 23 22,9 29,083 6,287
5 240 22,7 22,8 22,75 28,893 6,477
Tabela 2 objętość EDTA dla izotermy ekstrakcji  wyniki pomiarów
objętość EDTA VEDTA, cm3
Nr próbki Stosunek objętości faz o/w
miareczkowanie średnia
1 6,5 7 6,75
4:1
2 10,1 10 10,05
3:1
3 15,9 15,8 15,85
2:1
4 23,7 24 23,85
1:2
5 25,1 25,3 25,2
1:4
Tabela 3 Izoterma ekstrakcji  wyniki pomiarów
tR = 60 s faza organiczna:10% LIX 622 cw,0 = 35,370 g/dm3
Stosu
Objętość, cm3 stężenie Cu2+, g/dm3
VEDTA,
Nr nek Wsp. Wsp.
cm3 log
Kolba 10% faza faza
pró objęto ekstrakcji podziału log Dc
Roztwór
(średnia o/w
miaro LIX wodna organiczna
bki ści faz E, % Dc
wodny
)
wa 622 cw co
o/w
1 4:1 500 100 25 6,75 8,573 6,699 18,941 0,781 -0,107 0,602
2 3:1 500 75 25 10,05 12,764 7,536 21,305 0,590 -0,229 0,477
3 2:1 500 50 25 15,85 20,130 7,620 21,544 0,379 -0,422 0,301
4 1:2 500 25 50 23,85 30,290 10,161 28,728 0,335 -0,474 -0,301
5 1:4 500 25 100 25,2 32,004 13,464 38,066 0,421 -0,376 -0,602
Tabela 4 Wpływ stężenia fazy organicznej na stopień ekstrakcji jonów Cu2+ - wyniki
pomiarów
tR = 60 s o/w = 1 cw,0 = 35,370 g/dm3
Stężenie objętość EDTA VEDTA, cm3 Stężenie Cu2+, g/dm3
stopień Wsp.
Nr LIX
faza
ekstrakcji podziału log Dc
faza
próbki 622,
miareczkowanie średnia organiczna
E, % Dc
wodna cw
cLIX, %
co
1 10 22,8 23 22,9 29,083 6,287 17,775 0,216 -0,665
2 20 17,7 17,9 17,8 22,606 12,764 36,087 0,565 -0,248
3 30 12 11,6 11,8 14,986 20,384 57,631 1,360 0,134
5. Opracowanie wyników
Przykładowe obliczenia, dla próbki nr 1 z tabeli nr 4
a) stężenie jonów Cu2+ w fazie wodnej
, gdzie:
cEDTA  stężenie roztworu EDTA; 0,1 mol/dm3
vEDTA  objętość roztworu EDTA, zużytego na miareczkowanie; cm3
MCu  masa molowa miedzi; 63,5 g/mol
vp  objętość próbki pobranej do miareczkowania; 5 cm3
b) stężenie jonów Cu2+ w fazie organicznej
, gdzie:
cw, 0  początkowe stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym; g/dm3
cw  stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym; g/dm3
Vw  objętość fazy wodnej; cm3
Vo  objętość fazy organicznej; cm3
c) stopień ekstrakcji
, gdzie:
co  stężenie jonów miedzi w roztworze organicznym; g/dm3
cw, 0  początkowe stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym; g/dm3
d) Współczynnik podziału
, gdzie:
co  stężenie jonów miedzi w roztworze organicznym; g/dm3
cw  stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym; g/dm3
Wykresy
Kinetyka procesu ekstrakcji
Wykres zależności stężenia jonów Cu2+ w fazie organicznej od czasu wytrząsania
Co=f(t)
12
10
8
6
4
2
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
t [s]
Wyznaczenie izotermy ekstrakcji
Wykres zależności równowagowego stężenia jonów Cu2+ w fazie organicznej do fazy
wodnej - izoterma ekstrakcji
co=f(cw)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Stężenie Cu2+ w fazie wodnej [g/dm3]
3
[g/dm ]
2+
Stężenie Cu
w fazie organicznej
3
2+
Stężenie Cu
w fazie organicznej [g/dm ]
Wykres zależności równowagowego stężenia jonów miedzi Cu2+ w fazie organicznej
do stosunku objętości fazy organicznej do wodnej
co=f(o/w)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 1 2 3 4 5
stosuek objętości fazy organicznej do wodnej]
Wykres zależności stopnia ekstrakcji od równowagowego stężenia jonów miedzi Cu2+
w fazie wodnej
E=f(cw)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Stężenie Cu2+ w fazie wodnej [g/dm3]
3
[g/dm ]
2+
Stężenie Cu
w fazie organicznej
stopień ekstrakcji [%]
Wykres zależności stopnia ekstrakcji od stosunku objętości fazy organicznej do wodnej
E=f(o/w)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 1 2 3 4 5
stosuek objętości fazy organicznej do wodnej]
Wykres zależności współczynnika podziału od stosunku objętości fazy organicznej do
wodnej
D=f(o/w)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0 1 2 3 4 5
stosuek objętości fazy organicznej do wodnej]
stopień ekstrakcji [%]
Współczynnik podziału
Wykres zależności dziesiętnego logarytmu z współczynnika podziału od dziesiętnego
logarytmu z stosunku objętości fazy organicznej do wodnej
log D = f(log o/w)
0,00
-0,05
-0,10
-0,15
-0,20
-0,25
-0,30
-0,35
-0,40
-0,45
-0,50
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
log (o/w)
Wpływ stężenia fazy organicznej na stopień ekstrakcji jonów Cu2+
E=f(cLIX)
70
60
50
40
30
20
10
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Stężenie LIX 622 [%]
6. Dyskusja wyników
W pierwszej części doświadczenia zajęto się kinetyką procesu ekstrakcji. Na
podstawie wykresu zależności stężenia jonów Cu2+ w fazie organicznej od czasu wytrząsania
możemy zauważyć, że najpierw następuje gwałtowny wzrost stężenia jonów, a następnie
powoli jego spadek aż do momentu osiągnięcia stanu równowagi. Stan ten został osiągnięty
log (D)
stopień ekstrakcji [%]
po wytrząsaniu próbki przez 60 sekund, zatem w dalszej części prowadzono doświadczenia
dla czasu tR= 60s.
W kolejnym etapie zajęto się wyznaczeniem izotermy ekstrakcji. Wykres zależności
stężenia jonów Cu2+ w fazie organicznej od stężenia jonów Cu2+ w fazie wodnej, czyli
izoterma ekstrakcji pokazuje, że wraz ze wzrostem stężenia jonów Cu²z w fazie wodnej,
wzrasta ich stężenie w fazie organicznej. Jednak wzrost ten jest mały i nie jesteśmy wstanie
wyznaczyć izotermy.
Na wykresie zależności stężenia jonów miedzi Cu2+ w fazie organicznej do stosunku
objętości poszczególnych faz obserwujemy spadek tego stężenia wraz ze wzrostem stosunku
objętości fazy organicznej do fazy wodnej.
Wykres zależności stopnia ekstrakcji od równowagowego stężenia jonów miedzi w
fazie wodnej, pokazuje że wraz ze wzrostem stężenia Cu 2+ w fazie wodnej wzrasta
współczynnik ekstrakcji. Odwrotna sytuacja jest w przypadku gdy mamy zależność stopnia
ekstrakcji od stosunku objętości fazy organicznej do fazy wodnej. Wtedy następuje spadek
stopnia ekstrakcji wraz ze wzrostem stosunku objętości faz.
W przypadku wykresu zależności współczynnika podziału od stosunku objętości
poszczególnych faz na początku obserwujemy spadek współczynnika podziału, a następnie
jego wzrost.
Na samem koniec zajęliśmy się badaniem wpływu stężenia fazy organicznej na
stopień ekstrakcji jonów miedzi. Ostatni wykres doskonale pokazuje nam, że im mamy
większe stężenia fazy organicznej tym osiągniemy większy stopień ekstrakcji.
7. Wnioski
Na podstawie obserwacji, wykonanych obliczeń, sporządzonych wykresów oraz ich
przeanalizowaniu możemy wyciągnąć następujące wnioski:
Øð fazÄ™ wodnÄ… da siÄ™ oddzielić od fazy organicznej przy użyciu rozdzielaczy w dosyć
krótkim czasie;
Øð aby osiÄ…gnąć stan równowagi próbki należy wstrzÄ…sać przez 60 sekund  tR = 60 s;
Øð stężenie jonów Cu2+ w fazie organicznej zależy od stosunku objÄ™toÅ›ci fazy organicznej
do fazy wodnej;
Øð współczynnik ekstrakcji wzrasta wraz ze wzrostem stężenia jonów miedzi fazy wodnej,
natomiast wraz ze wzrostem stosunku objętości fazy organicznej do fazy wodnej stopień
ekstrakcji maleje;
Øð wraz ze wzrostem stężenia fazy organicznej wzrasta stopieÅ„ ekstrakcji jonów Cu2+.