РАЗРАБОТКА СОРБЦИОННО-ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНА КОБАЛЬТА (II) В ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОДАХ АО "АЛМАЛЫКСКИЙ" ГМК

АННОТАЦИЯ

Для обнаружения ионов кобальта в сточных водах и технологических растворах производства меди и цинка АО «Алмалыкский» ГМК в качестве органического аналитического реагента выбран 2-нитрозо-1-нафтол. 2-Нитрозо-1-нафтол иммобилизует органический реагент на различные волокнистые носители, обнаруживает ионы кобальта, кроме того, показан экспресс-метод обнаружения. Разработанный метод использован в химических лабораториях Цинкового завода АО «Алмалыкский ГМК», при определении ионов никеля и кобальта (II) из объектов окружающей среды и отходов. Результаты сорбционно-фотометрического метода определения ионов никеля и кобальта (II) обработаны методами математической статистики. Найдены тимолсульфофталеин как новый сорбционно-фотометрический реагент для определения ионов никеля (II) и 2-нитрозо-1-нафтолорганические реагенты для определения ионов кобальта (II). Изучена структура комплекса, образованного ионным комплексом кобальта (II) со средой pH = 4, в различные временные интервалы, подобраны оптимальные температурные условия, иммобилизован органический реагент 2-нитрозо-1-нафтола, определен механизм иммобилизации реагента к волокну с помощью ИК-спектроскопии, рентгеновской флуоресценции.

ABSTRACT

To detect cobalt ions in wastewater and technological solutions of copper and zinc production, Almalyksky MMC JSC selected 2-nitroso-1-naphthol as an organic analytical reagent. 2-Nitroso-1-naphthol immobilizes the organic reagent on various fibrous carriers, detects cobalt ions, in addition, an express detection method is shown. The developed method was used in the chemical laboratories of the Zinc Plant of Almalyk MMC JSC, in the determination of nickel and cobalt (II) ions from environmental objects and waste. The results of the sorption-photometric method for the determination of nickel and cobalt (II) ions were processed using mathematical statistics. Thymolsulfophthalein has been found as a new sorption photometric reagent for the determination of nickel (II) ions and 2-nitroso-1-naphthol reagents for the determination of cobalt (II) ions. The structure of the complex formed by the cobalt (II) ion complex with a pH = 4 medium was studied at various time intervals, optimal temperature conditions were selected, the organic reagent 2-nitroso-1-naphthol was immobilized, the mechanism of immobilization of the reagent to the fiber was determined using IR spectroscopy, X-ray fluorescence.

Ключевые слова: ион кобальта, 2-Нитрозо-1-нафтол, аналитический реагент, иммобилизация, сорбционно-фотометрическое обнаружение.

Keywords: Cobalt ion, 2-Nitroso-1-naphthol, analytical reagent, immobilization, sorption photometric detection.

I. Введение

Год за годом правительство Узбекистана уделяет внимание увеличению объема производства цветных металлов. Цветная металлургия является локомотивом экономики, а АО «Алмалыкский» ГМК – флагманом цветной металлургии. Основной деятельностью АО «Алмалыкского ГМК» считается добыча и обогащение полиметаллических руд с последующим производством меди, цинка, драгоценных и редких металлов [13; 17; 22; 23].

По объему образования сточных вод и технологических растворов металлургическая отрасль республики значится лидером. В Узбекистане на сегодняшний день проблема очистки сточной воды и технологических растворов крайне актуальна [12]. Эти сточные воды и технологические растворы могут служить дополнительным источником получения ценных цветных металлов на АО «Алмалыкской ГМК» [16].

Химический анализ сточных вод и технологических растворов – важная составляющая природоохранных мероприятий в любом предприятии. Определение содержания металлов дает возможность контролировать безопасности сточных вод и разработки технологии извлечения ценных компонентов [9; 18].

В настоящее время разработано и совершенствовано ряд методов по получению комплексных ионов металлов d-группы при помощи синтетических сорбентов и органических реагентов [14].

При изучении результатов исследований термодинамической кинетики ионов Co (II) в данной статье при повышении степени поглощения на внешней поверхности сорбента при 650⁰C, а также за счет нагрева в течение двух часов степень поглощения металла была увеличена. По результатам исследований достигнуто постоянное поддержание (рН, концентрации раствора, температуры и адсорбционная стабильность) [15].

В работах [1; 6; 10; 11] используются титриметрические, электрометрические, спектрофотометрические, спектрально-флуоресцентные, радиоспектральные, радиоактивационные, масс-спектральные и другие методы, в зависимости от объекта анализа, при которых содержание иона кобальта (II) в природных и промышленных материалах составляет от 10–7 до 10 %.

Цель исследований заключается в разработке технологии переработки техногенной продукции горно-металлургических предприятий, обеспечивающей увеличение производства тяжелых, драгоценных и черных металлов в металлургическом секторе путем разработки методов извлечения ионов никеля и кобальта из промышленных и экологических объектов [2–4; 8].

Исследовано адсорбционное действие иона кобальта (II) с использованием природных адсорбентов. Полученный сорбент был охарактеризован с помощью сканирующего электронного микроскопа. Эксперименты по адсорбции проводились во время контакта, при этом определялись концентрация ионов и параметры рН для оценки кинетического и равновесного состояния путем изменения нескольких условий, таких как металл. Экспериментальные данные показали, что при продолжительности реакции 60 мин, концентрации ионов металлов 50 мг/л и рН среды=6 концентрация иона кобальта (II) составляла 1 мг/л, Sr=0,03-0,05 [5; 7; 19–21].

II. Общая методология работы

2.1. Стандартный раствор аналитических реагентов. Молекулярная масса C₁₀H₇NO₂ 2-нитрозо-1-нафтола (1-нитрозо-2-нафтол):173. Для приготовления рабочего раствора 0,05 % органического раствора 2-нитрозо-1-нафтола 0,05 г органического реагента взвешивали на аналитических весах и помещали в мерную колбу объемом 100 мл, доводили спиртом до метки. Готовый раствор разбавили и применили для дальнейшей работы. На рисунке 1 показана молекулярная структура аналитического реагента C₁₀H₇NO₂.

Рисунок 1. Молекулярная структура аналитического реагента C₁₀H₇NO₂

2.2. Стандартный раствор иона кобальта (II). Для приготовления стандартного раствора иона Со⁺² концентрации 1 мг/мл отбирали 0,1 г соли СоSO₄ и помещали в колбу емкостью 100 мл, добавляли 2 мл серной кислоты и доводили до метки дистиллированной водой. В следующих экспериментах использовали полученный раствор.

Для приготовления стандартного 1 мг/мл раствора иона Сo+2 из соли CoSO4 отобрали 0,1 г и помещали в колбу объёмом 100 мл, затем растворяли в 2 мл 96 %-ной серной кислоте и доводили до отметки дистиллированной водой. Этот раствор был использован в последующих работах. Для экспериментального определения Иона кобальта (II) рентгено-флуоресцентным методом были выполнены результаты анализа, в результате которых для иона кобальта (II) были получены аналитические спектральные линии с длинами волн, показанными на рисунке 2.

Рисунок 2. Рентгено-флуоресцентный спектр стандартного образца ионов кобальта (II)

По результатам рентгено-флуоресцентного спектра иона кобальта (рис. 2), была экспериментально изучена его сранительная максимальная интенсивность.

2.3. Выбор оптимального растворителя для органического реагента. Краткое описание волоконного носителя: анионит, полученный модификацией полиакрилонитрильного (нитронного) волокна, активированного ПАН-ТЕА - гидроксиламином, с полиэтиленполиамином (рис. 2).

В заключение, мы выбрали органический реагент 2-Нитрозо-1-нафтол из-за его высокой способности использоваться в эксперименте в качестве реагента с учетом его аналитических свойств. Комплексообразование иона кобальта (II) с иммобилизованным органическим реагентом происходит в основном за счет-S и-N - гукобальта, в то время как реагент поступает в волокно через –О-СН₃ гукобальта (рис. 3).

Рисунок 3. Молекулярная структура полимерных матриц ПАН-ТЕА

Условия реакции: температура 373К, [ПЭПА]=50 %, время реакции 3 часа, модуль ванны 1: 40. СОЕ=5,3 мг-экв/г, синтезирован ионообменный сорбент и изучена ИК-спектроскопическая структура оптимального носителя.

Рисунок 4. ИК-спектр полимерной матрицы ПАН-ТЕА

Для приготовления PAH-TEA, ППМ-1, ПАН ГМДА волокна взвешивали по 0,2000 г, отмеренные волокна помещали в отдельные стаканы по 100,0 мл в раствор 0,1 м соляной кислоты и в течение 6–8 минут были переведены в хлорную форму. Полученный раствор промыли дистиллированной водой до нейтрального состояния и путём титрования 0,1 м стандартным раствором гидроксида натрия определили САС.

Рисунок 5.  ИК-спектр полимерной матрицы PAH-TEA

Из рисунке 5 видно, что комплексообразование иона кобальта (II) с иммобилизованным органическим реагентом происходит в основном за счет -S -N- гукобальта, в то время как реагент поступает в волокно через –О-СН₃ гукобальта.

2.4. Буферный раствор. Для универсального буферного раствора с различной рН (1-12) буферных растворов его готовят добавлением 0,04М (Н₃ВО₃, Н₃РО₄, CH₃COOH) 0,2 Н раствора NaOH.

Таблица 1.

3. Результаты исследований.

3.1. Приготовление растворов. Раствор иона кобальта концентрации 1 мг/мл был приготовлен растворением в чистой специально разбавленной (1:1) соляной кислоте определенного количества металла (химически чистого). Затем взвесили кек кобальта 1 мг/мл и растворили в HCl и H₂SO₄ стандартной концентрации. Из результатов анализа, проведенного с помощью спектрофотометра УФ (UV-1800, SHIMADZU) были обнаружены ионы Co²⁺.

3.2. Зависимость времени иммобилизации органического реагента 2-нитрозо-1-нафтола на волокнистом сорбенте

Был проведен анализ окружающей среды при оптимальном значении рН (рН=4) в различные промежутки времени и температуре 25±5 ⁰C. Оптическую плотность изучали через различные промежутки времени, используя волокно PAH-TEA, выбранное для использования с органическим реагентом 2-нитрозо-1-нафтолом, с добавлением 5 мл 0,05 % универсального буферного (рН=4) раствора реагента в чашки объемом 50 мл. Результаты представлены в таблице 2, рисунок 6.

Таблица 2.

Иммобилланишнинг вақтга боғлиқлиги.
(l=1, PAH-TEA, 25±5⁰C, λ_R=460_нм)

Рисунок 6.  График зависимости оптической плотности от времени

Таким образом, требуется 15 минут, чтобы органический реагент 2-нитрозо-1-нафтол PAH-TEA полностью закрепился в волокне. Для изучения влияния времени на комплексообразование было приготовлено несколько растворов. Известно, что каждый из этих растворов содержит 0,5 г иона Co²⁺, и когда раствор иона Co²⁺ наносили на иммобилизованный реагент, сразу наблюдалось образование комплекса. Это означает, что реагент чувствителен к иону Co²⁺ при ∆λ=460 нм.

3.3 Влияние окружающей среды на сорбцию иона кобальта (II) 

Одним из основных свойств концентрации ионов водорода является влияние на комплексообразование, и влияющих аспектов на направление равновесной реакции. Синтезированный и иммобилизированный органический реагент на кафедре обладает слабыми  кислотными свойствами и используется для определения концентрации ионов Co²⁺ и их извлечения.

При определении оптимального рН экспериментально находили уровни сорбции от 1,00 до 12,00 через график зависимости концентрации ионов водорода. Для этого в 12 бюксов (объем 35 мл) наливают 5,00 г сорбента, добавляют 10 мл раствора иона кобальта (II) (концентрация 10 мкг/мл), 2-6 мл растворов NaOH, HCl, HNO₃, доводят общий объем до 10 мл дистиллированной водой, закрывают крышкой и перемешивают, при комнатной температуре (20±50С). Фильтруя сорбент через фильтр ”синяя лента", определяли содержание элемента в фильтрате с помощью органического реагента 2-нитрозо-1-нафтола на приборе Specord 50.

Рисунок 7. График зависимости ионного комплекса кобальта (II) от 2-нитрозо-1-нафтольного органического реагента от среды

Из приведенных на рисунке данных видно, что максимальный аналитический сигнал и скорость сорбции были самыми высокими в диапазоне рН=4, и эта  среда была использована в последующей работе.

Заключение

Таким образом, сорбционно-фотометрическй метод позволяет определить ионы кобальта (II) в сточных водах и технологических растворах производства меди и цинка АО «Алмалыкский» ГМК.

Список литературы:

1. Алиева Г.К., Кадирова Ш.А., Гапурова Л.Н., Рахмонова Д.С., Садуллаева Г.Б. Синтез и изучение комплексных соединений d-металлов 1-ацетил-1,2,3-бензтриазолом // Universum: химия и биология. – 2020. – №3-2 (69).
2. Бабожонова Г.К., Инханова А., Зокиров С., Бекчанов Д.Ж., Мухамедиев М.Г. Кинетика сорбции ионов Cо (II) из растворов на анионообменника // Universum: химия и биология. – 2021. – №10-1 (88).
3. Беспамятнов Г.П., Коротков Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. – Л. Химия, 1985. –528 с.
4. Золотов Ю.А., Кузьмин Н.М., Нейман Е.Я., Попов А.А., Ревальский И.А. Концепция химико-аналитического контроля объектов окружающей среды // Российский химический журнал. – 1993. – Т. 77. – №64. С.12–16.
5. Имомназарова К.А. Сорбционно-фотометрическое определение иона цинка из состава промышленных кеков предприятий цветной металлургии // Scholar's Digest- Journal of Multidisciplinary Studies. – 2023. – № 4. – C. 40–44.
6. Мирзанова З.А. Технология переработки техногенных отходов содержащие цветные металлы // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2021. – № 6(87). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11950. (дата обращения: 06.12.2024).
7. Мирзахмедов Р.M., Мадусманова Н.К., Мирусманoва Ф.B. Иммобилланган янги 2,4,6-три (2-пиридил)-s-триазин ҳосилалари билан темир (III) ионини аниқлашнинг сорбцион-спектроскопик усулларини ишлаб чиқиш // Innovative, educational, natural and social sciences. – 2022. – № 6 (23). – C. 753–761.
8. Нуралиева Г.А., Пиримова М.А.и Исследование смешанно лигандных соединений с d-металлами ацетамида и тиосемикарбазида // Universum: химия и биология. 2020. №2 (68).
9. Рузиматов М.А., Махмудов Ш.Ф. Улучшение экологии и охраны окружающей среды (на примере Республики Узбекистан) // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2021. – № 5(86). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11702. (дата обращения: 06.12.2024).
10. Саидахмедов А.А., Норова Д.Ш. Разработка технологии извлечения меди из твердых медьсодержащих отходов АО «Навоиазот» // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2022. – № 11(104). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14629. (дата обращения: 06.12.2024).
11. Тыжигирова В.В. Т 93 Химия d-элементов и их соединений: учебное пособие. ФГБОУ ВО ИГМУ Минздрава России, кафедра фармацевтической и токсикологической химии. – Иркутск : ИГМУ, 2019. – 64 с.
12. Указ Президента Республики Узбекистан от 21 апреля 2017 г., № УП-5024 «О совершенствовании системы государственного управления в сфере экологии и охраны окружающей среды» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lex.uz/docs/3174496 (дата обращения: 06.12.2024).
13. Урунова Х.Ш. Оптимизация технологии очистки промышленных сточных вод Узбекистана // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2022. – № 6(99). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13965. (дата обращения: 05.12.2024).
14. Хакимов К.Ж. Техногенные отходы – перспективное сырье для металлургии Узбекистана в оценка отвальных хвостов фильтрации медно-молибденовых руд // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. –2020. – № 12(81). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11107. (дата обращения: 06.12.2024).
15. Холикулов Д.Б., Арипов А.Р., Худжакулов Н.Б., Буронов А.Б., Азимова А.Б. Извлечение металлов озоном из отстойных растворов металлургического производства. В Международной конференции «Комплексное инновационное развитие Зарафшанского региона: достижения, проблемы и перспективы» – Навои, 2019. – Узб. – С. 65–68.
16. Холикулов Д.Б., Нормуротов Р.И. Исследования по очистке сточных вод медного и цинкового производства озоном // Горный вестник Узбекистана. – 2020. – №. 1. – С. 80.
17. Холикулов Д.Б., Нормуротов Р.И., Болтаев О.Н. Новый подход к решению проблемы очистки сточных вод медного производства // Горный вестник Узбекистана. – 2019. – №. 3. – С. 78.
18. Kholikulov D.B. et al. Extraction of metals by using ozone from residue solutions of metallurgical production // International conference on «Integrated innovative development of Zarafshan region: achievements, challenges and prospects» – Navoi, Uzb. – 2019. – С. 65–68.
19. Mirzakhmedov R.M., Makhmudova G.U., Madusmanova N.K. Rhenium Ionnini SorbtsionSpectroscopic Creation of Detection Technology // Eurasian Research Bulletin. – 2023. – № 2. – C. 296–299.
20. Mirzakhmedov R.M., Makhmudova G.U., Madusmanova N.K. Sorbtsion-photometric determination of rhenium metal in zr and pb cake // Innovative, educational, natural and social sciences. Oriental Renaissance. – 2022. – № 4, C. 663–669.
21. Smanova Z.A., Nosirov N.I., Mirzaxmedov R.M., Mustafaev B.N. Sorbtion-Photometric Determination of rhenium ion using Immobilized Organic Reagent // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2020. – № 1. – C. 668–672.
22. Yarashova V. Металлургия – костяк экономики // Народное слово. – 24 декабрь. – 2021. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  https://xs.uz/ru/post/metallurgiya– kostyak– ekonomiki. (дата обращения: 07.12.2024).
23. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.uzembassy.org.tr/news/4068]. (дата обращения: 07.12.2024).