Способ получения нитрата церия (iv) электрохимическим окислением нитрата церия (iii)

Способ получения нитрата церия (iv) электрохимическим окислением нитрата церия (iii)

Реферат

Изобретение относится к электрохимическим способам получения нитрата церия(IV) из нитрата церия(III) и может быть использовано для разделения редкоземельных элементов и получения реагента для окисления органических веществ.

Известен способ получения четырехвалентного церия электрохимическим окислением нитрата церия(III) в азотнокислом растворе. Электроокисление проводили в проточном мембранном электролизере фильтр-пресного типа, с анионообменной мембранной МА-41. В качестве анода использовали платиновую пластину, в качестве катода - титановую пластину [Седнева Т.А., Тихомирова И.А. Окисление церия в мембранном электролизере. - Апатиты. 2002. - 11 с. - Деп. в ВИНИТИ 12.08.2002, № 1475-В2002]. Оптимальная плотность тока для окисления церия(III) с концентрацией металла порядка 63 г/л в электролите без перемешивания лежит в интервале 5,0-7,5 А/дм² при интегральном выходе по току 58,7-31,4% соответственно.

Недостатками данного способа являются достаточно низкий интегральный выход по току, а также использование в качестве анода дорогостоящей платиновой пластины, поскольку в процессе электролиза наблюдается ее медленное растворение [Чемоданов А.Н., Колотыркин Я.М., Дембровский М.А. Исследование процесса растворения платины в кислых электролитах при различных поляризациях с применением радиохимического метода. - М.: Электрохимия, 1970. - Т.6. - Вып. 4. - С. 460-467].

Ближайшим аналогом является способ получения нитрата церия(IV) электрохимическим окислением нитрата церия(III) [Поздеев С.С., Кондратьева Е.С., Губин А.Ф. Электрохимическое получение ионов церия(IV) для применения в процессе очистки сточных вод от органических примесей// Гальванотехника и обработка поверхности, 2014. - Т. 22. - № 4. - С. 37-39]. Согласно этому процессу в качестве анода используют ниобий, покрытый тонким слоем платины (платинированный ниобиевый анод), помещенный в анодную камеру двухкамерного электролизера с анионообменной мембраной МА-41 ИЛ. При этом начальный состав электролита в катодной камере электролизера - раствор азотной кислоты с концентрацией 10 г/л. Начальный состав электролита в анодной камере - раствор нитрата церия(III) с концентрацией металла 115 г/л, содержащий 10 г/л свободной азотной кислоты.

Недостатком данного способа является то, что в процессе электролиза повышается концентрация свободной азотной кислоты в анолите за счет переноса ионов нитрата из католита через анионообменную мембрану. При интегральном выходе по току около 70-75% целевой анодной реакции образование нитрата церия(IV), накопление свободной азотной кислоты в анолите достигает значения 30 г/л. Такое увеличение концентрации снижает устойчивость платинового покрытия [Аноды. Платинированный ниобий [Электронный ресурс] // Metakem. Preclous Metals + Electrochemisrty.URL: http://www.metakem.de/ru/produkte/anoden/platiniertes-niob.html (дата обращения 20.04.2015)].

Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении возможности проведения длительного электролиза за счет сохранения постоянства концентрации азотной кислоты в анодной камере и в обеспечении стабильной работы платинированного анода.

Этот технический результат достигается за счет проведения процесса получения нитрата церия(IV) электрохимическим окислением нитрата церия(III) в трехкамерном электролизере с двумя катодными и одним анодным пространством, при плотности тока 1 - 3 А/дм² на аноде из платинированного ниобия.

Две катодные камеры отделены от анодной камеры ионообменными мембранами, одна катионообменной (МК-40Л), а вторая анионообменной (МА-41ИЛ). Применение двух катодных камер с разными мембранами позволяет, с одной стороны, поддерживать концентрацию свободной азотной кислоты в анолите в пределах 8-12 г/л, а с другой, обеспечивает образование нитрата церия(IV).

Во избежание роста напряжения на электролизере и предотвращения увеличения расхода электроэнергии на процесс получения нитрата церия(IV) периодически контролируют концентрацию свободной азотной кислоты в катодной камере с анионообменной мембраной и, при необходимости, корректируют католит добавлением азотной кислоты, поддерживая ее в пределах 8-12 г/л.

Изобретение иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

Эксперименты по электрохимическому окислению ионов церия(III) проводили в двухкамерном электролизере мембранного типа при анодной плотности тока 2 А/дм². В качестве анода использовали платинированный ниобий, в качестве катода - листовой титан марки ВТ1-0, для разделения катодного и анодного пространств используют анионообменную мембрану марки МА-41ИЛ. Площади электродов и мембраны были одинаковы и составляли 0,225 дм². Растворы анолита (азотнокислый церий на фоне азотной кислоты) и католита (азотная кислота) циркулировали в камерах электролизера со скоростью 13,8 л/час. Объемы растворов были одинаковы и составляли 0,2 литра. Начальная концентрация азотной кислоты в анолите и католите составляла 10 г/л, концентрация церия(III) - 115 г/л.

Концентрацию церия определяли титрованием раствором соли Мора в присутствии индикатора - наполовину окисленного дифениламин- 4-сульфокислоты натриевая соль (ДАС). Концентрацию азотной кислоты определяли кислотно-основным титрованием по методике, описанной в литературе [Пискарева С.К., Барашков К.М., Ольшанова К.М. Аналитическая химия. - М.: Высшая школа, 1994. − 384 с.].

Для количественной оценки протекания процесса использовали величины выхода по току (ВТ) и степень окисления (α, %).

Величину выхода по току рассчитывали по формуле:

ВТ=Qтеор/ Qпракт∙100, %,

где Qпракт - количество электричества, затраченное на окисление, А·ч;

Qтеор - теоретическое количество электричества, необходимое на окисление, рассчитанное по закону Фарадея, А·ч.

Qтеор= С(Ce⁴⁺)·V/q,

где С(Ce⁴⁺) - текущая концентрация ионов Ce⁴⁺ в растворе, г/л;

V - объем обрабатываемого раствора, л;

q - электрохимический эквивалент, который равен в данном случае 5,224 г·экв/(А·ч).

Qпракт=I·t,

где I - сила тока между электродами, А;

t - время электролиза, ч.

Величину степени окисления вещества рассчитывали по формуле:

α= С(Ce⁴⁺)/ С(Ce исх) 100, %,

где С(Ce исх) - общая концентрация церия в обрабатываемом растворе, г/л.

Через заданные промежутки времени (1, 2, 3, 5 и 10 часов после начала электролиза) из анодной камеры были отобраны пробы для определения концентрации церия(IV) с целью расчета степени окисления и выхода по току (таблица 1), а также для определения концентрации свободной азотной кислоты (таблица 2).

Из представленных данных видно, что в ходе электролиза происходит увеличение концентрации кислоты, к концу электролиза остаточное содержание свободной азотной кислоты в анолите составляло 30 г/л, что ухудшает условия эксплуатации платинового покрытия.

Пример 2.

Эксперименты по электрохимическому окислению ионов церия(III) проводили в трехкамерном электролизере мембранного типа с одной катионообменной (МК-40Л) и одной анионообменной (МА-41ИЛ) мембранами при анодной плотности тока 2 А/дм². В качестве анода использовали платинированный ниобий с поверхностью 0,225 дм² и двумя титановыми катодами марки ВТ1-0 с поверхностью по 0,225 дм² каждый. Растворы анолита (азотнокислый церий на фоне азотной кислоты) и католитов (азотная кислота) циркулировали в камерах электролизера со скоростью 13,8 л/час. В анодную камеру помещали 0,2 литра раствора с начальной концентрацией церия(III) 115 г/л, содержащего 10 г/л свободной азотной кислоты. В каждую из катодных камер помещали раствор азотной кислоты с концентрацией 10 г/л.

Через заданные промежутки времени (1, 2, 3, 5 и 10 часов после начала электролиза) из анодной камеры были отобраны пробы для определения концентрации церия(IV) с целью расчета степени окисления и выхода по току (таблица 1), а также для определения концентрации свободной азотной кислоты (таблица 2).

Сравнительные результаты известного и предлагаемого способа представлены в таблице 2. Видно, что при использовании трехкамерного электролизера концентрация кислоты в анолите поддерживается постоянной.

Способ получения нитрата церия(IV) электрохимическим окислением нитрата церия (III)

Таблица 1

Изменение значений выхода по току и степени окисления церия(III) в прототипе и предлагаемом способе

Время электролиза, час	Известный способ	Предлагаемый способ
α, %	ВТ, %	α, %	ВТ, %
1	11,9	89,8	11,6	90,5
2	23,8	88,4	24,2	89,5
3	36,1	88,0	36,8	88,8
5	56,3	87,4	57,4	89,4
10	88,4	78,4	88,3	79,9

Способ получения нитрата церия(IV) электрохимическим окислением нитрата церия(III)

Таблица 2

Сравнение характеристик используемого способа и прототипа

Время электролиза, час	Концентрация свободной азотной кислоты, г/л
Известный способ	Предлагаемый способ
1	11,2	10,1
2	13,1	10,2
3	14,6	10,0
5	17,5	10,5
10	25,2	10,3

Способ получения нитрата церия(IV) электрохимическим окислением нитрата церия(III) в анодной камере электролизера, содержащей раствор с начальной концентрацией нитрата церия(III) 100-130 г/л и начальной концентрацией свободной азотной кислоты в анолите и в католите 8-12 г/л, при плотности тока на платинированном ниобиевом аноде 1-3 А/дм², отличающийся тем, что с целью повышения устойчивости платинового покрытия процесс электролиза проводят в анодной камере трехкамерного электролизера, отделенной от двух катодных камер анионообменной и катионообменной мембранами, за счет которых в анодной камере поддерживается постоянная концентрация свободной азотной кислоты 8-12 г/л.