Jednoczesna i selektywna separacja jonów Cu(II) i Cr(VI) z roztworów metodą ultrafiltracji wspomaganej działaniem polielektrolitu

Zaproponowano równoczesną i selektywną separację jonów Cu(II) i Cr(VI) z roztworów bijonowych w oparciu o ultrafiltrację wspomaganą polielektrolitem. Badania prowadzono na modelowych roztworach zawierających: 0,9 mmol Cu(II)/l i 0,1 mmol Cr(VI)/l; 0,5 mmol Cu(II)/l i 0,5 mmol Cr(VI)/l oraz 0,1 mmol Cu(II)/l i 0,9 mmol Cr(VI)/l. Ultrafiltrację wspomagano polietylenoiminą (PEI), rozpuszczalnym w wodzie polimerem, zawierającym zdolne do wiązania jonów metali grupy aminowe. Polimer dozowano w ilościach zapewniających stosunek stężeń molowych PEI:suma metali równy 0,5:1; 1:1, 5:1 i 10:1. Tak przygotowane roztwory poddawano ultrafiltracji, korygując przed procesem pH w zakresie wartości 2; 4; 6; 8 i 10. Określono wpływ parametrów procesu (udział metali w mieszaninie bijonowej, pH, stosunek stężeń polimer:metale) na współczynniki retencji metali i na współczynnik selektywności. W celu weryfikacji zależności pomiędzy wielkościami wyznaczono współczynniki korelacji rang Spearmana, stwierdzając (przy poziomie istotności p = 0,05) istotne korelacje pomiędzy składem mieszaniny bijonowej i współczynnikami retencji chromu (w zakresie pH = 6 ÷ 10) oraz miedzi (w zakresie pH = 8 ÷ 10). Wysokie wartości współczynnika korelacji wskazywały również na zależność pomiędzy pH i współczynnikiem retencji miedzi. Potwierdzono możliwość równoczesnej separacji Cu(II) i Cr(VI) z zastosowaniem dostatecznej dawki polietylenoiminy (stosunek stężeń PEI:metale 5:1) oraz pH w zakresie 4 ÷ 8 (retencja metali > 90%). Selektywna separacja Cu(II) i Cr(VI) najefektywniej zachodziła w roztworach o równomolowym udziale obu metali, przy mniejszym niż równomolowy (względem sumy metali) udziale PEI oraz wysokim pH (pH = 10).

The paper proposes the polymer enhanced ultrafiltration for simultaneous and selective separation of Cu(II) and Cr(VI) ions from solutions. The experiments were carried out on model solutions of contrasting molar concentrations of both metals: solution I Cu(II) 0.9 mmol/l, Cr(VI) 0.1 mmol/l; solution II Cu(II) 0.5 mmol/l, Cr(VI) 0.5 mmol/l; solution III Cu(II) 0.1 mmol/l, Cr(VI) 0.9 mmol/l. Polyethyleneimine (PEI), a water soluble polymer containing amine groups which cause it to exhibit complexing and weak anion exchange properties, was the binding agent used. It was proportioned following the molar concentration ratios of PEI:metals of 0.5:1, 1:1, 5:1 and 10:1. The pH of each of the solutions thus prepared was adjusted over a range of 2, 4, 6, 8 and 10, which was followed by ultrafiltration. The feed and permeate samples were assayed for copper and chromium concentrations which enabled to determine the retention coefficients of both metals (RCu and RCr) and selectivity coefficient ?Cr/Cu. Moreover, a permeate flux was determined, finding the volume of permeate obtained from unit of membrane area per unit time. It has been found that the retention coefficient of copper reached its lowest value at pH = 2, which is connected to the protonation of polymer amine groups, and was significantly increasing with increasing pH, reaching its maximum value at pH > 7 in the solutions of low polymer concentration, and at pH ? 4 in the solutions with fivefold and tenfold PEI excess against the total content of metals. The maximum value of Cr(VI) retention coefficient was observed at pH = 4 ÷ 8 (notably in the solutions of equimolar or predominant concentration of the metal) and exhibited a decreasing trend at both lower and higher pH. The selectivity coefficient ranged within 0.05 ÷ 94.2. The highest ?Cr/Cu values, for the assumed PEI:metals concentration ratios, were observed for the solutions of equimolar concentration of Cu(II) and Cr(VI), at pH = 10. In order to verify the dependences between obtained values, the Spearman's rank correlation coefficient was used. Significant correlations between the composition of the bi-ionic mixture (expressed as a molar fraction of copper XCu) and the retention coefficient of the metals (chromium in the solutions of pH = 6 ÷ 10 and copper in the solutions of pH = 8 ÷ 10) were found at the assumed significance level of p = 0.05. The results also confirmed a correlation between pH and copper retention coefficient, perceived particularly well in the solutions with equimolar and predominant copper concentration in the bi-ionic mixture and in the solutions of lower polymer concentration. Polyethyleneimine enhanced ultrafiltration proved to be an effective technique for both simultaneous and selective separation of Cu(II) and Cr(VI) ions from solutions. The first goal can be achieved provided a sufficient PEI concentration (concentration ratio PEI:metals of 5:1) and pH of 4 ÷ 8 (RCu and RCr > 0.9) are ensured. The most effective selective separation of Cu(II) and Cr(VI) takes place from solutions of equimolar concentration of both metals at a lower than equimolar (against the total of metals) concentration of PEI and high pH (pH = 10).