CC BY
25
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.017 УДК 628.3:669.018.674
ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЖЕЛЕЗА НА ОСАЖДЕНИЕ ЦИНКА ИЗ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ
А. Н. Щербакова1, Т. К. Иванова2 3, И. П. Кременецкая2
1Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, Апатиты, Россия
2Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
3Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
Аннотация
Представлены результаты экспериментального и термодинамического моделирования взаимодействия оксида магния с сульфатными растворами цинка, в том числе в присутствии железа и алюминия. Показано, что в зависимости от условий цинк осаждается в виде оксида, карбоната, гидроксида, основной соли. Железо и алюминий оказывают существенное влияние на характер осаждения цинка. Ключевые слова:
раздельное осаждение, цинк, железо, алюминий, Гайский ГОК.
INFLUENCE OF ALUMINUM AND IRON ON ZINC DEPOSITION FROM HIGHLY CONCENTRATED SOLUTIONS
A. N. Shcherbakova1, T. K. Ivanova2,3, I. P. Kremenetskaya2
1Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Apatity, Russia
2Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC "Kola Science Centre RAS", Apatity, Russia
3Laboratory of Nature-Inspired Technologies and Environmental Safety of the Arctic, Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
The paper presents the results of experimental and thermodynamic modeling of the interaction of magnesium oxide with zinc sulfate solutions, including in the presence of iron and aluminum. It has been shown that depending on the conditions, zinc is deposited as an oxide, carbonate, hydroxide, and basic salt. Iron and aluminum have a significant influence on the deposition of zinc. Keywords:
separate deposition, zinc, iron, aluminum, Gaisky GOK.
Цинк занимает третье место вслед за алюминием и медью по объему использования в мире среди цветных металлов. Используется цинк прежде всего как средство защиты от коррозии. Около пятидесяти процентов всего добытого в мире цинка идет на оцинкование металлических изделий и производство оцинкованной стали. Кроме того, важнейшим функциональным материалом, который применяется во многих областях техники, является оксид цинка. Будучи оптически прозрачным широкозонным полупроводником, оксид цинка используется для производства компонентов полупроводниковых приборов, датчиков, УФ-фильтров, солнечных батарей и т. д. [1].
Традиционным сырьем для получения цинка являются полиметаллические руды. При этом значительное количество его соединений сосредоточено в высококонцентрированных техногенных растворах, которые в настоящее время все чаще относят к гидрометаллургическому сырью. Например, при разработке медно-колчедановых месторождений в результате сброса сточных вод в отработанные карьеры образуются техногенные озера, в которых происходит накопление металлов как в водах, так и в донных отложениях. Сточные и промывные воды, как правило, содержат в своем составе ионы тяжелых металлов — железо, хром, свинец, медь, цинк, никель, кадмий и др. По качественным и количественным характеристикам техногенные воды горных предприятий цветной металлургии могут быть эффективным источником металлов [2].
В настоящее время одним из самых распространённых методов обработки загрязненных вод является известкование, которое позволяет выделить основную массу тяжелых и цветных металлов в виде гидроксидов и основных солей без их разделения. Осадки после известкования не
используются и поступают в хвостохранилища. В связи с этим возникает проблема селективного извлечения металлов из загрязненных водных объектов с возможностью их дальнейшего использования. Известен способ раздельного осаждения металлов с использованием кальцинированной соды. Однако большой расход дорогого реагента приводит к необходимости искать, подбирать и разрабатывать более дешёвые аналоги. Ранее установлено, что термоактивированные серпентиновые минералы обладают способностью осаждать металлы из высококонцентрированных растворов [3, 4]. Термосерпентин, благодаря наличию активного оксида магния в своем составе, обладает кислотонейтрализующей способностью. В рамках проводимого исследования изучена химия процесса осаждения металлов, в первую очередь цинка, алюминия и железа, с использованием оксида магния в качестве реагента-осадителя.
Объекты и методы исследования
В настоящей работе изучен процесс осаждения металлов на примере модельного раствора подотвальных вод Гайского ГОКа, характеризующихся высокой минерализацией. Содержание в растворе цинка составило величину порядка 0,4 г/л, алюминия 2,0 г/л и железа 2,5 г/л. Изучены системы следующего состава: ZnSO4 — MgO — H2O, ZnSO4 — Fe2(SO4)3 — MgO - H2O, ZnSO4 — Ah(SO4)3 — MgO — H2O. В качестве реагента-осадителя использовали оксид магния.
Эксперименты выполнены в реакционных сосудах из инертного материала (полипропилена). Навеску оксида магния помещали в раствор объемом 500 мл. Полученную суспензию периодически перемешивали. Отбор проб осуществляли через 24 ч и 30 сут взаимодействия. При отборе проб каждый раз контролировали рН суспензии. Аликвоту (1 мл) брали из надосадочной части предварительно отстоянного раствора. Остаточное содержание катионов металлов в растворе определяли на масс-спектрометре с индукционно-связанной плазмой ELAN-9000 DRC-е (Perkin Elmer, США).
Термодинамическое моделирование осаждения цинка из сульфатного раствора проводилось с помощью пакета программ HCh [5]. В качестве индивидуальных цинксодержащих фаз при расчетах учтены цинкозит ZnSO4, цинкит ZnO, смитсонит ZnCO3, гидроксид цинка Zn(OH)2.
Результаты и обсуждение
На первом этапе исследования получены данные, описывающие взаимодействие раствора сульфата цинка с компонентом магнезиально-силикатного реагента — оксидом магния. На рис. 1 представлены зависимости концентрации цинка в растворе от рН при различной продолжительности взаимодействия. В системе ZnSO4 — MgO — H2O через одни сутки взаимодействия в интервале значений рН от 6 до 7 наблюдается снижение концентрации цинка в растворе примерно с 350 до 150 мг/л, дальнейшее увеличение рН не приводит к уменьшению содержания этого компонента (рис. 1). Через 30 сут взаимодействия остаточное содержание цинка в растворе составляет от 0,5 до 3 мг/л. Сравнение результатов экспериментального и термодинамического моделирования показало, что через сутки взаимодействия в системе осаждается фаза, близкая к оксиду цинка. Через 30 сут осадок состоит из смеси ZnO, ZnCO3 и Zn(OH)2.
■*— 1 — 2 -3
ж 4
о 5
Рис. 1. Зависимости концентрации цинка в растворе от рН, построенные по результатам термодинамического моделирования (осажденные фазы 2п0 (1), 2пС03 (2), 2п(0Н)2 (3)) и по экспериментальным данным при продолжительности взаимодействия 24 ч (4) и 30 сут (5)
ммоль/л
Наличие в исходном растворе макроколичеств железа и алюминия может оказать существенное влияние на осаждение цинка в результате образования сорбционно-активных осадков на основе данных компонентов. Коагулянты на основе сульфатов железа и алюминия широко применяются для выведения примесей различной природы из растворов. На рис. 2 представлены экспериментальные данные по осаждению цинка (II) для систем ZnSO4 — MgO — H2O, ZnSO4 — Fe2(SO4)з — MgO -H2O, ZnSO4 — Ah(SO4)з — MgO — H2O.
а б
Рис. 2. Зависимость концентрации цинка в растворе от рН осаждения при продолжительности взаимодействия 24 ч (а) и 30 сут (б)
Необходимость нейтрализации сильнокислого смешанного раствора сульфатов цинка и железа приводит к расширению диапазона рН реагирующей системы по сравнению с раствором, в котором присутствует только сульфат цинка. При сопоставимых рН концентрации цинка в двойной системе существенно ниже, что свидетельствует о протекании процессов соосаждения цинка и железа. Следует отметить также тот факт, что форма и положение экспериментальной зависимости, полученной для двойной железоцинковой системы, претерпевает незначительные изменения в течение тридцати суток; можно лишь отметить, что минимальная остаточная концентрация снизилась с 1,0 до 0,2 мг/л. В то же время для моноцинковой системы через 30 сут «старения» наблюдается как увеличение рН, так и снижение концентрации цинка, причем при большом расходе реагента — на один-два порядка.
Влияние алюминия на процесс осаждения цинка является еще более выраженным по сравнению с воздействием железа (рис. 2). В отличие от системы с железом, для которой наблюдается полная нейтрализация раствора в течение суток, в системе с алюминием значение рН в тех же условиях не поднялось выше пяти. Данная особенность может быть обусловлена медленным гидролизом алюминия. Согласно результатам термодинамического моделирования, в указанных условиях индивидуальные фазы цинка не образуются. Таким образом, можно сделать вывод, что в двойных алюминий-цинковых системах наблюдается либо процесс сорбции, поскольку при высоких значениях pH коллоидные частицы гидроокиси алюминия имеют отрицательный заряд, либо формирование новых фаз, например смешанных основных сульфатов цинка и алюминия. Последнее предположение подтверждено данными рентренофазового анализа осадка, полученного после 30 сут взаимодействия при максимальном расходе оксида магния. В осадке наряду с небольшим содержанием брусита обнаружена плохо раскристаллизованная фаза, которую можно отнести к цинковудвардиту Zn1_xAlx(OH)2[SO4]x/2«H2O. В течение 30 сут происходит полная нейтрализация исходного смешанного раствора и постепенное снижение концентрации цинка во всем диапазоне рН.
Заключение
Методами экспериментального и термодинамического моделирования изучен процесс осаждения цинка из сульфатных растворов, содержащих железо и алюминий, с применением оксида магния. Концентрации компонентов в исходных растворах соответствуют содержанию их в подотвальных водах Гайского ГОКа. Установлено, что присутствие железа (III) в системе благоприятно сказывается на осаждении цинка, остаточная концентрация ионов Zn2+ составила 0,2 мг/л. В системе ZnSO4 — Ah(SO4)3 — MgO — H2O сульфат алюминия выступает в качестве коагулянта, наблюдается эффект соосаждения металлов.
Благодарности
Авторы выражают признательность сотрудникам аналитической лаборатории А. А. Широкой и А. И. Новикову.
Литература
1. Угай Я. А. Введение в химию полупроводников. М.: Высшая школа, 1975. 302 с.
2. Шадрунова И. В., Орехова Н. Н. Извлечение цветных металлов из гидроминеральных ресурсов: теория и практика. М., 2009. 215 с.
3. Кременецкая И. П., Корытная О. П., Васильева Т. Н. Реагент для иммобилизации тяжелых металлов из серпентинсодержащих вскрышных пород // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008. № 4. С. 33-40.
4. Кременецкая И. П., Иванова Т. К. Извлечение тяжелых металлов из высококонцентрированных растворов термоактивированным серпентином // Новейшие достижения в области инновационного развития в химической промышленности и производстве строительных материалов. Мн.: БГТУ, 2015.С. 14-17.
5. Шваров Ю. В. // Геохимия. 2008. № 8. С. 898-903.
Сведения об авторах Щербакова Алена Николаевна
студентка, Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, г. Апатиты, Россия Иванова Татьяна Константиновна
инженер, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты; младший научный сотрудник, Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, tk.ivanova@ksc.ru Кременецкая Ирина Петровна
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, i.kremenetskaia@ksc.ru
Shcherbakova Alena Nikolaevna
Student, Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Apatity, Russia Ivanova Tatiana Konstantinovna
Engineer, Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity; Junior Researcher, Laboratory of Nature-Inspired Technologies and Environmental Safety of the Arctic of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, tk.ivanova@ksc.ru Kremenetskaya Irina Petrovna
PhD (Engineering), Senior Researcher, Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, i.kremenetskaia@ksc.ru
РСН: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.018 УДК 546.26
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛИЗОВАННОГО ОКСИДА ГРАФЕНА Ю. В. Иони, С. П. Губин
Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Москва, Россия Аннотация
Исследование посвящено возможности модификации поверхности оксида графена органическими функциональными группами и/или наночастицами металлов. Наличие множества кислородсодержащих групп позволяет успешно проводить реакции метилирования поверхности, а также позволяет им выступать центрами кристаллизации металлических кластеров и наночастиц. Полученные вещества охарактеризованы комплексом методов физико-химического анализа: элементным анализом, рентгенофазовым анализом, ИК-спектроскопией и электронной микроскопией. Ключевые слова:
графен, оксид графена, модификация, наночастицы.
