ВЫДЕЛЕНИЕ ИОНОВ НИКЕЛЯ ИЗ РАСТВОРОВ ХИМИЧЕСКОГО НИКЕЛИРОВАНИЯ И

ВЫДЕЛЕНИЕ ИОНОВ НИКЕЛЯ ИЗ РАСТВОРОВ ХИМИЧЕСКОГО НИКЕЛИРОВАНИЯ
И УТИЛИЗАЦИЯ ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ОСАДКА
Останин А.Н., Шемель И.Г.
Калужский филиал ФГБОУ ВПО "Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана"
Россия, Калуга
ISOLATION OF NICKEL IONS FROM SOLUTIONS OF CHEMICAL NICKEL PLATING AND
RESULTING SLUDGE RECYCLING
Ostanin A.N., Shemel I.G.
Kaluga Branch of Moscow State Technical University named after N.E. Bauman,
Russia, Kaluga
Решение проблемы очистки
первостепенное
значение
в
связи
сточных вод
с
приобретает
ужесточением
за последние годы
требований
природоохранного
законодательства и осознанием насущности данной проблемы. Кроме того, полноценное
извлечение ионов
технологических
тяжелых металлов
растворов
из сточных вод,
промышленных
предприятий
шламов
и отработанных
объясняется
не
только
необходимостью защиты окружающей среды, но и ценностью самих металлов. Значительное
истощение природных источников сырья, в частности черных и цветных металлов, для
многих отраслей промышленности диктует необходимость полного использования всех
видов промышленных отходов.
Процесс химического никелирования вследствие своих отличительных особенностей возможности нанесения равномерного покрытия на глубоко профилированные изделия и
некоторых ценных свойств осадков никеля, получаемых в этих условиях, - находит широкое
распространение в различных отраслях промышленности. По мере накопления данных
исследований в области химического восстановления металлов, выявления новых факторов,
определяющих скорость течения реакции и так же развития методов корректирования и
очистки
раствора,
технология
ведения
процесса
никелирования
непрерывно
совершенствуется. В промышленной практике находят применение различные методы
ведения процесса с использованием как различных по составу растворов, так и различных
режимов работы. Разнообразие методов работы является естественным следствием того, что
процесс введен в практику недавно и по существу мало исследован. Возникающие при
освоении процесса трудности преодолеваются предприятиями различными путями.
Разнообразие в технологии ведения процесса вызывается так же и различием предъявляемых
к покрытию требований, общим масштабом производства, габаритами покрываемых изделий
и теми возможностями, какими располагает то или иное предприятие в отношении
химикатов для составления раствора, способа обогрева ванны, оборудования для циркуляции
и очистки растворов, наличия квалифицированных кадров для обслуживания процесса и т.д.
Учитывая специфические особенности процесса химического никелирования и своеобразие
свойств восстановленного никеля, можно назвать некоторые области техники, в которых
использование этого вида покрытий оказывается целесообразным: сложный рельеф,
равномерность покрытия, требования высокой твердости покрытия, повторное покрытие и
т.д. Среди деталей, покрываемых с антикоррозионными целями: внутренние поверхности
компрессоров, насосов, а так же деталей различных очистительно-осушительных систем,
трубчатую арматуру различных агрегатов, сосуды для бензина, цистерны для перевозки и
баки для хранения различных химических веществ, сосуды реакционных смесей, внутренние
поверхности трубопроводов, различного
В настоящее время все более пристальное внимание обращают на себя технологии,
позволяющие эффективно извлекать ионы металлов из отработанных гальванических
растворов, шламов и сточных вод. Таким образом, можно предотвратить вредное
воздействие сточных вод и твердых отходов на окружающую среду и обеспечить
финансовую прибыль.
В связи с этим исследования по переработке отходов гальванических производств и
утилизации соединений тяжелых металлов с целью получения ценных вторичных
материалов являются актуальной научной и практической задачей.
Задачей данной работы явился поиск доступных решений, реализуемых
при
минимальных затратах, позволяющих провести эффективную очистку отработанных
растворов от ионов никеля с извлечением ценного металла
Отработанные растворы содержат значительное количество ионов никеля. Широко
известные методы
утилизации
отработанного
никеля
(реагентным
методом
[2-4],
экстракцией, ионным обменом[1], цементацией[6], сорбцией [5]) имеют ряд существенных
недостатков, поскольку при их реализации используют дорогостоящие реактивы или
энергоемкое оборудование, происходит загрязнение окружающей среды вторичными
загрязнителями.
В основу исследуемого процесса сточных вод химического никелирования положена
реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия в
кислой среде.
Исходные концентрации никеля составляют порядка 10-12 г/л
представленный на рисунке 1 .
и имеют вид,
Рисунок 1 – Исходный раствор
Поставленная цель достигается путем внесения
химического никелирования
в горячий отработанный раствор
водного раствора аммиака
в соотношении 2,18 моль/л с
концентрацией 5 моль/л и 0,0125кг/л отходов никелевого порошка в качестве затравки. В
качестве затравки можно использовать отходы процесса химического никелирования,
которые находятся в следовых количествах в системе изначально.
При
осаждения никеля восстановление
его
может
происходить
не
только на
поверхности металла, но и в объеме раствора в виде порошка:
H2PO2- + H2O + Ni2+ = H2PO3- + 2H+ + Ni
Процесс
протекает
при
естественном
охлаждении
в
течение
10-12
час.
Восстановление никеля из его солей гипофосфитом самопроизвольно начинается только на
металлах группы железа, которые катализируют этот процесс. Используемые в растворе
другие составляющие (ацетат натрия и глицинатный модификатор) служат катализаторами
осаждения никеля. При этом достигается снижение концентрации по ионам никеля с 5-8 г/л
до 0,6 мг/л (рисунок 2).
Рисунок 2 – Внешний вид очищенного по предлагаемому способу от ионов никеля раствора
Никель, в виде металлического порошка, осаждается на никелевые пластинки.
Толщина осаждаемого никеля за 1 процесс достигает 40-55 мкм (рисунок 3).
Рисунок 3 – Осажденный порошок на никелевых пластинке
Процесс протекает на границе раздела фаз, развивается с нарастающей скоростью.
Образующийся материал имеет одинаковый состав и обладает равномерной зернистой
структурой (рисунок 4).
Рисунок 4 – Микроскопическое исследование поверхности образца никелевой пластины
(микроскоп МБС-10, увеличение 100х)
Поверхность образующегося конгломерата имеет равномерное распределение по
фазам, размер вкрапления оценивается в 0,1-0,2мм, что хорошо соотносится приведенными в
литературе описаниями поверхности химического никелирования. Это подтверждает единый
характер процессов химического никелирования и очистки раствора от примеси ионов
никеля. Полученный осадок может быть регенерирован серной кислотой для дальнейшего
использования в качестве исходного реагента.
Контроль содержания ионов никеля осуществляли фотометрически. Оптическая
плотность раствора, содержащего несколько окрашенных веществ, обладает свойством
аддитивности, которое описывают законом аддитивности светопоглощения. В соответствии
с этим законом поглощение света, каким-либо веществом не зависит от присутствия в
растворе других веществ, так как каждое из окрашенных веществ будет вносить свою
величину в экспериментально определяемую оптическую плотность - D.
n
D   Di
i
Нами были проделаны аналитические определения содержания никеля в очищенных
растворах при добавлении по методике [7] 5 мл 20% раствора сегнетовой соли, которые
показали значительную вариативность показаний.
Исключить влияние ионов железа в конечном результате позволяет проведение
фотометрирования в особых условиях и в исключении значения поглощения примесных
ионов.
Условия получения спектра поглощения диктуют для исследуемого компонента
выбор максимального значения
молярного коэффициента поглощения — ε
максимальной чувствительности. Согласно
тиоцианатного комплекса железа
max,
т.е.
методике [8] растворы солей никеля и
имеют различную окраску, что позволяет выделить
область, где светопоглощение тиоцианата железа достаточно велико, а светопоглощение
соли никеля в присутствии тиоцианат-ионов незначительно. В ходе эксперимента была
обнаружена оптимальная область (рисунок 5) с длиной волны λ= 500 нм.
Рисунок 5 – Определение параметров светопоглощения
Выбрав светофильтр и фотометрируя анализируемый I раствор дважды при длине
кюветы l=1 см – без добавления тиоцианат-ионов и после их добавления, получали
соответственно два значения оптической плотности. Первое (А0) соответствовало
светопоглощению соли никеля, второе (А) суммарному светопоглощению соли никеля и
тиоцианата железа. Разность ∆А = А – A0 пропорциональна концентрации железа в
растворе. Дальнейшая обработка результатов сводилась к определению концентрации
ионов. Для расчетов были выбраны: метод градуировочного графика – для железа и метод
сравнения со стандартным раствором– для никеля. Результаты контроля содержания никеля
и железа приведены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Концентрации веществ в анализируемом растворе
Анализ полученных результатов показал, что концентрация железа не превышает 0,1
мг/л. При использовании технологии очистки с достижением концентрации никеля в
очищенной воде в пределах 1-2 мг/л, следует делать поправку на содержание железа – 0,5
мг/л. В таком случае конечная концентрация ионов никеля в очищенной воде составляет 0,81,0 мг/л и может быть повторно использована, например, в качестве промывной воды 2
категории ГОСТ 9.314-90 в гальваническом производстве. В случае сброса в поверхностные
воды
раствор подлежит дальнейшей очистке на локальной установке до нормативных
показателей.
С учетом возрастающих потребностей на химическое никелирование объемы продукции
будут возрастать, возможно прогнозировать 20% повышение объема основной продукции в
год, следовательно пропорционально будут возрастать и экономия на экоплатежах.
Кроме того,
использование металлического никеля как ресурсного потенциала
позволит сэкономить на реагентах для основного технологического процесса химического
никелирования.
Таким образом, представленная технология обеспечивает снижение негативной
нагрузки на окружающую среду и экономию материальных и финансовых ресурсов.
1. РФ Патент
2125105
Cпособ извлечения никеля из отработанных растворов
гальванических производств / Хазель М.Ю.; Лют Петер; Зародин Г.С. //Режим
доступа:
http://waste.ua/eco/2009/wastewater/nickel.pdf
2. РФ Патент
2066707
( Дата обращения – 08.07.14)
Способ утилизации никеля из отработанных растворов
химического никелирования / Научно-исследовательский технологический институт
автоматизации производства //Режим доступа: http://www.freepatent.ru/patents/2066707
(Дата обращения- 03.09.14)
3. РФ Патент 2010012 Способ очистки сточных вод от никеля / Бушковский А.Л.;
Кармадонов Л.Н.; Бордунов В.В.//Режим доступа:
http://www.ntpo.com/patents_water/water_1/water_778.shtml (Дата обращения- 18.05.14)
4. Лобанова
Л.Л.
Технология
утилизации
никеля
из
отработанных растворов
химического никелирования и ванн улавливания : дис.канд. техн.наук.-Киров: ВГУ,
2004
5. Виноградов
С.С.
Экологически
безопасное
гальваническое
производств/Под
редакцией В.Н.Кудрявцева.–М., «Глобус» – 2002.–343с.
6. А.С. Ковчур, Р.А. Москалец Применение металлической струи для цементациооного
извлечения никеля из отходов гальванических производств //Вестник Витебского
государственного технологического университета. – 2011. – Вып.21. – С.107-113.
7. Мешалкин А.В., Дмитриева Т.В., Стрижко Л.С. Экохимический практикум. Москва,
Изд-во САЙНС-ПРЕСС. – 2002.– 243с.
8. Васильев В.П., Васильев Р.П., Морозова Л.А., Практикум по аналитической химии.
Москва, Химия. – 2000.– 328 с.