HYDRO-METALLURGICAL TECHNOLOGY FOR EXTRACTING NICKEL CARBONATE FROM WASTE SOLUTIONS FROM COPPER PRODUCTION

АННОТАЦИЯ

Никель является ценным и технически значимым металлом, широко применяемым в производстве нержавеющих сталей, специальных сплавов, электрокатализаторов и гальванических покрытий [1,7,8]. В отработанных электролитах медного производства никель содержится в значительных концентрациях, что обусловливает актуальность разработки технологий его извлечения с целью ресурсосбережения и снижения экологической нагрузки [3,6,11]. В статье рассмотрена гидрометаллургическая технология селективного извлечения никеля из отработанных растворов медного купороса с получением карбоната никеля [2,4,12]. Исследован механизм комплексообразования ионов меди с аммиаком и последующего осаждения никеля в виде труднорастворимого соединения [4,12,14]. Проведённые лабораторные исследования подтверждают эффективность предложенной технологической схемы и возможность её практического применения в условиях медного производства [13,14].

ABSTRACT

Nickel is a valuable and technically significant metal widely used in the production of stainless steels, special alloys, electrocatalysts, and galvanic coatings [1,7,8]. Copper production waste electrolytes contain significant concentrations of nickel, which makes it important to develop technologies for its extraction in order to conserve resources and reduce environmental impact [3,6,11]. The article discusses the hydrometallurgical technology for the selective extraction of nickel from spent copper sulphate solutions with the production of nickel carbonate [2,4,12]. The mechanism of complex formation of copper ions with ammonia and the subsequent precipitation of nickel in the form of a poorly soluble compound has been investigated [4,12,14]. Laboratory studies confirm the effectiveness of the proposed technological scheme and the possibility of its practical application in copper production [13,14].

Ключевые слова: гидрометаллургия, никель, карбонат никеля, отработанные растворы, медное производство, селективное осаждение, комплексообразование.

Keywords: hydrometallurgy, nickel, nickel carbonate, spent solutions, copper production, selective precipitation, complex formation.

Введение. Современное развитие металлургической промышленности сопровождается устойчивым ростом потребления цветных и редких металлов [1,7]. Непрерывное увеличение объёмов производства меди приводит к образованию значительного количества техногенных отходов, включая отработанные электролиты, содержащие ценные сопутствующие компоненты. В настоящее время такие растворы рассматриваются не только как источник экологической опасности, но и как перспективное вторичное сырьё [5,6].

Особый интерес представляют отработанные электролиты медного купоросного производства, в составе которых в заметных количествах присутствует никель. Его извлечение из вторичных ресурсов позволяет расширить сырьевую базу без дополнительных затрат на добычу и обогащение руд, а также снизить нагрузку на системы очистки сточных вод. Несмотря на наличие отдельных исследований, вопросы селективного разделения ионов меди и никеля, обладающих близкими физико-химическими свойствами, до настоящего времени остаются недостаточно изученными [12,14].

Объекты и методы исследования

Объектом исследования являлись отработанные электролиты медного купоросного производства, образующиеся после процесса электролитического рафинирования меди [13,14]. Отбор проб осуществлялся в соответствии с утверждённой методикой при участии специалистов предприятия. Перед проведением лабораторных исследований отработанные растворы подвергались фильтрации с целью удаления механических примесей и шламов.

Для оценки возможности селективного извлечения никеля был выполнен химический анализ исходных растворов. Количественное определение содержания цветных и сопутствующих элементов проводилось спектральным методом анализа [5,11]. Полученные данные использовались для обоснования выбора реагентов и разработки технологической схемы селективного разделения ионов меди и никеля. Результаты химического анализа отработанных растворов медного производства приведены в таблице 1. Анализ данных показывает, что растворы характеризуются высоким содержанием меди (14,2–61,8 г/л) и никеля (9,6–20,1 г/л), а также присутствием примесных элементов, таких как железо, цинк, свинец и алюминий. Указанные концентрации никеля подтверждают целесообразность его извлечения из отработанных электролитов с применением гидрометаллургических методов и необходимость селективного разделения ионов Cu²⁺ и Ni²⁺.

Таблица 1.

Результаты химического анализа

Полученные данные использовались для выбора оптимальной схемы селективного осаждения никеля и меди. Установлено, что содержание никеля в исследуемых растворах достигает 9,6–20,1 г/л, что подтверждает целесообразность его извлечения.

Результаты и обсуждение

Селективное разделение ионов Cu²⁺ и Ni²⁺ реализовано путём комплексообразования меди с аммиаком и последующего осаждения никеля в виде карбоната [4,12,14]. При добавлении аммиака в раствор образуется устойчивый медно-аммиачный комплекс, что сопровождается изменением окраски раствора на интенсивно синий цвет. Значение pH поддерживалось в интервале 9–10. На следующей стадии в раствор вводился карбонат натрия, в результате чего ионы никеля осаждались в виде труднорастворимого карбоната согласно реакции:

Ni²⁺ + CO₃²⁻ → NiCO₃↓

Полученный осадок отделяли вакуумной фильтрацией, промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 50–100 °C. Оставшаяся в растворе медь далее осаждалась в виде гидроксида меди [4,12].

Физико-химическая характеристика осадков

Морфология и элементный состав полученных осадков изучались методом сканирующей электронной микроскопии.

На рисунке 1 представлены СЭМ-изображения и результаты элементного анализа осадка гидроксида меди, полученного на первой стадии процесса. Анализ показал высокое содержание меди, достигающий 68,8 %, что свидетельствует о возможности его дальнейшего пирометаллургического передела [9,14].

Рисунок 1. СЭМ-изображения и элементный состав осадка гидроксида меди Cu(OH)₂ первой стадии процесса

На рисунке 2 приведены СЭМ-изображения и элементный состав осадка карбоната никеля.

Рисунок 2. СЭМ-изображения и элементный состав осадка карбоната никеля NiCO₃

Установлено, что массовая доля никеля в осадке составляет до 5,7 %. Повышение содержания никеля до 20 % возможно при прокаливании карбонатной фазы. Присутствие примесных элементов (Fe, Cu, Al) может быть устранено при последующей плавке с переводом их в шлаковую фазу [4,12,14].

Заключение. Таким образом можно сделать вывод, что необходима разработка гидрометаллургической технологии селективного извлечения никеля из отработанных растворов медного производства с получением карбоната никеля. Авторами показано, что применение аммиачного комплексообразования меди и последующего карбонатного осаждения никеля обеспечивает эффективное разделение компонентов. Предложенная технология позволяет снизить объёмы техногенных отходов и повысить ресурсную и экологическую эффективность медного производства.

Список литературы:

1. Хабибуллин Р.Х. Гидрометаллургия цветных металлов. — М.: Металлургия, 2019. — 352 с.
2. Абрамов А.А. Гидрометаллургические процессы переработки цветных металлов. — М.: Недра, 2017. — 296 с.
3. Козлов В.А., Иванов П.Н. Переработка техногенных отходов медного производства // Цветные металлы. — 2021. — № 7. — С. 45–51.
4. Фролов Ю.Г., Соколов В.М. Комплексообразование в гидрометаллургических процессах. — М.: Химия, 2016. — 240 с.
5. Нечаев А.П. Очистка и переработка технологических растворов цветной металлургии. — М.: Металлургиздат, 2018. — 310 с.
6. Кузнецов А.В. Экологические аспекты переработки техногенных отходов // Экология промышленного производства. 2020. — № 4. — С. 22–29.
7. Habashi F. Handbook of Extractive Metallurgy. — Weinheim: Wiley-VCH, 2003. — 1250 p.
8. Gupta C.K., Mukherjee T.K. Hydrometallurgy in Extraction Processes. — Boca Raton: CRC Press, 1990. — 312 p.
9. Davenport W.G., King M., Schlesinger M., Biswas A.K. Extractive Metallurgy of Copper. — Oxford: Elsevier, 2011. — 560 p.
10. Peters E. Advances in Hydrometallurgy. — New York: Springer, 2015. — 420 p.
11. Zhang Y., Li H. Recovery of nickel from spent solutions // Hydrometallurgy. — 2019. — Vol. 189. — P. 105–112.
12. Reddy B.R., Park K.H. Selective separation of nickel and copper from sulfate solutions // Separation and Purification Technology. — 2018. — Vol. 191. — P. 79–86.
13. Д.Б.Холикулов, О.Н.Болтаев, Ш.М.Муносибов. Извлечения никеля из маточного раствора медного производства // «Проблемы и перспективы эффективной переработки минералного сыря в 21 веке» Международная конференция «Плаксинские чтения – 2019», 9-14 сентября 2019 г., Иркутск, Россия. С 336-337.
14. Шодиев А.Н., Туробов Ш.Н., Абдуллаев З.О. Разработка технологии извлечения никеля из маточных растворов купоросного цеха. Journal of Advances in Engineering Technology Vol.3(11), July-September, 2023, ст. 23-28.