СЕЛЕКТИВНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ КОБАЛЬТА ИЗ КАДМИЙ-КОБАЛЬТ- НИКЕЛЕВОГО КЕКА (АО «АЛМАЛЫКСКИЙ ГМК»)

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследованы методы селективного извлечения металлического кобальта из кадмий-кобальт-никелевого кека, образующегося в кадмиевом цехе АО «Алмалыкский ГМК». Цель работы заключалась в разработке эффективной и экологически безопасной технологии получения кобальта из металлургических отходов. Для анализа применены современные физико-химические методы: рентгенофлуоресцентная спектрометрия (РФА), инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия, а также гидро- и пирометаллургические процессы. Определено, что содержание Co в исследованных образцах достигает 2,1 % при высоких концентрациях Zn, Cd и Cu, что подтверждает возможность их использования в качестве вторичного сырья. Разработаны оптимальные условия процесса (pH = 4,2–5,9; время цементации 12–24 ч; применение Fe/Al в качестве восстановителей), обеспечивающие высокую степень выделения кобальта при одновременном извлечении Zn, Cd и Ni. Научная новизна работы заключается в применении местных органических комплексообразователей, повышающих селективность и эффективность извлечения. Практическая значимость исследования состоит в снижении потерь кобальта и уменьшении экологической нагрузки за счёт вовлечения металлургических отходов в переработку.

ABSTRACT

This article studies the methods of selective extraction of metallic cobalt from cadmium-cobalt-nickel cake generated in the cadmium shop of JSC Almalyk MMC. The objective of the work was to develop an efficient and environmentally friendly technology for producing cobalt from metallurgical waste. Modern physicochemical methods were used for the analysis: X-ray fluorescence spectrometry (XRF), infrared and ultraviolet spectroscopy, as well as hydro- and pyrometallurgical processes. It was determined that the Co content in the studied samples reaches 2.1% at high concentrations of Zn, Cd, and Cu, which confirms the possibility of their use as secondary raw materials. Optimum process conditions were developed (pH = 4.2–5.9; cementation time 12–24 h; use of Fe/Al as reducing agents), ensuring a high degree of cobalt recovery with simultaneous extraction of Zn, Cd, and Ni. The scientific novelty of the work lies in the use of local organic complexing agents that increase the selectivity and efficiency of extraction. The practical significance of the study lies in reducing cobalt losses and reducing the environmental load by involving metallurgical waste in processing.

Ключевые слова: кобальт, селективное извлечение, металлургические отходы, кадмий-кобальтовый кек, гидрометаллургия, пирометаллургия, органические комплексообразователи.

Keywords: cobalt, selective extraction, metallurgical waste, cadmium-cobalt cake, hydrometallurgy, pyrometallurgy, organic complexing agents.

Введение

В условиях интенсивного развития современной промышленности тяжёлые металлы относятся к числу наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, поскольку они накапливаются в биосфере и оказывают негативное воздействие на здоровье человека и экосистемы [1-4]. Среди них кобальт занимает особое место: он широко применяется в производстве аккумуляторов, катализаторов, сверхпроводников, а также в медицинской и аэрокосмической промышленности [5-9].

Рост мирового спроса на кобальт приводит к увеличению объёмов его промышленной добычи и переработки [10-12]. При этом высокая токсичность радиоактивного изотопа кобальта (Co-60), способность к биоаккумуляции и переход в растворимые химически активные формы при переработке руд обуславливают необходимость строгого контроля его содержания и разработки эффективных, экологически безопасных технологий извлечения [13-15].

В научной литературе представлены различные методы извлечения кобальта из сульфатных и хлоридных растворов: электрохимические, экстракционные, сорбционные и гидрометаллургические. Они демонстрируют высокие показатели извлечения (до 98–99 %), однако характеризуются рядом ограничений: высокой стоимостью реагентов, сложностью многостадийных процессов и низкой селективностью по отношению к сопутствующим ионам цинка, меди и никеля [16].

Особый интерес представляют промышленные отходы металлургического производства — так называемые кадмий-кобальт-никелевые кеки, образующиеся в кадмиевом цехе АО «Алмалыкский ГМК». По данным производственного мониторинга, содержание кобальта в таких отходах достигает 0,5–2,1 %, что сопоставимо или превышает его концентрацию в ряде природных руд. Это делает данные отходы перспективным вторичным сырьём для промышленного извлечения цветных металлов [17-19].

Цель исследования — разработка и оптимизация технологии селективного извлечения кобальта из кадмий-кобальт-никелевого кека с использованием гидрометаллургических и пирометаллургических методов, обеспечивающих повышение эффективности и экологической безопасности процесса.

Материалы и методы исследования

Элементный состав. Определение содержания основных металлов выполняли методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на спектрометре Rigaku NEX CG II EDXRF. Установлено: Co — 2,10 %, Ni — 1,31 %, Zn — 35,4 %, Cd — 21,5 %, Cu — 16,6 %, Sb — 11,1 %.

ИК-спектроскопия. Исследование комплексообразования кобальта с органическими реагентами проводили на спектрометре Bruker INVENIO S Fourier (Германия). Зафиксированы характерные полосы поглощения:

3106–3053 см^-1 — колебания C–H (sp²-гибридизация);

1636–1582 см^-1 — колебания C=C;

1433 см^-1 — колебания R–C–N=O;

1263–1210 и 1157–1032 см^-1 — колебания C–N и C–O;

827 см^-1 — колебания –OH;

749–664 см^-1 — колебания бензольного кольца;

632–479 см^-1 — колебания Co–O, подтверждающие координацию кобальта с лигандом.

Определение Co²⁺ и Ni²⁺. Содержание ионов Co²⁺ и Ni²⁺ измеряли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС) на приборе iCAP 7000 Series (Thermo) при длинах волн 228,616 нм (Co²⁺) и 221,647 нм (Ni²⁺).

Дисперсные характеристики. Размер частиц и дзета-потенциал кобальта (II), выделенного методом селективного растворения, определяли на анализаторе BI-SM50 NanoBrook.

Рентгенофазовый анализ. Фазовый состав исследовали на дифрактометре Rigaku MiniFlex 300/600 при 40 кВ и 15 мА, в диапазоне углов 20° от 30° до 120°C.

Химические вещества и реактивы.

В экспериментах использовали:

промышленный никель-кобальтовый кек;

соляную кислоту (раствор 4:1, 400 мл HCl на 100 мл воды);

разбавленную серную кислоту (50 мл H₂SO₄ на 950 мл воды);

дистиллированную воду;

соль CoSO₄·7H₂O для приготовления стандартного раствора (1 г/л Co²⁺);

органический комплексообразователь – 2-нитрозо – 1 – нафтол – 3,6 – дисульфокислота в 96%-ном этаноле;

реагенты для регулирования pH: уксусная кислота (CH₃COOH), ацетат натрия (CH₃COONa), гидроксид аммония (NH₄OH), HCl и NaOH.

Результаты и обсуждения

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА).

На рисунке 1 и в таблице 1 представлены результаты РФА промышленного никель-кобальтового кека. Установлено, что содержание Co в образце составляет 2,10 %, Ni – 1,31 %, при высоких концентрациях Zn (35,4 %), Cd (21,5 %) и Cu (16,6 %). Эти данные подтверждают целесообразность использования отхода в качестве вторичного сырья.

Рисунок 1. Рентгенофлуоресцентный спектр никель-кобальтового кека.
(25±5 ^°C, Co Kα 1.78897 Å, pH=3-5.9)

 Таблица 1.

Элементный состав промышленного кека, %.

ИК-спектроскопия.

ИК-спектр органического реагента (рисунок 2) и его комплекса с Co²⁺ показал наличие полос поглощения при 3106–3053 см^-1 (валентные колебания C–H), 1636–1582 см^-1 (C=C), 1433 см^-1 (R–C–N=O), а также 632–479 см^-1 (Co–O), что подтверждает образование прочных координационных связей. Комплексообразование происходит преимущественно за счёт –OH и ароматических групп.

Рисунок 2. ИК-спектр 2-нитрозо-1-нафтол-3,6-дисульфокислоты и её комплекса с Co²⁺

Оптимизация условий извлечения Co²⁺.

Для изучения влияния pH и реагентов на процесс извлечения кобальта были проведены серии экспериментов. Растворение 200 г промышленного кека в сернокислой среде показало увеличение концентраций Co, Ni, Cd и Zn при pH = 3–5,9.

При цементации (20–24 ч, Fe/Al) происходило выпадение Cu, сопровождающееся изменением цвета раствора.

Повышение pH до 4,2–5,9 приводило к осаждению гидроксидов Fe и частичному удалению примесей.

Добавление раствора гидразина обеспечивало осаждение чёрного магнитного осадка, идентифицированного как металлический кобальт.

Установлено, что оптимальные условия селективного извлечения Co²⁺ из никель-кобальтового кека достигаются при pH = 4,2–5,9, времени цементации 12–24 ч и использовании Fe/Al как восстановителей. ИК- и УФ-спектры подтвердили образование устойчивых комплексов с органическим реагентом, что обеспечивает высокую степень выделения кобальта при одновременном удалении примесей Zn, Cd и Fe.

Заключение

Проведённые исследования подтвердили, что кадмий-кобальт-никелевый кек, образующийся в кадмиевом цехе АО «Алмалыкский ГМК», содержит до 2,1 % Co и может рассматриваться как перспективное вторичное сырьё для промышленного извлечения цветных металлов.

Разработанная технология, основанная на сочетании гидро- и пирометаллургических процессов с использованием местных органических комплексообразователей, обеспечивает:

-высокую степень извлечения кобальта (при оптимальных условиях
pH = 4,2–5,9 и времени цементации 12–24 ч);

-одновременное выделение сопутствующих металлов (Zn, Cu, Ni, Cd);

-получение кобальта в металлической форме.

Научная новизна работы заключается в применении комплексного подхода с использованием органических реагентов, повышающих селективность процесса.

Практическая значимость состоит в возможности внедрения предложенной технологии на действующих предприятиях, что позволит снизить потери кобальта, повысить рентабельность переработки и уменьшить экологическую нагрузку.

Перспективы дальнейших исследований связаны с проведением промышленных испытаний, уточнением экономической эффективности и адаптацией метода к другим видам кобальтсодержащих отходов.

Список литературы:

1. Харламова Т. А., Хабарова Е. И., Атаманова Ю. Ю. БЕЗРЕАГЕНТНЫЙ МЕТОД ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИКЕЛЯ И КОБАЛЬТА ИЗ ПРОДУКЦИОННОГО И ПРОМЫВНОГО РАСТВОРОВ АММИАЧНО-КАРБОНАТНОГО ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2021. – №. 2-1. – С. 228-240.
2. Каршиев Х. К. и др. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА КОБАЛЬТА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КОБАЛЬТА ИЗ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ //Universum: технические науки. – 2025. – Т. 2. – №. 5 (134). – С. 62-70.
3. Архангельский, Г., Лукашенко, М., Бехтерев, С., & Телегина, Т. (2023). Тайм-менеджмент. Полный курс: Учебное пособие. Альпина Паблишер.
4. Каменщиков О. Ю. и др. Получение металлических порошков кобальта термолизом ацетата, оксалата и формиата кобальта (II) //Вестник Пермского университета. Серия: Химия. – 2021. – Т. 11. – №. 1. – С. 5-16.
5. Akhtar F. et al. Spectrophotometric Determination of Cobalt (II) by Natural Deep Eutectic Solvent (NADES) Air-Assisted Dispersive Liquid-Liquid Microextraction (AA-DLLME) //Analytical Letters. – 2025. – Т. 58. – №. 13. – С. 2276-2288.
6. Dallali N. et al. Simultaneous cloud point extraction and determination of Zn, Co, Ni and Pb by flame atomic absorption spectrometry //Reviews in Analytical Chemistry. – 2009. – Т. 28. – №. 2. – С. 125-136.
7. Добрыднев С. В. Получение и термическое разложение основных карбонатов никеля : дис. – Российский химико-технологический университет имени ДИ Менделеева, 2024.
8. Matin A. A. et al. Hollow fiber supported liquid phase microextraction of Co (II), Fe (III) and Al (III) as their oxinate chelates from water and dried tea leaves followed by HPLC–UV analysis //Journal of Food Measurement and Characterization. – 2020. – Т. 14. – №. 4. – С. 1850-1856.
9. Mirzakhmedov R. M., Madusmanova N. K., Makhmudova G. U. K. Sorbtsion-photometric determination of rhenium metal in Zr and Pb cake //Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences. – 2022. – Т. 2. – №. 4. – С. 663-669.
10. Deshmukh S. K. et al. (ed.). Nanotechnology in agriculture and environmental science. – CRC Press, 2023.
11. Завьялов В. М. и др. Система беспроводного заряда аккумуляторов для рудничного электровоза //Записки Горного института. – 2023. – №. 261. – С. 428-442.
12. Сманова З. А. и др. РАЗРАБОТКА СОРБЦИОННО-ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНA КОБАЛЬТА (II) В ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОДАХ АО “АЛМАЛЫКСКИЙ ГМК” //Universum: химия и биология. – 2025. – Т. 1. – №. 1 (127). – С. 23-29.
13. Boisvert L. et al. Recovery of cobalt from the residues of an industrial zinc refinery //Metals. – 2020. – Т. 10. – №. 11. – С. 1553.
14. Сайкова С., Пашков Г., Пантелеева М. Реакционно-ионообменные процессы извлечения цветных металлов и синтеза дисперсных материалов. – Litres, 2022.
15. Mamyrbayeva K. K. et al. Исследование извлечения никеля и кобальта из хвостов магнитного обогащения //Engineering Journal of Satbayev University. – 2024. – Т. 146. – №. 5. – С. 1-9.
16. Shirani M. et al. Needle hub in-syringe solid phase extraction based a novel functionalized biopolyamide for simultaneous green separation/preconcentration and determination of cobalt, nickel, and chromium (III) in food and environmental samples with micro sampling flame atomic absorption spectrometry //Microchemical Journal. – 2020. – Т. 152. – С. 104340.
17. Третьяк М. А. Автоклавная переработка коллективных медно-цинковых концентратов: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 2.6. 2 : дис. – б. и., 2023.
18. Varsamos I., Xenidis A. Nickel and Cobalt Extraction from Greek Laterites Using Nitrate Solutions //Materials Proceedings. – 2024. – Т. 15. – №. 1. – С. 91.
19. Пулатов Г. М. и др. ПРИМЕНЕНИЕ СУЛЬФИДА НАТРИЯ ВО ФЛОТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ РУД //Universum: технические науки. – 2025. – Т. 4. – №. 3 (132). – С. 57-60.