Кинетические закономерности растворения оксидов переходных металлов в кислотной среде

Аннотация

Исследование закономерностей растворения оксидных фаз переходных металлов является актуальным при решении задач, связанных с оптимизацией выделения соединений металлов из обедненных руд, с процессами выщелачивания и обогащения, травления металлов и очистки их соединений. Накопленный экспериментальный материал относится к частным вопросам взаимодействия оксидов d-металлов в растворах различного состава. Для установления общих критериев процессов и механизмов их протекания необходимо обобщить данные о кинетических закономерностях растворения твердых фаз d-металлов с использованием современных представлений. Приведены результаты изучения кинетики растворения диоксидов титана, циркония, гафния в кислотной среде. Получены кинетические характеристики, определен характер кинетические кривых. Установлена зависимость растворения оксидов от концентрации серной кислоты. Полученные данные интерпретированы с учетом констант кислотно-основных равновесий, устанавливающихся на границе оксид металла/раствор электролита. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных, характеризующих кинетические закономерности растворения оксидов. Осуществлено моделирование процесса, предложена схема растворения. Показано, что растворение оксидных фаз металлов подгруппы титана в кислотной среде сопровождается образованием промежуточных адсорбционных комплексов. Вследствие разной способности гидроксогрупп к присоединению ионов водорода кислотные свойства в ряду TiO₂, ZrO₂, HfO₂ уменьшаются. Полученные результаты могут быть информативны при изучении кинетических характеристик оксидов переходных металлов и в практических приложениях для оптимизации процессов их растворения в кислотных средах

Работа выполнена по программе Госзадания (№ FSFN-2023-0004)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Елисеева Е.А., Березина С.Л., Болдырев В.С. Кинетические закономерности растворения оксидов переходных металлов в кислотной среде. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 2 (113), с. 116--128. EDN: NQDAXS

Литература

[1] Woodley S.M., Hamad S., Mejias J.A., et al. Properties of small TiO₂, ZrO₂ and HfO₂ nanoparticles. J. Mater. Chem., 2006, vol. 16, iss. 20, pp. 1927--1933. DOI: https://doi.org/10.1039/B600662K

[2] Пугачевский М.А., Мамонтов В.А., Николаева С.Н. и др. Влияние размерного фактора на структуру и физико-химические свойства наночастиц диоксида титана. Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технологии, 2021, т. 11, № 2, с. 104--118. EDN: BMLSHO

[3] Gupta S.M., Tripathi M. A review of TiO₂ nanoparticles. Chinese Sci. Bull., 2011, vol. 56, no. 16, pp. 1639--1657. DOI: https://doi.org/10.1007/s11434-011-4476-1

[4] Perevalov T.V, Gritsenko V.A. Application and electronic structure of high permittivity dielectrics. Phys.-Usp., 2010, vol. 53, iss. 6, pp. 561--576. DOI: http://dx.doi.org/10.3367/UFNe.0180.201006b.0587

[5] Kirm M., Aarik J., Jugens M., et al. Thin films of HfO₂ and ZrO₂ as potential scintillators. Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. B., 2005, vol. 537, iss. 1-2, pp. 251--255. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.08.020

[6] Соколов И.В. Использование MathCad для моделирования и расчета кислотно-основных равновесий. М., Прометей, 2007.

[7] Елисеева Е.А., Березина С.Л., Болдырев В.С. и др. Моделирование процесса растворения железа Fe3O4 в кислотной среде. Черные металлы, 2020, № 10, с. 15--20. EDN: QMDPMM

[8] Киприянов Н.А., Горичев И.Г. Моделирование выщелачивания с использованием кислотно-основных свойств окисленных минералов в гидрометаллургии. Вестник РУДН. Сер. Инженерные исследования, 2008, № 3, с. 73--78. EDN: JKGLOJ

[9] Елисеева Е.А., Березина С.Л., Горичев И.Г. и др. Влияние поверхностной структуры оксида Cо₃O₄ на кинетику растворения в кислотном электролите. Металлы, 2022, № 1, с. 48--54. EDN: EGAHCR

[10] Елисеева Е.А., Березина С.Л., Болдырев В.С. и др. Влияние морфологии частиц Cо₂O₃ на кинетику растворения в электролитах. Цветные металлы, 2020, № 11, с. 14--18. DOI: https://doi.org/10.17580/tsm.2020.11.02

[11] Паукштис Е.А. Инфракрасная спектроскопия в гетерогенном кислотно-основном катализе. Новосибирск, Наука, 1992.

[12] Eliseeva Е.А., Berezina S.L., Goritchev I.G., et al. Anodic dissolution of cobalt in sulfate electrolyte. Int. J. Corros. Scale Inhib., 2022, vol. 11, no. 1, pp. 151--160. DOI: http://dx.doi.org/10.17675/2305-6894-2022-11-1-8

[13] Русакова С.М., Горичев И.Г., Артамонова И.В. и др. Изучение свойств TiO₂ в контексте решения научно-практических проблем промышленного производства. Известия МГТУ МАМИ, 2010, № 2, с. 179--184. DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-69731

[14] Горичев И.Г., Изотов А.Д., Кишкина К.А. и др. Использование представлений о строении двойного электрического слоя в методах экспериментального определения и расчета констант кислотно-основных равновесий на границе оксид/электролит. М., РУДН, 2001.

[15] Batrakov V.V., Khlupov A.Yu., Gorichev I.G., et al. Constants of acid-base equilibria at the ZrO₂/electrolyte interface. Rus. Jour. Phys. Chem., 2000, vol. 74, suppl. 3, pp. 553--558. EDN: LGCEKV

[16] Кострикин А.В., Горичев И.Г., Линько И.В. и др. Особенности строения и кислотно-основные свойства гидратированных диоксидов циркония, гафния, олова и свинца. Журнал неорганической химии, 2005, т. 50, № 3, с. 389--396. EDN: HRYTNT

[17] Аверина Ю.М., Калякина Г.Ю., Меньшиков В.В. и др. Проектирование процессов нейтрализации хромо- и циансодержащих сточных вод на примере гальванического производства. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2019, № 3 (84), с. 70--80. EDN: VVVGUP. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2019-3-70-80

[18] Богомолов Б.Б., Болдырев В.С., Зубарев А.М. и др. Интеллектуальный логико-информационный алгоритм выбора энергоресурсоэффективной химической технологии. Теоретические основы химической технологии, 2019, т. 53, № 5, с. 483--492. EDN: KPDGXM. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040357119050026

[19] Kuzin E., Averina Yu., Kurbatova A., et al. Titanium-containing coagulants in wastewater treatment processes in the alcohol industry. Processes, 2022, vol. 10, iss. 3, art. 440. DOI: https://doi.org/10.3390/pr10030440

[20] Болдырев В.С., Аверина Ю.М., Меньшиков В.В. и др. Технологически-организационный инжиниринг окрасочных производств. Теоретические основы химической технологии, 2020, т. 54, № 3, с. 299--303. EDN: KIXMMF. DOI: https://doi.org/10.31857/S004035712003001X

[21] Болдырев В.С., Кузнецов С.В., Меньшиков В.В. Инновационное развитие малотоннажных научно-производственных предприятий лакокрасочной отрасли. М., Пэйнт-Медиа, 2021.