Процесс очистки сульфатных цинковых растворов определяет технологические, экономические и экологические результаты производства. Поскольку в последнее время наблюдается постоянный рост содержания галогенидов в продуктивных растворах цинкового производства вследствие переработки техногенного цинксодержащего сырья, то становится особо актуален поиск способов очистки цинковых растворов от галогенидов, в частности от фтора, с помощью разнообразных методов. Цель данной работы состояла в исследовании эффективности акаганеита в качестве сорбента для очистки сульфатных растворов цинкового производства от фторид-ионов. При этом особенно важно выбрать носитель для сорбента, поскольку из-за наноразмерности частиц акаганеита фильтрация раствора от сорбента проблематична. По поверхностным характеристикам и физико-химическим свойствам наиболее подходящими носителями для этих целей являются гипс и красный шлам глиноземного производства. В экспериментах использовали сульфатный цинковый раствор (100 г/дм³ Zn²⁺, рН = 4,5), содержащий 26,8–111,4 мг/дм³ F–. Максимальное значение емкости по фторид-иону показал красный шлам вследствие образования F–Al-комплексов. Наибольшее извлечение фтора продемонстрировал красный шлам с импрегнированным акаганеитом при повышенной температуре, позволяющей проявить свойства сорбента и ускорить поверхностный процесс обмена ОН– ↔ F–. Сорбент на основе гипса успешно удалял фтор за счет высвобождения активных ионов кальция и образования фторида кальция. Количество удаленного фтора зависит от материала сорбента, его расхода, продолжительности и температуры сорбции. Определены оптимальные условия обработки (при рН = = 5,5): температура – 60 °С, продолжительность процесса – 120 мин, расход композитного сорбента – 20÷30 г/дм³. Показано, что для очистки цинковых растворов от галогенидов наиболее подходящими являются композитные сорбенты на основе красного шлама или гипса с импрегнированным акаганеитом (β-FeOOH). Их применение позволяет достичь в реальном диапазоне рН технологических растворов высоких значений емкости и глубины очистки от ионов фтора (до 98– 99 %). Указанные сорбенты могут быть подвергнуты регенерации в растворе щелочи, после чего использованы повторно (до 3–4 циклов).

В Уральском регионе сосредоточены значительные запасы окисленных никелевых руд как в крупных, так и в небольших месторождениях, которые разрабатываются открытым способом. Руда достаточно рыхлая, что делает стоимость добычи относительно невысокой. В то же время технологии, используемые на уральских никелевых заводах, не удовлетворяют требованиям энергосбережения и экологии и являются убыточными. В работе предложена двухстадийная гидрометаллургическая технология переработки окисленных никелевых руд Серовского месторождения. Исследована руда следующего состава, мас.%: 1,01 Ni, 0,031 Co, 15,32 Fe_общ, 8,51 Al₂O₃, 21,76 MgO, 43,97 SiO₂. Фазовый состав пробы установлен методом порошковой дифракции на рентгеновском дифрактометре XRD-7000 («Shimadzu», Япония). Основными никельсодержащими минералами идентифицированы серпентин Mg₆[Ni, Si₄O₁₀](OH)₈ и нимит (Ni, Mg, Al)₆(Si, Al)₄О₁₀(OH)₈. Никель входит в кристаллическую решетку силикатов, изоморфно замещая магний и железо, что существенно затрудняет вскрытие таких минералов гидрометаллургическим способом. Приведены результаты лабораторных исследований атмосферного выщелачивания руды соляной кислотой (на первой стадии) и автоклавного выщелачивания полученной пульпы (на второй) в зависимости от температуры, продолжительности выщелачивания и расхода кислоты. Суммарное (по двум стадиям) извлечение в раствор составило, мас.%: 82 Ni, 73,6 Co, 22 Fe, 22 Mg, 50,4 Al. Соляная кислота в данных условиях расходуется практически полностью – ее остаточная концентрация составила около 3 г/дм³ . Автоклавная пульпа обладает хорошей фильтруемостью. Состав кека после автоклавного выщелачивания, следующий, мас.%: 0,35 Ni, 0,01 Co, 12 Fe_общ, 10,63 Mg, 1,2 Al, 55 SiО₂.

Проведено термодинамическое исследование высокотемпературного окислительного выщелачивания сульфида цинка. При растворении сульфидов металлов под действием окислителей в кислом растворе возможно одновременное протекание нескольких процессов. С целью выявления соотношения возможных реакций термодинамические расчеты проводились по стехиометрическим уравнениям с одинаковым расходом окислителя. Кроме того, стехиометрические коэффициенты выбирались таким образом, чтобы реагенты обменивались 1 молем электрических зарядов. Такой подход способен обеспечить сравнение эффективности использования разных окислителей для выщелачивания сульфидов. Полученные результаты термодинамического анализа совпали с экспериментальными данными, подтверждающими, что преобладающими при растворении сульфида цинка в растворе серной кислоты под действием кислорода являются реакции окисления до серы и сульфат-ионов. Исследовано влияние расхода кислорода и начальной концентрации серной кислоты на соотношение этих реакций и на равновесную концентрацию катионов цинка в растворе. Термодинамический анализ показал, что при недостаточной концентрации кислоты, ограничивающей максимальное продвижение реакции окисления сульфида цинка до серы, кислород будет расходоваться также на процесс окисления до сульфат-ионов, менее эффективно расходующий кислород, так как при этом в раствор переходят в 4 раза меньше катионов цинка. Проведенные термодинамические расчеты позволили, не прибегая к трудоемким экспериментам, выявить оптимальные соотношения расхода кислорода и начальной концентрации серной кислоты, обеспечивающие достижение максимальной равновесной концентрации цинка в растворе при более эффективном расходе окислителя. При оптимальной концентрации кислоты наблюдаются прямо пропорциональные зависимости равновесной концентрации катионов цинка в растворе от начальной концентрации кислоты и образования катионов цинка от расхода кислорода.

Изучено влияние лигносульфоната натрия (ЛСН), анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) (додецилсульфата натрия (ДСН), додецилбензолсульфоната натрия (ДДБСН)) и их смесей на показатели цементации меди цинком. Полученные результаты свидетельствуют о снижении скорости цементации меди при увеличении концентраций ЛСН и ДДБСН. Также был зафиксирован избыточный расход цинка на цементацию ионов меди в связи с адсорбцией отрицательно заряженных ионов ЛСН и ДДБСН на положительно заряженных катодных участках цементатора и цементата. Это привело к уменьшению скорости роста зародышей частиц меди, расходованию энергии на формирование новых центров зародышеобразования и созданию условий для снижения перенапряжения выделения водорода. При этом увеличение температуры приводило к снижению расходования цементатора в присутствии ЛСН. Исследуемые ПАВ можно разместить по степени возрастания негативного влияния на цементацию ионов меди в следующий ряд: ДСН < ДДБСН < ЛСН. Испытание смеси ЛСН + ДСН показало ее неоднородное влияние на скорость цементации при исследуемых температурах. В случае использования смеси ЛСН + ДДБСН было зафиксировано линейное снижение скорости цементации ионов меди при повышении концентрации ДДБСН с одновременным ростом расхода цементатора. В связи с обнаруженным негативным влиянием исследуемых реагентов предложен способ очистки растворов от органических примесей с помощью высокослоистого алюмосиликата, модифицированного катионным ПАВ. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности удаления органических примесей из растворов, что позволило повысить скорость цементации в присутствии смеси ЛСН + ДДБСН на 50 %, одновременно сократив расход цементатора.

Изучены кинетические особенности цементации золота из цианистых растворов с применением двух цинковых порошков различного происхождения. Первый из них (традиционный) получен методом дистилляции и используется на практике при цементации золота из цианистых растворов, другой (экспериментальный, электролизный) – приготовлен электрохимическим восстановлением цинка из щелочного раствора. Определяющим параметром порошков, используемых для цементации, является их удельная поверхность. Данный показатель у электролизного порошка в 2,6 раза выше, чем у традиционного (3,02 и 1,16 м² /г соответственно), что связано с его дендритной формой. Для исследований использован раствор с содержанием золота 50,8 мкмоль/дм³ , цианистого натрия (NaCN) 0,04 моль/дм³ . В динамике цементации выявлен период депассивации порошка, связанный с растворением оксидной пленки и преодолением диффузионных затруднений. Длительность периода депассивации традиционного порошка (10–15 с) выше, чем электролизного (5–8 с). Определены значения экспериментальных констант скорости реакции цементации для процесса с применением обоих исследуемых порошков при различном соотношении массы цинка к массе золота в растворе. Экспериментальные константы скорости реакции для электролизного порошка в изученных условиях в 1,3–1,6 раза выше, чем для традиционного порошка. Установлено, что скорости окисления сопоставляемых порошков цинка при различном соотношении масс цинка и золота, отнесенные к удельной поверхности в начальный период времени, практически не отличаются. В то же время абсолютные скорости растворения электролизного порошка в начальный момент времени больше практически в 2 раза. При реагировании порошка с щелочным раствором абсолютные скорости растворения электролизного и традиционного порошков сопоставимы.

Рассмотрено применение как традиционных порошковых углеродных материалов (графита, сажи, древесного угля, шунгита), так и новых углеродных наноматериалов (наноалмазов, фуллерена, нанотрубок, графена) в качестве дисперсной армирующей фазы в алюмоматричных композитах (АМКМ), а также в качестве реагентов для синтеза армирующих частиц карбида титана (TiC) в АМКМ. Отмечено, что основным направлением развития АМКМ для существенного улучшения их механических свойств является переход от армирующих частиц микронного размера к наночастицам и что применение новых углеродных наноматериалов может сыграть в этом решающую роль. Необходимо, чтобы технологии получения таких АМКМ обеспечивали соответствующие параметры наночастиц, их равномерное распределение в матрице и сильную адгезионную межфазную связь с матрицей. Однако выполнение этих технологических требований является большой проблемой, так как наночастицы углерода и карбида титана не смачиваются алюминием при температурах менее 1000 °С и склонны к образованию агломератов из наночастиц вследствие межчастичных адгезионных сил, величина которых резко возрастает с уменьшением размера частиц. В работе представлен обзор достижений и нерешенных вопросов при использовании порошкообразных углеродных форм в различных твердо- и жидкофазных методах изготовления АМКМ с применением различных приемов для решения перечисленных технологических проблем. Показано, что при этом не исчерпаны возможности использования и традиционных углеродных материалов. Заметное внимание уделено применению метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) армирующих частиц карбида титана с использованием различных углеродных материалов для получения алюмоматричных композиционных материалов.

В настоящий момент наиболее перспективными направлениями развития техники являются прототипирование и производство изделий с применением аддитивных технологий. В противовес более точным порошковым методам особый интерес вызывают более быстрые проволочные технологии, которые позволяют производить изделия без пор. В настоящей работе проводится сравнительный анализ влияния двух проволочных технологий – электронно-лучевого аддитивного производства и холодного переноса металла – на структуру и механические свойства алюминиевого сплава АМг5. При оптимальных параметрах печати мощности электронного луча и дуги были близкими по величине, но за счет импульсного характера дуги процесс холодного переноса металла более экономичен. Кроме того, дуговой метод осуществляется в атмосфере аргона, что ускоряет охлаждение наносимого слоя. В целом из-за меньшего тепловложения и ускоренного охлаждения зеренная структура материала измельчается, что приводит к повышению прочности и микротвердости. Изза постоянного удаления от подложки и увеличения массы изделия тепловые условия нанесения последующего слоя меняются, что контролируется снижением мощности пучка/дуги, однако каждый слой имеет свою тепловую историю, что влияет на структуру и свойства материала. В частности, чем больше тепла воспринимает слой от предыдущих слоев, тем он менее прочный. При пересечении некоторой высоты (около 30 мм) охлаждение интенсифицируется за счет большой массы изделия, и прочность снова увеличивается. Это наиболее характерно для процесса холодного переноса металла. Однако данные колебания довольно небольшие, механические свойства по высоте обладают высокой стабильностью в обеих технологиях. Также в процессе холодного переноса металла обнаружено меньшее выгорание легирующего магния. В целом на данный момент метод холодного переноса металла более экономичен и позволяет получать более качественные изделия.