USE DONOR-ACCEPTOR SYSTEMS IN SOLVING PROBLEMS METAL RECYCLING

Хентов В.Я.¹, Великанова Л.Н.², Сёмченко В.В.³, Хуссейн Х.Х.⁴

¹Профессор, доктор химических наук, Южно-Российский государственный технический университет. ²Доцент, кандидат химических наук, Южно-Российский государственный технический университет. ³Доцент, кандидат химических наук, Южно-Российский государственный технический университет. ⁴Аспирант, Южно-Российский государственный технический университет.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНЫХ СИСТЕМ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ РЕЦИКЛИНГА МЕТАЛЛОВ

Аннотация

Активное взаимодействие донорно-акцепторных систем в неводных средах с нуль-валентными переходными металлами и их ковалентными соединениями может быть использовано в решении проблемы рециклинга металлов.

Ключевые слова: донорно-акцепторные системы, неводные среды, рециклинг металлов.

Khentov V.YA.¹, Velykanova L.N.², Semchenko V.V.³, Hussein H.H.⁴

¹Professor, Doctor of Chemistry, South-Russian State Technical University. ²Dotsent, Ph.D., of the South-Russian State Technical University. ³Dotsent, Ph.D., of the South-Russian State Technical University. ⁴ Postgraduate student, South- Russian State Technical University.

USE DONOR-ACCEPTOR SYSTEMS IN SOLVING PROBLEMS METAL RECYCLING

Abstract

Active cooperation of the donor-acceptor systems in non-aqueous media with a zero-valent transition metal and covalent compounds may be used in solving the problem of recycling metals.

Keywords: donor-acceptor system, nonaqueous media, recycling metals.

В неводных донорно-акцепторных средах активно взаимодействуют с лигандом как нуль-валентные переходные металлы, так и их соединения с ковалентными связями [1, 2]. К ним можно отнести оксиды, сульфиды карбонаты, фосфаты и другие не растворимые в воде соединения. При этом полученные комплексные соединения находятся в растворенном состоянии в неводном растворителе и могут быть легко восстановлены до металла или его оксида. Всё это позволяет организовать процесс извлечения переходных металлов из техногенных отходов. Эта проблема известна как рециклинг металлов. Причем металлы могут быть получены в нано состоянии.

К техногенным отходам относят отвалы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности; пылевые выбросы промышленных предприятий; шламы гальванических производств; шлаки металлургической и топливо энергетической промышленности; отходы абразивной обработки металлов; отработанные катализаторы промышленности органического синтеза. Все они содержат значительные количества ценных металлических элементов, как в виде нуль-валентных металлов, так и в виде их химических соединений. Объём и содержание металлических элементов позволяет сравнивать техногенные отходы с месторождениями природных ископаемых. Геологи называют техногенные отходы техногенными залежами. Поэтому разработка технологии извлечения металлов из техногенных отходов представляет собой актуальную задачу.

Прежде всего, следует подчеркнуть роль неводного растворителя в решении указанной проблемы. С увеличением полярности растворителя реакционная способность донорно-акцепторного взаимодействия заметно повышается. Натуральный логарифм константы донорно-акцепторного взаимодействия переходного металла и лиганда k связан линейной зависимостью с эмпирическим параметром полярности растворителя Димрота-Райхардта Е_Т [3]:

ln k = aE_T + b,

где a и b - эмпирические коэффициенты.

При донорно-акцепторном взаимодействии нуль-валентных металлов важную роль играют поверхностные химические соединения. В табл. 1 приведены скорости взаимодействия объёмной фазы V_o и поверхностных химических соединений V_s халькогенидов меди с салицилальанилином, растворенном в диметилформамиде [4].

Таблица 1 – Сопоставление скоростей взаимодействия

Халькогениды	Скорости	Vs /Vo
Vo Cu2O (объёмная фаза)	1,27·10-6	7
Vo CuO (объёмная фаза)	1,29·10-6	18
Vs (поверхностный оксид)	9,01·10-6	‒
Vo Cu2S (объёмная фаза)	1,97·10-6	132
Vo CuS (объёмная фаза)	1,29·10-6	202
Vs (поверхностный сульфид)	2,60·10-4	‒

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

Донорно-акцепторное взаимодействие в значительной степени зависит от структурных параметров твердого тела. Корреляционные зависимости энергией активации E_a взаимодействия растворенного в диметилформамиде салицилальанилина (0,01М) с металлом [4] и физическими параметрами металлов [5] приведены табл. 2.

Таблица 2. – Корреляционные зависимости, коэффициент корреляции R

Уравнение	R	Примечания
Еа = 1048,56 – 223,27Авых	0,74	Авых ‒ работа выхода
Еа = –298,95 + 0,90Eсуб	0,74	Eсуб – энергия сублимации
Еа = –36,60 + 0,40H	0,74	H ‒ теплота образования оксидов при 298 К
Еа = –426,380 + 5,396Есв	0,90	Есв – энергия связи элемента
Еа = –278,004 + 1,695Ws	0,96	Ws –энергия поверхности зародыша кристалла
Еа = –333,323 + 0,315Тпл	0,96	Тпл – температурой плавления металла

Для железа, вольфрама, молибдена, титана, хрома и меди установлена зависимость скорости донорно-акцепторного взаимодействия V от энергии электронов в зоне проводимости lnE_F [6]:

lnV = 114,02 ‒ 257 lnE_F

Следует отметить высокую степень извлечения металлов при донорно-акцепторном взаимодействии [7]. Например, степень извлечения меди из халькозина, ковеллина, тенорита, малахита составила 81,4; 85,6; 70,6; 79,9 процентов соответственно.

Скорость процесса извлечения металла может быть заметно увеличена при использовании неводного растворителя с малыми добавками вещества, продуцирующего протоны [4].

Особый интерес вызывают добавки поверхностно-активного вещества  в неводный растворитель. Введение в диметилформамид оксиэтилированного изооктилфенола RC₆H₄O(CH₂CH₂O)_nH, где R ‒ углеводородный радикал     С₆-С₁₀, n = 7 (число присоединенных молей оксида этилена), привело при 15 % концентрации к появлению мицелл. Для нахождения критической концентрации мицеллообразования измеряли поверхностное натяжение и вязкость. В такой среде при концентрации лиганда (салицилальанилина) 0,1 моль/л скорость донорно-акцепторного взаимодействия при 20 ^оС возросла в три раза. Это свидетельствует о протекании мицеллярного катализа.

Таким образом, имеются весомые основания говорить о возможности решения проблемы рециклинга металлов на основе неводных донорно-акцепторных систем.

Литература

1. А.С. Кужаров, В.Я. Хентов. О взаимодействии высокодисперсных переходных металлов с салицилальанилином. // Координационная химия, 1979. – № 4. – С. 601.

2. Хентов В.Я., Великанова Л.Н., Кужаров А.С., Верещака В.В. Донорно-акцепторное взаимодействие меди, никеля и их труднорастворимых соединений с салицилальанилином. ‒ Интенсификация процессов переработки минерального сырья. − М.: ‒ Наука. ‒ 1981. − С. 156-159.

3. Семченко В.В., Великанова Л.Н., Хентов В.Я. Влияние природы растворителя на кинетику донорно-акцепторного взаимодействия меди с салицилальанилином. // Известия вузов. Северо-Кавказский. регион. Технические науки. − 1998. − № 2. − С. 55-58.

4. Семченко В.В. Особенности кинетики координационного взаимодействия d-металлов и их соединений с 2-окси-1- бензилиденанилином в апротонных и смешанных растворителях: Дис.…к. х. н.– Нальчик, 2009.– 129 с.

5. Хентов В.Я.. Корреляционный анализ в неорганической химии. Задания для работы с персональным компьютером: учебное пособие. Новочеркасск: Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). ‒ 2007. ‒ 187 с.

6. Власов Ю.В., Хентов В.Я., Великанова Л.Н., Семченко В.В. / Связь донорно-акцепторного взаимодействия в системе металл-лиганд с энергией Ферми электронов // Журнал физической химии, 1993. – Т. 67. – № 3. – С. 621-622.

7. Великанова Л.Н., Сёмченко В.В., Хентов В.Я. Кинетические закономерности извлечения металлов из техногенного сырья. // Журнал прикладной химии, 2011. ‒ Т. 84. ‒ Вып. 9. С. 1418-1423.