Выщелачивание. Выделение металлов из растворов

Me²⁺ + H₂ 2H⁺ + Me⁰

Константа равновесия этой реакции равна:

Таким образом, протекание процесса определяется следующими факторами: концентрациями в растворе водородных ионов Н⁺ и ионов вытесняемого металла Ме²⁺, давлением водорода , а также температурой. Большое влияние на скорость осаждения металла водородом оказывает применение так называемых буферных добавок, то есть таких солей, которые поддерживают рН раствора на постоянном уровне, введение затравки, то есть кристаллов осаждаемого металла, увеличение температуры раствора и его перемешивание, способствующие растворению водорода.

В промышленной практике это процесс реализуют как автоклавное осаждение металлов, которое заключается в обработке концентрированных растворов металлов водородом при повышенных давлении и температуре. В автоклавной гидрометаллургии процессы восстановления водородом используют для осаждения меди, никеля, кобальта. Отличительными особенностями процесса являются большая скорость и получение металла в порошкообразном виде. Осаждение металлов из растворов с помощью водорода можно провести селективно, изменяя температуру раствора, давление водорода и рН раствора. Электроположительные металлы (например, медь) могут быть выделены водородом в кислой среде; выделение электроотрицательных металлов возможно со значительной полнотой только из нейтральных и слабощелочных растворов.
Процесс вытеснения металлов из раствора водородом называют еще водородной цементацией. Это означает, что реакция восстановления может протекать только в том случае, если потенциал водорода меньше, чем электродный потенциал металла;




В момент равновесия и реакция осаждения прекращается. Стандартный потенциал водорода . Уменьшить значение потенциала водорода можно повышением рН (уменьшением [H⁺]) или увеличением давления водорода. Более эффективно изменение рН: так, изменение рН на единицу эквивалентно изменению в 100 раз. Вместе с тем необходимо поддерживать и определенное повышенное значение для обеспечения более высокой концентрации водорода в водном растворе.

Осаждение никеля и кобальта. Как уже указывалось, никель и кобальт можно полно осадить из растворов в интервале рН = 4-10. Однако практически это неосуществимо вследствие выделения при высоких значениях рН гидроксидов металлов. Это затруднение устраняется при осаждении никеля и кобальта из растворов, содержащих аммиачные комплексы. Вследствие медленности гомогенного зародышеобразования в раствор необходимо вводить затравку - порошок металлического никеля. Процесс имеет автокаталитический характер: выделяющийся металла ускоряет дальнейшее развитие реакции. Наиболее легко восстанавливаются комплексы Ni(NH₃)₂²⁺ и Co(NH₃)₂²⁺, так как максимальные скорости осаждения наблюдаются при отношении = 2:1, чему соответствует и наибольшая разность потенциалов водорода и никеля.
Восстановление никеля и кобальта по реакциям:


Ni(NH₃)₂SO₄ + H₂ = Ni + (NH₄)₂SO₄


Co(NH₃)₂SO₄ + H₂ = Co + (NH₄)₂SO₄

протекает через ряд последовательных стадий:

1) растворение водорода в водном растворе (быстрая стадия);
2) транспорт водорода к поверхности (скорость зависит от интенсивности перемешивания);
3) активированная адсорбция водорода на поверхности металла (быстрая стадия);
4) реакция восстановления сорбированных комплексных ионов металла водородом на поверхности (медленная стадия);
5) отвод продуктов реакции в объем раствора (быстрая стадия).
Процесс проводят при температуре 180-210 ⁰С, давлении водорода 1,8-3,0 МПа и интенсивном перемешивании. Содержание основного металла (никеля и кобальта) находится в пределах 99,4-99,8 %.
Соединения некоторых металлов восстанавливаются водородом в водных растворах до малорастворимых низших оксидов. Так, ионы урана, ванадия и молибдена восстанавливаются по реакциям: