Источник: Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. Випуск 134(10) - Донецьк: ДонНТУ, 2008 г., c. 66-70.

    Изучено взаимодействие в системах соль кадмия – пероксидное соединение натрия. Установлено, что в системе протекает обменное взаимодействие, реализация которого возможна в режиме самораспространения. В результате реакции продуктом является оксид кадмия, что позволяет перерабатывать отходы ряда производств с получением ценного продукта.

Самораспространяющееся взаимодействие (СРВ) – это высокоэкзотермическое взаимодействие веществ в конденсированной фазе. В ходе СРВ образуются однородные вещества с малодефектной структурой. Еще одним преимуществом метода самораспространяющегося взаимодействия является осуществление взаимодействия за счет тепла химической реакции, что минимизирует энергозатраты производства. Эти преимущества позволяют широко применять метод СРВ для решения ряда экологических проблем: синтеза различных веществ, для очистки газовых выбросов, обезвреживания стоков, а также для переработки отходов.

Известно, что, несмотря на высокую токсичность (1-й класс опасности), соединения кадмия находят широкое применение в хозяйстве. В результате деятельности гальванических цехов и ряда других производств образуются отходы, содержащие различные соли кадмия. В то же время исходным материалом для получения ценных с точки зрения использования соединений является оксид кадмия. Большинство кислородсодержащих солей кадмия возможно разложить, однако эти процессы эндотермические и реализуются при различных, подчас достаточно высоких температурах (табл.1). Это делает процесс термической переработки отходов, содержащих соли кадмия, экономически невыгодным. Кроме того, эти процессы сопровождаются выделением побочных продуктов: ангидридов кислот, что является нежелательным с точки зрения экологии и оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду. Помимо этого, большинство солей кадмия растворимы, что предъявляет к хранению отходов, содержащих соли кадмия, особые требования. Потому является очень важным разработка методов, позволяющих перерабатывать высокотоксичные отходы с понижением их класса опасности и в тоже время извлекать ценный продукт.

Таблица 1 – Некоторые характеристики кислородсодержащих солей кадмия

Было установлено [2], что самораспространяющееся взаимодействие реализуется в пероксидно-сульфатных системах. Целью данной работы является изучения взаимодействия в системах соль кадмия - пероксид (супероксид) натрия, в том числе изучение условий реализации процесса в режиме СРВ.

Изучались системы CdSO₄ - NaO₂(Na₂O₂), Na₂Cd(SO₄)₂ - Na₂O₂ ,CdСO₃ - NaO₂(Na₂O₂), Cd(NO₃)₂ - NaO₂ (Na₂O₂), CdСl₂ - NaO₂, Cd(СlO₄)₂ - Na₂O₂. Установлено, что в каждой из изученных систем протекает экзотермическая реакция. Определены условия, при которых взаимодействие в системах реализуется в режиме СРВ. Температуры, при которых начинается взаимодействие в системах соль кадмия - пероксидное соединение натрия, а также скорости перемещения фронта СРВ для изученных систем приведены в табл. 2

Таблица 2 – Некоторые данные для изученных пероксидно-солевых систем

*- для фракций соли 0.05мм.

Обращает внимание факт, что взаимодействие в большинстве систем начинается после 240 °С, как и в пероксидно-сульфатных системах. Эта температура определяется превращениями, которые претерпевают пероксидные соединения при этой температуре. Супероксид натрия при этих температурах разлагается до пероксида натрия, и потому в большинстве изученных систем взаимодействие с NaO₂ после стадии разложения аналогично таковому с Na₂O₂. Исключение составляет лишь нитрат кадмия: температура взаимодействия этой соли с пероксидом натрия совпадает с температурой фазового перехода Cd(NO₃)₂ (158°С), а с супероксидом – с температурой плавления эвтектики Cd(NO₃)₂-NaNO₃ (135°С). В этом случае взаимодействие происходит, минуя стадию разложения супероксида натрия. Образование эвтектики в ходе реакции Cd(NO₃)₂ с NaO₂ подтверждается аномально высокими скоростями СРВ при относительно умеренном тепловыделении, а также визуально.

Продукты взаимодействия в каждом случае изучались методами РФА и ИК-спектроскопией, а также химически анализировались. В результате для каждой из систем была предложена схема взаимодействия (табл. 3).

Таблица 3 – Кинетические характеристики взаимодействия пероксидно-солевых систем

Для каждой схемы реакций была составлена математическая модель, что позволило определить кинетические параметры обменного взаимодействия (табл.3).

Таким образом, изучено взаимодействие солей кадмия с пероксидными соединениями натрия. Установлено, что в каждой из систем взаимодействие может быть реализовано в режиме СРВ. Определены параметры взаимодействия. Самораспространяющееся взаимодействие может быть использовано как метод переработки твердых отходов, содержащих соли кадмия. Экзотермические реакции взаимодействия в изученных системах позволяют сделать этот метод экономически более привлекательным, чем традиционные. Еще одним преимуществом этого метода является относительная простота применения. Для осуществления процесса СРВ необходимо высушенные компоненты перемешать и инициировать процесс СРВ высокотемпературным источником. Также достоинством способа СРВ по сравнению с термическим является отсутствие выделения вредных газообразных продуктов в ходе реакции. Действительно, при прохождении эндотермических реакций разложения солей (табл.1) антропогенная нагрузка на атмосферу увеличивается, и требуется установка специального газоочистного оборудования. При реализации реакций СРВ (табл.3) единственным газообразным продуктом является кислород, что подтверждается и экспериментальными данными. Соответственно, процессы не влияют на состояние атмосферного воздуха, и, напротив, в отличие от других экзотермических реакций горения, не уменьшают, а увеличивают содержание кислорода в воздухе. Все вышеперечисленные достоинства метода СРВ делают его перспективным для применения в качестве метода переработки твердых отходов производства, содержащих соли кадмия.

Список литературы

1. Химическая энциклопедия: В 5-ти томах/ под ред. Кнунянц И. Л.- М.: Большая российская энциклопедия, 1992-1995.
2. Шаповалов В. В., Гороховский А. Н. Закономерности самораспространяющегося взаимодействия сульфатов металлов с пероксидными соединениями натрия // Укр. хим. журнал.- 2001.- т. 67, № 2.- с. 85-88.