Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия:

Е. А. Елисеева, доцент кафедры химии, канд. хим. наук
С. Л. Березина, доцент кафедры химии, канд. техн. наук

Московский педагогический государственный университет, Москва, Россия:
И. Г. Горичев, профессор кафедры химии, докт. хим. наук

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия¹ ; Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия³:
В. С. Болдырев, канд. техн. наук, доцент кафедры химии¹, заведующий отделом «Инжиниринг химико-технологических систем» инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»¹, студент магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга³, эл. почта: boldyrev.v.s@bmstu.ru

Технологии извлечения металлов из рудного сырья, в котором металлы часто присутствуют в виде оксидных и сульфидных соединений, включают стадии химического или электрохимического растворения. В литературе представлено небольшое число публикаций, отражающих детальные исследования, связывающие поверхностные явления оксидов d-металлов с кислотно-основными свойствами и механизмом растворения. В связи с этим актуально выявление кинетических закономерностей процессов, связанных с решением задач по выделению металлов из обедненных руд и вторичного сырья, с процессами выщелачивания и обогащения, поверхностного травления и очистки соединений. В работе приведены результаты изучения кинетики растворения суспензии диоксида циркония методом потенциометрического титрования в водном растворе хлорида калия. Получены кривые титрования при различных концентрациях фонового электролита и значениях рН, установлена зависимость кинетики растворения ZrO2 от кислотности среды. Рассчитаны константы кислотно-основных равновесий на межфазной границе «оксид металла/раствор электролита». С использованием полученных результатов рассчитано распределение поверхностных частиц, образующихся при адсорбции и десорбции ионов водорода. Интерпретация экспериментальных зависимостей проведена путем сравнительного анализа с теоретическими расчетами. Смоделирован процесс растворения. Показано, что растворение оксидной фазы металла является многостадийным и протекает через образование промежуточных адсорбционных комплексов, состав которых связан с величиной поверхностного заряда. Полученные результаты могут быть информативными при изучении кинетических характеристик оксидов d-металлов и использованы в практических приложениях, связанных с растворением оксидов переходных металлов в растворах электролитов.

1. Woodley S. M., Hamad S., Mejias J. A., Catlow C. R. A. Properties of small TiO₂, ZrO₂ and HfO₂ nanoparticles // Journal of Materials Chemistry. 2006. Vol. 16, Iss. 20. P. 1927–1933.
2. Перевалов Т. В., Гриценко В. А. Применение и электронная структура диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью // Успехи физических наук. 2010. Т. 80, № 6. С. 587–603.
3 Waterhouse G. I. N., Chen Wan-Ting, Chan A., Sun-Waterhouse D. Achieving Color and Function with Structure: Optical and Catalytic Support Properties of ZrO₂ Inverse Opal Thin Films // ACS Omega. 2018. Vol. 3, Iss. 8. P. 9658–9674. DOI: 10.1021/acsomega.8b01334.

4. Соколов И. В. и др. Использование MathCad для моделирования и расчета кислотно-основных равновесий. — М. : Прометей, 2007. — 93 с.
5. Devis J. A., Lackie J. O. Surface Properties of Amorphous Iron Oxyhydroxide and Adsorption of Metal Ions // J. Colloid Interface Sci. 1978. Vol. 67, No. 1. P. 100–107.
6. Westall J., Hohl H. A Comparison of electrostatic models for the oxide/solution interface // Adv. Colloid Interface Sci. 1980. Vol. 12, No. 2. P. 265–294.
7. Eliseeva Е. А., Berezina S. L., Goritchev I. G., Plakhotnaya O. N. Anodic dissolution of cobalt in sulfate electrolyte // International Journal of Corrosion and Scale Inhibition. 2022. Vol. 11, No. 1. P. 151–160.
8. Celik E., Elm M. T., Ma Y., Brezesinski T. Ordered mesoporous metal oxides for electrochemical applications: correlation between structure, electrical properties and device performance // Physical Chemistry Chemical Physics. 2021. Vol. 23, No. 18. P. 10706–10735.
9. Valverde N. Considerations on the kinetics and the mechanism of the dissolution of metal oxides in acidic solutions // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1976. Vol. 80, Iss. 4. P. 330–340.
10. Valverde N. Factors determining the rate of dissolution of metal oxides in acidic aqueous solutions // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1988. Vol. 92. P. 1072–1078.
11. Кострикин А. В., Косенкова О. В., Горичев И. Г. и др. Поверхностные комплексы на границе гидратированные диоксиды/водные растворы с различным значением рН // Вестник ТГТУ. 2012. Т. 18, № 1. С. 149–158.
12. Lange F. F., Davis B. I., Aksay I. A. Instationare Untersuchungen zur Kinetik der Sauerstoffelektrode auf stabilisiertem ZrO₂ // Proefschrift Universitaet Dortmund. Lit. opg. 2022. S. 65–71.
13. Wiese G. R., James R. O., Jates D. E., Healy T. W. Electrochemistry of the Colloid/ Water Interface // International Review of Science. 1976. Vol. 6. P. 53–103.
14. Батлер Д. Н. Ионные равновесия. — Л. : Химия, 1973. — 446 с.
15. Елисеева Е. А., Березина С. Л., Болдырев В. С., Чередниченко А. Г. Моделирование процесса растворения оксида железа Fe₃O₄ в кислотной среде // Черные металлы. 2020. № 10. С. 15–20.
16. Batrakov V. V. et al. Constants of acid – base equilibria of the ZrO₂/electrolyte Interface // Rus. Jour. Phys. Chem. 2000. Vol. 74, No. 3. P. 553–558.
17. Noh J. S., Schwarz J. A. Estimation of the point of zero charge of simple oxides by mass titration // J. Colloid Interface Sci. 1989. Vol. 130, No. 1. P. 157–164.
18. Seo M., Sato N. Dissolution of hydrous metal oxides in acid solutions // Boshoku Gijutsu. 1975. Vol. 24. P. 339–402.
19. Davis J., James R., Leckie J. Surface ionization and complexation at the oxide/water interface // J. Colloid Interface Sci. 1978. Vol. 63, Iss. 3. P. 480–499.
20. Hesleitner P., Babic D., Kallay N., Matijevic E. Surface Charge and Potential of colloidal hematite // Langmuir. 1987. Vol. 3, No. 5. P. 815–820.
21. Gayathri V., Balan R. Synthesis and Characterisation of Pure Zirconium Oxide (ZrO₂) Nanoparticle by Conventional Precipitation Method // Journal of Environmental Nanotechnology. 2021. Vol. 10, Iss. 4. Р. 19–21.