Физико-химические основы и разработка технологии утилизации отходов производства монокристаллов ниобата лития Деревянко, Алексей Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность работы. В науке и технике на современном этапе развития застающее значение приобретают разнообразные неорганические материалы типа ясных оксидов, обладающие комплексом ценных свойств, используемых в новейших аслях жизнедеятельности.

Метаниобат лития (НЛ) может быть получен в виде достаточно крупных и ершенных монокристаллов. Этот факт вместе с уникальным сочетанием «тоэлектрических, нелинейных, электрооптических и акустических свойств, .эпической прочностью, термической устойчивостью и химической инертностью івлекает к нему все более пристальное внимание исследователей и конструкторов ременных приборов.

На основе монокристаллов НЛ создаются преобразователи частоты лазерного учения, параметрические генераторы света, значительно расширяющие диапазон тупных частот когерентного излучения. Электрооптические свойства НЛ используются модуляторах света. Контролируемое введение примесей позволяет применять эти (сталлы в опто-, акустоэлектронике и для голографической записи информации. В мире шюдается 5-6% рост ежегодного потребления монокристаллов на основе НЛ.

Использование монокристаллов НЛ в этих целях предъявляет особо жесткие :бования к однородности их состава, воспроизводимости и стабильности свойств, большие изменения в составе исходного расплава и условиях роста заметно влияют на шетва монокристаллов, что обусловлено особенностями фазовой диаграммы Li₂0 -

гОз.

Синтез НЛ из исходных реагентов представляется довольно сложной задачей, <одя из требований, предъявляемых к конечному продукту. Для получения материалов гимального состава актуальны активность исходных компонентов, их дисперсность и .шературный интервал, при котором происходит синтез НЛ.

В настоящее время при получении монокристаллов НЛ весьма велико количество кодов, получаемых на всех стадиях передела и достигающее во многих случаях 40%. шытки вторичного использования отходов не увенчались успехом. Учитывая ценность и стоту материалов, весьма важно решить проблему переработки отходов с возвратом

продуктов обратно в процесс. Опробованные до настоящего времени способы утилизаі отходов отличаются шюгостадийностью, большими энергетическими затратами, отвечают современным требованиям технологии. Необходимо также учитыв экологические аспекты производства.

Цели работы. Данная диссертационная работа решает вопросы утилизации отхо, производства монокристаллов НЛ и последующего синтеза шихты для вытягива: монокристаллов с использованием полученной рептгсноаморфной формы оксида ниоС Достижение этой цели потребовало решения нескольких задач: S провести термодинамический анализ реакций вскрытия НЛ, выщелачива

ортониобата лития и синтеза НЛ; S изучить кинетику и механизм твердофазного взаимодействия карбоната и '.

кислотного выщелачивания ортониобата лития, синтеза НЛ из полученк

реитгеноаморфного оксида ниобия; S провести балансовый опыт но утилизации 1 кг отходов и дать рекомендации

предлагаемой технологической схеме.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием совокупности физі химических методов исследований: рентгснофазового анализа на рентгеновс дифрактометре ДРОН-3, дифференциально-термического и термогравиметричесі анализов на дериватографах Q-1500D и ОД-102, масс-спектрального анализа на вторич ионном масс-спектрометре типа РНІ-6300, спектрофотометрического анализа на ато> абсорбционном спектрофотометре типа ЛАЗ-IN; определение удельной поверхні проводилось на газометре ГХ-1.

На защиту выносятся:

результаты исследований кинетических зависимостей давления выделяющегося для реакции вскрытия (отходы и химические реактивы) и синтеза (использов; реитгеноаморфного и стандартного оксида ниобия) в координатах p_COt -\L температурного интервала 673 - 1073 К;

результаты термографических исследований в виде дериватограмм образцов Li₂CO_r

LUvDLJj (отходы uxuw. реактивы)' л^І2^^3'^^2^5 (рентгеноанорфный и стандартный^

результаты расчета кажущейся энергии активации реакции вскрытия НЛ (отходы и химические реактивы), в координатах \gj- ЬС и реакции выщелачивания ортониобата

лития серной, соляной и азотной кислотами, в координатах ;

результаты расчета изменения энтальпии и энтропии реакции вскрытия НЛ и реакции синтеза НЛ, зависимость In p_COi - Vi ;

результаты термодинамических расчетов реакции вскрытия, реакции синтеза в

интервале температур 573 -1273 К и реакций выщелачивать ортониобата лития рядом

реагентов в интервале температур 273 - 373 К в координатах AG - Г;

результаты по изучению влияния температуры, крупности отходов и времени вскрытия

на степень протекания реакции вскрытия для температур 873 -1073 К;

результаты исследований зависимости степени извлечения лития в раствор от времени

для кислот различной концентрации от времени при 60 С;

разработанная принципиальная технологическая схема переработки отходов

производства монокристаллов НЛ.

учиая новизна. Получены, отсутствующие до настоящего времени, некоторые модинамические константы ниобатов лития (LiNb0₃, Li^NbO^ и ниобиевых кислот VbOi, НзМЬОі). На основании экспериментальных данных и с использованием іближешіьгх методов рассчитаны энтальпия, энтропия, энергия Гиббса реакций шования ортониобата лития, разложения его кислотами, а также для реакции синтеза . Определены кинетические параметры уравнений скорости реакций вскрытия НЛ, ложения ортониобата лития и синтеза НЛ. По значениям энергии активации и порядка реагенту установлен механизм вышеуказанных реакций. Установлено, что при :лотном выщелачивании ортониобата лития образуется рентгеноаморфная активная зма Nb₂O_s.

стоеерность научных положений, выводов и заключений основывается на анализе іьшого объема экспериментальных данных, полученных с применением современных

физико-химических методов исследований, и их корреляцией с расчетными данными; н обработке результатов с помощью ЭВМ и на использовании методов математическое планирования и проведения экспериментальных исследований.

Практическая значимость. Разработана технология утилизации отходов производств монокристаллов ШІ, включающая вскрытие отходов спеканием с карбонатом литш последующее кислотное выщелачивание ортониобата лития и синтез НЛ из полученног рентгеноаморфного оксида ниобия. Преимущества данной технологии: отсутстви введения других элементов в схему, малостадийность, использование стандартное аппаратурного оформления, возможность оборотного использования карбоната лития н вскрытии отходов и невысокий расход реагентов. Синтез НЛ из активной формі рентгеноаморфного оксида ниобия снижает температуру процесса на 200 - 300 С, чт уменьшает потери дорогостоящих солей лития. Синтезированный при 600 С HJ удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сырью для вытягивания монокристаллої Ориентировочная оценка экономической эффективности предлагаемой технологи: показала ее высокую рентабельность.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих научно технических конференциях и семинарах:

1. Конференция студентов и молодых специалистов МИСиС, г. Москва, 1997 г.

2. Международный семинар «Экология и бизнес: трансфер технологий», г. Москве 1995г.

3. IV Международная конференция: «Кристаллы: рост, свойства, реальная структур* применение» и IX- Международная термобарогеохимическая конференция, і Александров, 1999 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общи выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 225 страница машинописного текста, содержит 65 рисунков, 59 таблиц и семь приложение Библиография включает 259 источников.