Технологии производства и обработки кадмия, свойства и применения металла

Содержание
Введение………………………………………………………………………..3
Свойства кадмия……………………………………………………….4
2. Распространение в природе, переработка руд, получение…………….6
3. Применение кадмия………………………………………………………..9
4. Мировые запасы кадмия. Основные потребители………………………13
Заключение……………………………………………………………………..14
Литература………………………………………………………………………15

Введение
Кадмий - химический элемент, высокотоксичный металл. Открыт кадмий был при изучении соединений цинка. Он представляет собой серебристо-белый мягкий металл. Содержится в малых количествах в большинстве цинковых руд, при добывании цинка получается в качестве побочного продукта. Поэтому он неизбежно оказывается в отходах производства этих металлов. Но их не выбрасывают, а стараются переработать, поскольку там есть множество других нужных человеку элементов. Доля кадмия весьма велика — 0,3–0,5% от веса цинкового концентрата, и выбирают его оттуда на 95%.
Свойства кадмия
Кадмий (Cd) — металл серебристо-белого цвета с ярким металлическим блеском и голубоватым отливом. Элемент открыт в 1871 г. Название его происходит от греческого названия цинковой руды, в которой, обнаружен элемент «кадмея».
Кадмий тягуч и ковок, хорошо прокатывается в листы и протягивается в проволоку, он легко режется ножом. При 80°С он становится хрупким.
В атмосфере сухого воздуха кадмий при обычной температуре практически не окисляется. Во влажном воздухе при нормальной температуре на металле медленно образуется тонкая пленка окиси кадмия CdO. В атмосфере промышленных районов, загрязненных SО2 и SО3, кадмий быстро корродирует. При нагревании он образует коричневую пленку окиси, а сильно нагретый кадмий горит, выделяя желто-коричневые ядовитые пары окиси кадмия и окрашивая пламя в красный цвет. При высокой температуре кадмий разлагает пары воды.
При нормальной температуре кадмий устойчив против воздействия щелочей, медленно растворяется в соляной и серной кислотах и легко растворяется в азотной кислоте. Из растворов солей кадмий вытесняется цинком в металлическом виде. Сероводород осаждает кадмий из нейтральных, слабокислых и щелочных растворов в виде канареечно-желтого сульфида CdS.
Таблица 1 Физические и механические свойства кадмия
Атомная масса 112,4
Плотность при 20°С, г/см3 8,65
Температура, °С:  
плавления 321
кипения 767
Скрытая теплота плавления, кал/г13,2
Удельная теплоемкость, кал/г0,0549
Коэффициент теплопроводности при 20 °С, кал/(см·сек·град) 0,222
Удельное электросопротивление  при 20°С,
Ом*мм2/м 0,0683
Твердость отожженного металла НВ 20
Распространение в природе, переработка руд, получение
Кадмий – редкий и весьма рассеянный элемент. Его содержание в земной коре составляет 1,1∙10-5%. Из-за сильного рассеяния он не образует самостоятельных рудных скоплений промышленного значения, а встречается в рудах тяжелых цветных металлов в качестве примеси и извлекается из них как побочный продукт.
Основные минералы кадмия гренокит (CdS) и отавит (CdCO3) находятся в рассеянном состоянии и, как отмечалось выше, самостоятельных месторождений промышленного значения не образуют. Оксид кадмия (CdO) встречается в виде тонкого налета на гальмее и самостоятельных оруденений промышленного значения также не образует. Самородный кадмий в природе не встречается.
Наиболее богаты кадмием цинковые руды: в них содержится от сотых до десятых долей процента кадмия. В свинцовых и медных рудах концентрация кадмия не превышает сотых долей процента.
В процессе пирометаллургической переработки цинковых руд кадмий концентрируется в пылях, улавливаемых из газов спекательных машин (до 5%), и в первых порциях пуссьеры дистилляционных печей (до 10%). Кроме того, при рафинировании цинка в ректификационных колоннах получают пуссьеру, содержащую около 40% кадмия.
На гидрометаллургических цинковых и литопонных заводах получают медно-кадмиевые кеки, содержащие от 3 до 12% кадмия. При шахтной свинцовой плавке кадмий возгоняется и переходит в выносимую с газами из печи пыль, содержащую десятые доли процента кадмия. Аналогично ведет себя кадмий и при плавке медных руд и концентратов.
Таким образом, сырьем для производства кадмия служат следующие полупродукты:
медно-кадмиевые кеки гидрометаллургических цинковых заводов;
кадмийсодержащие отходы литопонных заводов;
пыли и пуссьеры цинковых дистилляционных заводов;
пыли медеплавильных заводов;
пыли свинцовых заводов.
Способы получения кадмия – пирометаллургический, гидрометаллургический и комбинированный – обуславливаются характером перерабатываемого сырья.
Пирометаллургический (сухой) способ производства кадмия, основанный на большой разнице температур кипения кадмия и цинка и на восстановительной способности окислов этих металлов , применяли с 1829 г. Этим способом перерабатывали пуссьеры цинковых дистилляционных печей. Кадмий извлекали из первых порций пуссьеры, богатых кадмием, а пуссьеру, бедную кадмием, возвращали в шихту дистилляции.
Сухой способ получения кадмия заключается в многократной дистилляции смеси пуссьеры с восстановителем в ретортных печах при 700-800°(На тех заводах, где предпочитали возгонку при более высокой температуре, получали загрязненный металл). Процесс дистилляции длится от 12 до 70 часов, и в результате двух-трех перегонок получается чистый металл. Однако извлечение кадмия не превышает 30-40%. Данный метод связан с тяжелыми условиями труда и с большими безвозвратными потерями металла, поэтому теперь не применяется.
Гидрометаллургический способ заключается в следующем. Кадмийсодержащее сырье выщелачивают раствором серной кислоты или отработанным электролитом цинкового производства и затем осаждают из раствора кадмиевую губку цинковой пылью и приготовляют кадмиевый раствор, обрабатывая губку разбавленной серной кислотой или отработанным кадмиевым электролитом. Кадмий из полученного раствора осаждают электролизом, а катодный осадок плавят под слоем каустической соды.
Комбинированный способ состоит из сочетания гидрометаллургических и пирометаллургических операций. Этим способом перерабатывают пуссьеры и пыли на некоторых цинковых дистилляционных заводах, а также пыли на свинцовых заводах.
Пыли после соответствующей подготовки выщелачивают разбавленной серной кислотой; из полученного раствора кадмий осаждают в виде губки цинковой пылью или на цинковых пластинках. Губку брикетируют и подвергают дистилляции. Дистилляционный кадмий рафинируют от цинка и талия. На некоторых заводах брикетированную губку плавят под слоем каустической соды, а затем металл рафинируют от цинка, таллия и никеля.
Применение кадмия
Примерно 40% производимого кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы.
У кадмиевых покрытий есть некоторые преимущества по сравнению с цинковыми: они более устойчивы к коррозии, их легче сделать ровными и гладкими. Высокая пластичность таких покрытий обеспечивает герметичность резьбовых соединений. К тому же кадмий, в отличие от цинка, устойчив в щелочной среде.
Однако у кадмирования есть свои проблемы. При электролитическом нанесении кадмия на стальную деталь в металл может проникнуть содержащийся в электролите водород. Он вызывает у высокопрочных сталей так называемую водородную хрупкость, приводящую к неожиданному разрушению металла под нагрузкой. Для предотвращения этого явления в кадмиевые покрытия вводят добавку титана.
Кроме того, кадмий токсичен. Поэтому, хотя кадмированную жесть применяют довольно широко, для изготовления кухонной утвари и тары для пищевых продуктов использовать ее запрещено.
Около 20% кадмия идет на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах (никель-кадмиевых и серебряно-кадмиевых), нормальных элементах Вестона, в резервных батареях (свинцово-кадмиевый элемент, ртутно-кадмиевый элемент) и др.
    Около 20% кадмия используется для производства неорганических красящих веществ (сульфиды и селениды, смешанные соли, например, сульфид кадмия - кадмий лимонный).
Важнейшей областью применения кадмия является производство химических источников тока. Кадмиевые электроды используются в батареях и аккумуляторах. Отрицательные пластины никель-кадмиевых аккумуляторов изготовлены из железных сеток с губчатым кадмием в качестве активного агента. Положительные пластины покрыты гидроксидом никеля. Электролитом служит раствор гидроксида калия. На основе кадмия и никеля изготавливают и компактные аккумуляторы для управляемых ракет, только в этом случае в качестве основы устанавливают не железные, а никелевые сетки.
Процессы, протекающие в никель-кадмиевом щелочном аккумуляторе, можно описать суммарным уравнением:
Cd + 2NiO(OH) + 2H2OCd(OH)2 + 2Ni(OH)2
Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы более надежны, чем свинцовые (кислотные). Эти источники тока отличаются высокими электрическими характеристиками, стабильностью работы, длительным сроком эксплуатации. Их можно зарядить всего за один час. Однако никель-кадмиевые аккумуляторы нельзя подзаряжать без полной предварительной разрядки (в этом отношении они уступают металлогидридным аккумуляторам).
     Кадмий используется, чтобы управлять способным к ядерному делению элементы в ядерных реакторах. Наряду с никелем, этим используется в электрических аккумуляторных батареях.
Основанные на кадмии сплавы используются в высокоскоростные двигатели внутреннего сгорания. Сплавы медного кадмия обладают высокой силой, высокая проводимость и высокое сопротивление трению и поэтому, сплавы используются в электрическом провода передачи. Главное использование кадмия находится в гальванопокрытиях, так как с помощью данного металла можно сделать очень тонкое покрытие, чтобы защитить железо, сталь, медные сплавы и другие металлы и сплавы от коррозии.     Искрящиеся золотисто-желтые формы сульфида кадмия, оранжево-красные, или красновато-коричневые пигменты, используемые в краска, эмаль, мыло, резина, стекло и керамика глазурь. Некоторые соли кадмия также используются в фотографические фильмы и в литографии.     Кадмий применяется в производстве батарей Ni-Cd, которые, в свою очередь, используются в электронных устройствах. Азия - основной рынок для таких батарей.
Из сплава кадмия с медью (кадмиевая бронза) изготовляют телефонные и троллейные провода; срок службы таких проводов по сравнению с проводами из чистой  меди значительно больше. Сплав кадмия цинком используют в качестве припоя для  алюминиевой бронзы. Сплавы кадмия  свинцом, оловом и висмутом обладай большой легкоплавкостью и их применяй для изготовления электрических предохранителей, пожарных сигнализаторов и автоматических огнетушителей.
Кадмий входит также в состав некоторых  высококачественных подшипниковых сплавов и в нержавеющие платиново-железные  сплавы с малым коэффициентом расширения, применяемые в часовых механизмах точных приборах. Один из электродов щелочных аккумуляторах делают из сплав кадмия с железом.
Большинство кадмиевых солей, а также пары металлического кадмия ядовиты.
Кадмий входит в легкоплавкого сплава Вуда (Wood's metal), содержащего 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова, 12,5 % кадмия. Сплав Вуда можно расплавить в кипящей воде. Легкоплавкие сплавы кадмия используют как материал для получения тонких и сложных отливок, в автоматических противопожарных системах, для спайки стекла с металлом. Припои, содержащие кадмий, довольно устойчивы к температурным колебаниям.
Применяется кадмий главным образом для защитных покрытий и в виде сплавов. Кадмиевые покрытия более стойки, чем цинковые в щелочных и солевых средах, и широко применяются для защиты от коррозии металлических изделий, работающих в контакте с морской водой и солеными растворами, а также для защиты деталей и машин, работающих в закрытых помещениях с умеренной или сильной влажностью или в наружной атмосфере с неагрессивной средой. Они не пригодны для защиты от коррозии в атмосфере, загрязненной SO2, от коррозионного действия бензина и масла, а также водопроводных труб, пищевых резервуаров и предметов домашнего обихода — из-за ядовитости соединений кадмия.
Кадмий применяют в стекольной промышленности, в живописи (лучшая желтая краска), а также в пиротехнике для получения синего пламени. Галоидные соли кадмия используют в фотографии. Кадмий более других элементов склонен поглощать нейтроны, которые служат для расщепления урана, поэтому его применяют в атомном котле для управления реакцией распада урана.
Немало кадмия идет для приготовления сплавов. Присадка кадмия к меди существенно повышает ее механические свойства. При добавлении к электролитной меди от 0,5 до 1,2% Cd увеличивает ее сопротивление на разрыв более чем в два раза, твердость – на 20-22 ед. по Бринеллю, а прочность на истирание – в три раза. Проволока из меднокадмиевого сплава обладает механическими свойствами фосфористой или кремнистой бронзы при сохранении 96% электропроводности чистой меди. Добавка кадмия в подшипниковые сплавы (от 2,75 до 18%) существенно снижает их коэффициент трения.
Кадмий входит в состав многих припоев и легкоплавких сплавов. В припоях 1 часть кадмия заменяет 5 частей олова. Кадмийсодержащим припоем можно паять в горячей воде. Серию легкоплавких кадмиевых сплавов, имеющих температуру плавления от 60 до 300°, используют в замках для автоматического пожаротушения и электрических предохранителях.
Мировые запасы кадмия. Основные потребители.
   Мировые запасы кадмия оцениваются геологической службой США в размере 560 тысяч тонн. Самые большие запасы имеются в Китае, Австралии, Перу, Мексике и России. Вместе они составляют около 300 тысяч тонн. Кадмий извлекается из цинковых руд, либо производится при переработке отслуживших свой срок кадмийсодержащих изделий (обычно батарей). Отношение цинк-кадмий в типичном цинковом месторождении составляет от 200:1 до 400:1.
 Мировое производство кадмия в последние годы составляет более 20 тыс. тонн. Большинство кадмия в мире (приблизительно 55%), производится в Азии и странах Тихого океана. Китай, Республика Корея, Япония, Канада, Мексика, Казахстан и США также являются важным производителями.    Вторичное производство кадмия в мире составляет около 20% полного металлического производства. Большая часть вторичного металла производится при переработке Ni-Cd батарей в Азии, Европе и Соединенных Штатах. В Японии, переработкой Ni-Cd батарей занимаются Kansai Catalyst Company Limited, Mitsui Mining and Smelting Company Limited и Toho Zinc Company Limited. В Европе, переработка Ni-Cd батарей осуществляется на заводе Accurac GmbH в Германии, Soft AB`s Plant в Швеции и Societe Nauvelle Nauvelle D`Affiinage des Metaux во Франции. Таким образом, почти весь кадмий в Ni-Cd батареях утилизируется. Китай, Бельгия и Япония безусловно самые большие в мире потребители кадмия.
Заключение
В многогранной деятельности кадмия есть и негативные стороны. Несколько лет назад один из сотрудников службы здравоохранения США установил, что существует прямая связь между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и содержанием кадмия в атмосфере. Этот вывод был сделан после тщательного обследования жителей 28 американских городов. В четырех из них — Чикаго, Нью-Йорке, Филадельфии и Индианополисе — содержание кадмия в воздухе оказалось значительно выше, чем в остальных городах; более высокой была здесь и доля смертных случаев в результате болезней сердца.
Пока медики и биологи определяют, вреден ли кадмий, и ищут пути снижения его содержания в окружающей среде, представители техники принимают все меры к увеличению его производства. Если за всю вторую половину XIX столетия было добыто лишь 160 тонн кадмия, то в конце 20-х годов прошлого века ежегодное производство его составляло уже примерно 700 тонн, а в 50-х годах оно достигло 7000 тонн (ведь именно в это время кадмий обрел статус стратегического материала, предназначенного для изготовления стержней атомных реакторов). И в XXI веке использование кадмия только возрастет, благодаря его незаменимым свойствам.
Литература
1. Дзлиев И.И. Металлургия кадмия. М.: Металлургиздат, 1962.
2. Крестовников А.Н. Кадмий. М.: Цветметиздат, 1956.
3. Романтеев, Ю. П. Металлургия тяжелых цветных металлов. Свинец. Цинк. Кадмий / Ю.П. Романтеев, В.П. Быстров. - М.: Издательский Дом МИСиС, 2010..
4. Чижиков, Д. М. Кадмий / Д.М. Чижиков. - М.: Издательство Академии Наук СССР, 2002. - 228 c.
5. Популярная библиотека химических элементов. М., Наука, 19776. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М., Химия, 1992