СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФАТОВ КОБАЛЬТА (II)-АММОНИЯ
METHOD OF OBTAINING COBALT (II)-AMMONIUM PHOSPHATES

Изобретение относится к промышленной экологии и к химической технологии неорганических веществ, в частности к способам переработки токсичных отходов получения гальванических и химических покрытий и к способам получения фосфатов кобальта. Изобретение может использоваться для переработки следующих жидких отходов производства: отработанных растворов гальванического кобальтирования, отработанных растворов химического кобальтирования.
В промышленности применяются электрохимические (из сульфатных, сульфаматных, фтороборатных, хлоридных электролитов) и химические (растворы с гипофосфитом, тетрагидридоборатом, гидразином, диалкиламиноборанами, триалкилсилиламинами и другими веществами в качестве восстановителя) технологии получения покрытий кобальтом, сплавами кобальт-фосфор, кобальт-бор, кобаль-кремний и другими на стали, алюминии, пластических массах, стекле, керамике. Отходы производства - отработанные растворы кобальтирования являются токсичными из-за высокого содержания в них кобальта (II) (Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов V-VIII групп (под ред. Филова В.А.). Л.: Химия. 1989. 592 с.) и других веществ. Кобальт (II) оказывает на организм человека общетоксическое действие. С другой стороны, кобальт является ценным цветным металлом, поэтому его необходимо извлекать из жидких отходов получения покрытий кобальтом до их сброса в общий поток промывных сточных вод, чтобы избежать перехода кобальта в трудноутилизируемый гальванический шлам. Одним из способов возвращения кобальта в хозяйственный оборот является его осаждение из отработанных растворов кобальтирования в форме химических соединений, имеющих высокую товарную стоимость. Заявленное изобретение позволяет получать из отработанных растворов, содержащих кобальт (II), чистые кристаллические фосфаты кобальта (II)-аммония, которые применяются в промышленности и в сельском хозяйстве. В качестве реагентов для получения целевых продуктов в заявленном способе используют нетоксичные и недорогие вещества: фосфорную кислоту, фосфаты аммония, аммиак.
Известен способ получения фосфатов кобальта(II)-аммония, включающий приготовление реакционного водного раствора, содержащего кобальт(II), фосфат и аммоний, образование осадка фосфата кобальта(II)-аммония и его отделение от раствора, в котором источником кобальта(II) является сульфат кобальта(II) (Лапина Л.М. Металламмонийфосфаты и новые области их применения // Успехи химии. 1968. Т. 37. № 9. С. 1626-1641). Недостатком способа является необходимость материальных затрат на сульфат кобальта(II). Способ не предусматривает утилизацию жидких отходов получения покрытий кобальтом.
Известен способ получения фосфатов кобальта(II)-аммония, включающий приготовление реакционного водного раствора, содержащего кобальт(II), фосфат и аммоний, образование осадка фосфата кобальта(II)-аммония и его отделение от раствора, в котором источником кобальта(II) является хлорид кобальта(II) (Bassett H., Bedwell W.L. Studies of phosphates. Part I. Ammonium magnesium phosphate and related compounds // J. Chem. Soc. 1933. P. 854-871. Лапина Л.М. Металламмонийфосфаты и новые области их применения // Успехи химии. 1968. Т. 37. № 9. С. 1626-1641). Недостатком способа является необходимость материальных затрат на хлорид кобальта(II). Способ не предусматривает утилизацию жидких отходов получения покрытий кобальтом.
Известен способ получения моногидрата фосфата кобальта(II)-аммония, включающий приготовление реакционного водного раствора, содержащего кобальт(II), фосфат и аммоний, образование осадка моногидрата фосфата кобальта(II)-аммония и его отделение от раствора, в котором источником кобальта(II) является соединение кобальта(II), растворимое в ортофосфорной кислоте (оксид, гидроксид, карбонат, хлорид, сульфат, нитрат, силикат) (Salutsky M.L., Lee F.S., Bridger G.L. Process for preparing metal ammonium phosphates. US Patent № 3126254. Опубл. 1964). Недостатком способа является необходимость материальных затрат на соединение кобальта(II). Способ не предусматривает утилизацию жидких отходов получения покрытий кобальтом.
Наиболее близким к заявленному является способ получения фосфатов кобальта(II)-аммония, включающий приготовление реакционного водного раствора, содержащего кобальт(II), фосфат и аммоний, образование осадка фосфата кобальта(II)-аммония и его отделение от раствора, в котором источником кобальта(II) является раствор с концентрацией сульфата кобальта 138 г/л (Химическая технология неорганических веществ. Книга 2 (под ред. Ахметова Т.Г.). М.: Высшая школа. 2002. С. 487). Источником фосфата и аммония в способе по прототипу является фосфат аммония или смесь гидрофосфата аммония и аммиака. При 20°С из раствора получают гексагидрат фосфата кобальта(II)-аммония, а при 40-45°С и 60°С получают моногидрат фосфата кобальта(II)-аммония. Недостатком способа является необходимость материальных затрат на сульфат кобальта. Способ не предусматривает утилизацию жидких отходов получения покрытий кобальтом.
Целью заявленного изобретения является снижение материальных затрат на получение фосфатов кобальта(II)-аммония, расширение арсенала способов переработки отработанных растворов гальванического и химического кобальтирования.
Поставленная цель достигается тем, что способ получения фосфатов кобальта(II)-аммония включает приготовление реакционного водного раствора, содержащего кобальт(II), фосфат и аммоний, образование осадка фосфата кобальта(II)-аммония и его отделение от раствора. Новым в заявленном способе является то, что в качестве источника кобальта(II) используют жидкий отход получения покрытий кобальтом - отработанный раствор гальванического кобальтирования и/или отработанный раствор химического кобальтирования. Для получения фосфатов кобальта(II)-аммония желательно использовать отработанный раствор гальванического кобальтирования, содержащий в качестве основных компонентов сульфат кобальта(II), борную кислоту, хлорид натрия, или отработанный раствор гальванического кобальтирования, содержащий в качестве основных компонентов сульфат кобальта(II), борную кислоту, сульфат аммония, или отработанный раствор гальванического кобальтирования, содержащий в качестве основных компонентов хлорид кобальта(II), борную кислоту, или отработанный раствор гальванического кобальтирования, содержащий в качестве основных компонентов сульфамат кобальта(II), хлорид кобальта(II), борную кислоту. Для получения фосфатов кобальта(II)-аммония желательно использовать отработанный раствор химического кобальтирования, содержащий в качестве основных компонентов сульфат кобальта(II), диметиламиноборан, борную кислоту, уксусную кислоту, ацетат натрия, или отработанный раствор химического кобальтирования, содержащий в качестве основных компонентов сульфат кобальта(II), диметиламиноборан, борную кислоту, сукцинат натрия. В качестве источника фосфата желательно использовать фосфорную кислоту или фосфат аммония, или гидрофосфат аммония, или дигидрофосфат аммония, или минеральное удобрение аммофос и/или диаммофос. В реакционном водном растворе желательно создавать рН от 5,0 до 9,5 и задавать начальное мольное соотношение кобальт(II):фосфат:аммоний, равное 1,0:(1,5-20,0):(1,5-40,0).
Заявленный способ получения фосфатов кобальта(II)-аммония заключается в приготовлении реакционного водного раствора, содержащего в качестве основных компонентов кобальт(II), фосфат-ионы и катионы аммония, путем смешивания отработанного раствора кобальтирования с реагентами, являющимися источником фосфат-ионов и катионов аммония. Отработанными растворами кобальтирования являются отработанные растворы гальванического кобальтирования и отработанные растворы химического кобальтирования различного химического состава, взятые по отдельности или в любом сочетании. При необходимости значение рН реакционного водного раствора корректируют путем прибавления минеральной кислоты, предпочтительно ортофосфорной кислоты, или основания, предпочтительно раствора аммиака. Полученный раствор с осадком выдерживают заданное время, предпочтительно при постоянном или периодическом перемешивании, для формирования компактного кристаллического осадка фосфата кобальта(II)-аммония, затем осадок отделяют от раствора. При необходимости целевой продукт промывают растворителем и высушивают при обычной или повышенной температуре.
Способ получения фосфатов кобальта(II)-аммония основан на химических реакциях, например:
Для получения фосфатов кобальта(II)-аммония желательно использовать отработанные растворы гальванического кобальтирования, отработанные растворы гальванического осаждения сплавов кобальт-фосфор, кобальт-бор, кобальт-кремний и других, отработанные растворы осаждения кобальта и его сплавов в гальванопластике, отработанные растворы химического кобальтирования (Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М.: Химия. 1979. С. 295. Левинзон A.M. Электролитическое осаждение металлов подгруппы железа. Л.: Машиностроение. 1983. С. 93. Беленький М.А., Иванов А.Ф. Электроосаждение металлических покрытий. Справочник. М.: Металлургия. 1985. С. 106. Садаков Г.А. Гальванопластика. М.: Машиностроение. 1987. С. 55, 204. Гальванотехника. Справочник (под ред. Гинберга A.M., Иванова А.Ф., Кравченко Л.Л.). М.: Металлургия. 1987. С. 201. Шалкаускас М., Вашкялис А. Химическая металлизация пластмасс. Л.: Химия. 1985. С. 114. Горбунова К.М., Никифорова А.А., Садаков Г.А. Физико-химические основы процесса химического кобальтирования. М.: Наука. 1974. 219 с. Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесённые химическим способом. Л.: Машиностроение. 1985. С. 53), которые имеют состав, например:
4
3
4
4
2
4
4
2
4
Для получения фосфатов кобальта(II)-аммония в качестве источника фосфата можно использовать фосфорную кислоту (например, в виде 10-88%-ного водного раствора), растворимые в воде фосфаты аммония (фосфат аммония (ΝΗ)ΡO, гидрофосфат аммония (ΝΗ)ΗΡO, дигидрофосфат аммония ΝΗΗΡΟ), взятые по отдельности или в любом сочетании, а также минеральные удобрения аммофос (содержит 85-90% дигидрофосфата аммония и 5-7% гидрофосфата аммония) и/или диаммофос (содержит в основном гидрофосфат аммония) (Химическая технология неорганических веществ. Книга 2 (под ред. Ахметова Т.Г.). М.: Высшая школа. 2002. С. 486), а в качестве источника аммония можно использовать фосфаты аммония и/или аммиак.
По экспериментальным данным, чтобы обеспечить высокий выход целевого продукта (высокую степень извлечения кобальта(II) из раствора), в реакционном водном растворе желательно устанавливать рН от 5,0 до 9,5. Это связано с тем, что растворимость фосфатов кобальта(II)-аммония возрастает как в кислой, так и в щелочной среде в результате реакций:
Кроме того, при высоких рН раствора увеличивается скорость реакции окисления кислородом воздуха кобальта(II) до кобальта(III) (в присутствии аммиака или других лигандов), что снижает эффективность процесса осаждения кобальта.
По экспериментальным данным для получения фосфатов кобальта(II)-аммония с высоким выходом без примеси других фосфатов кобальта(II) и посторонних веществ в реакционном водном растворе следует задавать определенное мольное соотношение кобальт(II):фосфат:аммоний. Если в растворе на 1 моль кобальта(II) приходится менее 1,5 моль фосфата и менее 1,5 моль аммония, то целевой продукт может быть загрязнен фосфатом кобальта(II) состава  С увеличением мольного соотношения фосфат:кобальт(II) возрастает выход целевого продукта, но при высоких мольных соотношениях фосфат:кобальт(II) этот рост замедляется. Поэтому для получения фосфатов кобальта(II)-аммония желательно готовить реакционный водный раствор, содержащий кобальт(II), фосфат и аммоний в мольном соотношении 1,0:(1,5-20,0):(1,5-40,0).
Примеры получения фосфатов кобальта(II)-аммония из отработанных растворов гальванического кобальтирования.
Пример 1.
10 мл отработанного раствора гальванического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 0,55 моль/л, сульфата аммония 0,52 моль/л, борной кислоты 0,48 моль/л разбавляют водой до 50 мл, растворяют 1,26 г дигидрофосфата аммония и при перемешивании прибавляют 1,7 мл 25%-ного раствора аммиака. Через 3 суток (рН раствора 8,1) кристаллический осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, промывают сначала 1%-ным раствором гидрофосфата аммония, затем быстро промывают водой и этанолом. Высушивают осадок на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Степень осаждения кобальта(II) 99,95 %. Найдено, %: Со - 21,1; N - 4,8; Ρ - 10,9. Для  вычислено, %: Со - 21,04; N - 5,00; Ρ - 11,06.
Пример 2.
К 10 мл отработанного раствора гальванического кобальтирования с концентрациями хлорида кобальта 1,5 моль/л, борной кислоты 0,50 моль/л сначала прибавляют 100 мл воды, затем при перемешивании прибавляют 7,0 мл 25%-ного раствора аммиака, 4,0 мл 88%-ного раствора ортофосфорной кислоты и дополнительно раствор аммиака до достижения рН 6,6. Через 30 минут осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, несколько раз промывают 1%-ным раствором гидрофосфата аммония, затем быстро промывают водой и, наконец, этанолом. Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре в течение нескольких часов. Степень осаждения кобальта(II) 99,96 %. Найдено, %: Со - 21,1; N - 4,7; Ρ -11,2. Для  вычислено, %: Со - 21,04; N - 5,00; Ρ -11,06.
Пример 3.
К 10 мл отработанного раствора гальванического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 1,5 моль/л, хлорида натрия 0,27 моль/л, борной кислоты 0,59 моль/л сначала прибавляют 50 мл воды, затем при перемешивании 2,9 мл 80%-ного раствора ортофосфорной кислоты и 25%-ный раствор аммиака до достижения рН 5,8. Через сутки кристаллический осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, несколько раз промывают 1%-ным раствором гидрофосфата аммония, затем быстро промывают водой и этанолом. Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре в течение нескольких часов. Степень осаждения кобаль-та(+2) 93,6 %. Найдено, %: Со - 21,3; N - 4,7; Ρ - 10,8. Для  вычислено, %: Со - 21,04; N - 5,00; Ρ - 11,06.
Пример 4.
К 40 мл раствора, содержащего 2,88 г гидрофосфата аммония, при перемешивании прибавляют 10 мл отработанного раствора гальванического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 0,55 моль/л, сульфата аммония 0,52 моль/л, борной кислоты 0,48 моль/л. Через 8 суток (рН раствора 6,9) осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, по несколько раз промывают водой и этанолом. Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Степень осаждения кобальта(+2) 99,97 %. Найдено, %: Со - 31,0; N - 7,5; Ρ - 16,1. Для  вычислено, %: Со - 31,02; N- 7,37; Ρ - 16,31.
Примеры получения фосфатов кобальта(II)-аммония из отработанных растворов химического кобальтирования.
Пример 5.
К 100 мл отработанного раствора химического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 0,050 моль/л, диметиламиноборана 0,002 моль/л, уксусной кислоты 0,25 моль/л, ацетата натрия 0,32 моль/л, борной кислоты 0,29 моль/л при перемешивании прибавляют сначала 10 мл 25%-ного раствора аммиака, а затем 85%-ный раствор ортофосфорной кислоты до достижения рН 6,8. Через 2 суток осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, промывают сначала 1%-ным раствором гидрофосфата аммония, затем быстро водой и этанолом. Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Степень осаждения кобальта(II) 99,8 %. Найдено, %: Со - 21,2; N - 4,8; Ρ - 10,7. Для  вычислено, %: Со - 21,04; N - 5,00; Ρ - 11,06.
Пример 6.
К 100 мл отработанного раствора химического кобальтирования с концентрациями хлорида кобальта 0,15 моль/л, диметиламиноборана 0,002 моль/л, цитрата натрия 0,080 моль/л, молочной кислоты 0,23 моль/л, борной кислоты 0,30 моль/л при перемешивании прибавляют сначала раствор 7,9 г гидрофосфата аммония в 20 мл воды, затем 25%-ный раствор аммиака до достижения рН 5,6. Через сутки осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, промывают 3 раза водой и этанолом. Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Степень осаждения кобальта(II) 61,0 %. Найдено, %: Со - 20,5; N - 4,6; Ρ - 10,5. Для  вычислено, %: Со - 21,04; N - 5,00; Ρ - 11,06.
Пример 7.
Смешивают 100 мл отработанного раствора химического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 0,078 моль/л, диметиламиноборана 0,003 моль/л, янтарной кислоты 0,15 моль/л, борной кислоты 0,19 моль/л, сульфата натрия 0,10 моль/л и раствор 3,09 г гидрофосфата аммония в 10 мл воды. К полученному раствору при перемешивании прибавляют 1,4 мл 25%-ного раствора аммиака. Через сутки осадок (рН раствора 6,2) отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, быстро промывают сначала водой, затем этанолом и высушивают на воздухе при комнатной температуре в течение 1-2 часов. Степень осаждения кобальта(II) 99,0 %. Найдено, %: Со - 21,2; N - 4,7; Ρ - 11,0. Для  вычислено, %: Со -21,04;Ν-5,00; Ρ-11,06.
Примеры получения фосфатов кобальта(II)-аммония из смеси отработанного раствора гальванического кобальтирования и отработанного раствора химического кобальтирования.
Пример 8.
Смешивают 10 мл отработанного раствора гальванического кобальтирования с концентрациями хлорида кобальта 1,5 моль/л, борной кислоты 0,50 моль/л и 100 мл отработанного раствора химического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 0,063 моль/л, диметиламиноборана 0,001 моль/л, уксусной кислоты 0,13 моль/л, ацетата натрия 0,37 моль/л, борной кислоты 0,30 моль/л и прибавляют при перемешивании сначала раствор 8,4 г гидрофосфата аммония в 50 мл воды, затем 25%-ный раствор аммиака до достижения рН 7,0. Через 2 суток осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, быстро промывают по 2 раза водой и этанолом.
Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Степень осаждения кобальта(II) 99,6 %. Найдено, %: Со - 21,4; N - 4,9; Ρ - 10,8. Для  вычислено, %: Со -21,04; Ν-5,00; Ρ - 11,06.
Пример 9.
К смеси 10 мл отработанного раствора гальванического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 1,3 моль/л, хлорида натрия 0,27 моль/л, борной кислоты 0,60 г/л и 100 мл отработанного раствора химического кобальтирования с концентрациями сульфата кобальта 0,080 моль/л, диметиламиноборана 0,002 моль/л, янтарной кислоты 0,17 моль/л, борной кислоты 0,22 моль/л, сульфата натрия 0,12 моль/л прибавляют сначала раствор 9,6 г дигидрофосфата аммония в 50 мл воды, затем 25%-ный раствор аммиака до достижения рН 7,3. Через 30 ч осадок отфильтровывают на стеклянном фильтре ПОР 40 при пониженном давлении, быстро промывают сначала 3 раза водой, затем 2 раза этанолом. Вещество высушивают на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы. Степень осаждения кобальта(II) 99,8 %. Найдено, %: Со - 21,0; N - 4,6; Ρ - 11,3. Для  вычислено, %: Со - 21,04; N - 5,00; Ρ - 11,06.
Фосфаты кобальта(II)-аммония имеют высокие технологические характеристики: выделяются из растворов оптимального состава в кристаллической форме, не склонны к образованию коллоидных частиц, захвату посторонних веществ из раствора, быстро оседают и образуют компактные осадки, легко отделяются от раствора фильтрованием или центрифугированием. Из-за низкой растворимости в воде фосфаты кобальта(II)-аммония являются малотоксичными.
Гексагидрат фосфата кобальта(II)-аммония  представляет собой кристаллический порошок розового цвета. Вещество плохо растворимо воде, в водной среде при комнатной температуре постепенно превращается в еще менее растворимый средний фосфат кобальта(II)  Разлагается водными растворами щелочей до гидроксида кобальта(+2). Вещество плохо растворимо в ацетоне, диметилформамиде, диметилсульфоксиде, спиртах (этаноле, изопропаноле, этиленгликоле, глицерине), диоксане, бутилацетате, хлороформе, тетрахлориде углерода, гексане, бензоле. Вещество растворимо в разбавленных минеральных кислотах (серной, соляной, азотной, фосфорной), в 5%-ном растворе динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты, в 5%-ном растворе 1-гидроксиэтан-1,1-дифосфоната калия с рН 7,5, в 5%-ном растворе лимонной кислоты, ацетатном буферном растворе с рН 5,0, в водном растворе уксусной кислоты, но ограниченно растворимо в безводной уксусной кислоте. Вещество растворимо в концентрированном и разбавленном (1 моль/л) растворах аммиака, а также в аммиачном буферном растворе с рН 10,0, водных растворах этилендиамина и диэтилентриамина. Твердый  уже при комнатной температуре теряет кристаллизационную воду, количественно превращаясь в . Скорость обезвоживания  варьируется в широких пределах в зависимости от размеров кристаллов, степени дефектности кристаллической решетки, определяемых химическим составом раствора и условиями осаждения из раствора, и других факторов. Выпавший из раствора оптимального состава хорошо сформированный осадок  без примеси  проявляет довольно высокую стабильность при хранении на воздухе.
Моногидрат фосфата кобальта(II)-аммония  представляет собой кристаллическое вещество фиолетового цвета, которое плохо растворимо в воде. В водной суспензии оно очень медленно гидролизуется до  Вещество плохо растворимо в ацетоне, диметилформамиде, диметилсульфоксиде, спиртах (этаноле, изопропаноле, этиленгликоле, глицерине), диоксане, бутилацетате, хлороформе, тетрахлориде углерода, гексане, бензоле. Вещество растворимо в разбавленных минеральных кислотах, в 5%-ном растворе лимонной кислоты, в водном растворе уксусной кислоты, но нерастворимо в безводной уксусной кислоте. Вещество медленно умеренно растворимо в концентрированном и разбавленном растворах аммиака, растворимо в водном растворе этилендиамина, диэтилентриамина. Вещество разлагается в растворе щелочи с концентрацией 1 моль/л. Твердый  устойчив к выветриванию и окислению кислородом воздуха при комнатной температуре, негигроскопичен.
Как видно из описания изобретения и приведенных примеров, заявленный способ позволяет с минимальной себестоимостью получать фосфаты кобальта(II)-аммония с использованием в качестве сырья жидких отходов получения покрытий кобальтом различного химического состава, извлекать из отработанных растворов кобальтирования более 99,9 % кобальта(II). Химические продукты, полученные заявленным способом, могут использоваться для производства катализаторов органического синтеза, пигментов для художественных красок и пластмасс, микроудобрений в сельском хозяйстве, микроэлементных добавок к поливитаминным препаратам и кормам животных, а также для получения различных соединений кобальта.