КІРІСПЕ

Қазіргі өмірді электроникасыз, атомдық және радиациялық техникасыз, жартылай өткізгіш өнеркәсібінсіз көзге елестету өте қиын. Осы аталып кеткен және көптеген басқа салаларда кадмий өзінің бағалы физико-химиялық және жартылай өткізгіштік қасиеттерінің арқасында таптырмайтын өнім болып табылады [1].

Мырышқұрамды шикізатты гидрометаллургиялық әдіспен өңдеу кезінде пайда болатын мыс-кадмийлі кектер кадмийді алу үшін негізгі бастапқы шикізат болып табылады. Кадмийден бөлек мырыш кендері де индий, галлий, таллий, селен, теллур сияқты бірқатар серіктес элементтердің көзі болып табылады. Бұл элеметтер қазіргі уақыттағы электрониканың, жартылай өткізгішті техниканың және күн сәулесі энергеткасының негізі болып табылады. Техниканың аталынып кеткен салаларының жылдам дамуы шашыраңқы элементтердің қажеттілігінің өсуіне әкеліп соғады. Бұл қажеттілікті технологиялық процесстерді қарқындатпай және тиімді технологиялық әдістерді қолданбай қанағаттандыру мүмкін емес.

Осы мәселенің сәтті шешілуіне кадмийдің химиялық технологиясына экстракциялық және сорбциялық процесстерді кеңінен енгізу мүмкіндік болуы қажет. Қазіргі уақытта бұл процесстер көптеген сирек, радиоактивті, түсті металдарды тазартуда және бөліп алуда тиімді қолданылады.

Экстракция және сорбция процесстері жоғары өнімділігімен және таңдамалылығымен ерекшеленеді. Бұл бағалы компоненті аз мөлшердегі күрделі құрамды көп көлемдегі ерітінділерден кадмийді бөліп алу үшін өте маңызды.

Кадмийді сілтілік ортадан бөліп алу үшін көптеген экстрагенттер ұсынылды. Әдетте бұл экстрагенттер азот құрамды хелат түзеуші реагенттер қатарына жатады.

Сондықтан осы жұмыстың мақсаты НБЭА-2 экстрагентін қолдану арқылы кадмийдің сілтілік ерітінділерінен кадмийді сұйықтық экстракциялау процессін зерттеу болып табылады.

1 Әдебиеттерге аналитикалық шолу

1.1 Қазіргі заман ғылымы мен техникасында кадмий және кадмий қосылыстарының ерекше қасиеттерін қолдану

Негізінде кадмий темірді тат басудан қорғау мақсатында электролиттік жабу үшін, сонымен қатар қорытпалар мен бояулар өндірісі үшін қолданылады. Қорғағыш жабынды ретінде кадмий мырыш пен никельге қарағанда айрықша артықшылыққа ие. Кадмиймен қапталған бөлшектер едәуір созылмалы болып келеді, сол себепті осындай бөлшектерді қалыптауға және таңбалауға болады. Кадмиймен қапталған бөлшектер мырышпен қапталған бөлшектерге қарағанда оңай пісіріледі. Өнімнің беті зақымданған кезде кадмийлі қаптамалар қабаттанбайды, бұл мырыш немесе никельді қаптамаларда байқалынады.

Химиялық төзімділігі бойынша сілтілі және тұзды орталарда кадмийлі қаптамалар мырышты қаптамаларға қарағанда төзімді болып келеді. Сол себепті кадмийлі қаптамалар қабаттың бірдей немесе одан да төмен қалыңдығы кездегі мырышты қаптамаларға қарағанда едәуір қорғағыш қасиетіне ие болып келеді. Мырышты қаптамалармен салыстырғанда кадмийлі қаптамалар едәуір боямалы болғандықтан кадмийлендіру кеңінен қолдануға енгізілген. Әдеттегідей, бұндай қаптамалар әрдайым қатты тот басуға ұшырайтын бөлшектер үшін қауіпсіздендіретін қаптама ретінде қолданылады, бірақ айтарлықтай механикалық күштерді қабылдамайды [2].

Кадмийлі қаптамаларды қолданудың негізгі аймақтары:

1. Теңіз суы және оған ұқсас ерітінділермен байланысатын металдық бұйымдарды тоттанудан қорғау, мырышты қаптамалар бұл жағдайларда жарамсыз болып келеді;

2. Орташа немесе өте ылғалды жабық бөлмелерде жұмыс істейтін машина бөлшектерін тоттанудан қорғау;

3. Электрлік контактілерді тоттанудан қорғау.

Кадмийдің көп мөлшерін антифрикциялық және тез балқығыш қорытпалар өндірісінде, бағалы металдар қорытпасы өндірісінде қолданады. Антифрикциялық қорытпалар 80%-ға дейін Cd құрайды. Мойынтірек қоспаларына кадмийді қосу арқылы оларды ұзақ қолдану кезіндегі үйкелістің төменгі коэффициентіне жетеді. Құрамында 98,3 – 98,5% Cd және әртүрлі мөлшерде никель, күміс, мыс бар қорытпалар әдетте жоғары жылдамдық пен температура кезінде істейтін іштен жанатын қозғалтқыштарда қолданылады. Судың қайнау нүктесінен төмен қайнау температурасына ие кадмийдің мырышпен, қалайымен және висмутпен оңай балқитын қорытпалары көп таралған. Бұл қорытпаларды электрлік тежегіштерді, өрт хабарлағыштарды, автоматтандырылған өртсөндіргіштерге және булық қазандарға арналған сақтандырғыштарды жасап шығаруда қолданады.

Мыс пен кадмий қорытпаларынан телефон және трамвай сымдарын жасап шығарады. Шамамен 1% Cd қосқан кезде мыс сымы электрөткізгіштігінің аздап төмендеуі кезінде оның беріктігі еке есе ұлғаяды. Мыс–цирконий–кадмий қорытпасы жоғарывольтті беріліс желілерінде қолданылады және мыс-кадмийлі қорытпаларға қарағанда аса жоғары төзімділігі мен беріктікпен ерекшеленеді [3].

Металдық кадмийді Вестонның қалыпты кадмийлі элементтеріне және аккумуляторларға арналған элктродтар дайындау үшін қолданады. Кадмийлі электродтары бар аккумуляторлар қорғасынды электродтары бар аккумуляторлардан ерекшеленеді, олар толық тоғынан айрылған күйінде де өзінің қасиеттерін жоғалтпай еркінше ұзақ мерзімде жарамды болады. Әсіресе кадмий-никельді аккумуляторлар кеңінен қолданылады. Барлық американдық серіктеріндегі аппаратуралар кадмий-никельді батареялардан өріс алады.

Кадмий зергерлік өнер саласында алтынмен екілік қоспа (жасыл түс), алтын және күміспен үштік қоспа түрінде қолданылады. Кадмий бағалы металлдардан жасалған бұйымдарға әртүрлі реңк береді.

Металдық кадмий атомдық реакторларды жасау кезінде қолданылады. Жылулық нейтрондар қармауының үлкен қимасына ие кадмий нейтрондарды жақсы сіңіргіш болып табылады, бұл оны атомдық реакциялар жылдамдығын реттейтін бақылау білігі үшін қолдануға мүмкіндік береді.

Кадмийді радиотехникада, әсіресе, фотоэлементтер ретінде қолданады. Кадмий қоспалары–теллуридтер, селенидтер, сульфидтер фотоэлектрлік құралдарда қолданылатын тиімді жартылай өткізгіш материалдар болып табылады. Мысалы, кадмий сульфиді тиым салынан аймағының ені 2,42 эВ болатын кен аймақты жартылай өткізгіш болып табылады. Оптоэлектроникада пайдалы CdS бұл қасиеті фотосезімтал құрылғыларда сияқты фотогальваникалық құрылғыларда да қолданылады. Оны фоторезисторлар (электрлік кедергісі жарықтылықтың өзгеруінен тәуелді құралдар) жасап шығаруда қолданады. Кадмий теллуриді (CdTe) және мырыш-кадмий теллуриді (CdZnTe) электрооптикалық модуляторларды, радиациялық және ИҚ-сәуле шығару қабылдағыштарды, сонымен қатар басқа да ИҚ-оптикалық жүйелердің оптикалық элементтерді жасап шығаруда қолданылады. CdTe – күн сәулесі батареяларында және радиацияның детекторларында қолданылады [4]. CdTe жұқа қабықшасы негізіндегі 1-ші суретте көрсетілген құрылымы бар өнеркәсіптік күн сәулелі элементтер (КСЭ) қазіргі уақытта ПӘК 10 %-ға дейін жетеді, ал жуық жылдарда ол 15 %-ға дейін өсуі көзделуде.

Көлемі 1 шаршы метр КСЭ өңдеп шығару үшін шамамен 10 г теллур және 9 г кадмий қажет. Қазіргі уақытта ПӘК 10% болған кезде 1 ГВт генерация үшін 100 т теллур қажет етіледі [5].

Кадмий селениді, кадмий сульфиді мен сульфоселениді лазерлік сәулелену толқындарының ұзындығын өндегіштерді жасап шығаруда, қызыл, қызғылт сары, сары, және жасыл түсті сәулеленудің квантоскоптарын жасап шығаруда қолданылады [5].

Ағылшынның Миллард компаниясымен кадмий сульфидінен жасалып шығарылған фотоэлемент қарапайым фотоэмиссиялық элементке қарағанда, шамамен 20 мың есе артық, ерекше жоғары сезімталдыққа ие.

Кадмий қоспаларын қолданудың келешектегі жаңа саласы – химиялық өнеркәсіп: АҚШ-та шығарылатын поливинилдік пластиктер, олар барийкдмийлік комплекстердің негізінде жатқан жүйелермен тұрақтандырылады, кадмийлі органикалық қосылыстар әртүрлі үлгідегі полимеризациялық процесстерге арналған катализаторлар ретінде қолданылады.

1-сурет – CdTe негізіндегі КСЭ құрамы мен сыртқы көрінісі

Соңғы жылдары координациялық полимерлерге қызығушылық артып отыр. Бұл оларды наноөлшемді монодисперсті ұсақ тесіктері бар материалдар ретінде қолдану мүмкіндігімен туындап отыр.

[6] жұмыстың авторларымен CdCl₂·2,5H₂O және Ɛ-капролактам негізіндегі жаңа координациялық қосылыстар синтезінің шарттары жетілдірілді. Рентгенофазалық талдау көмегімен кадмийдің дара қосылыстары Ɛ-капролактаммен 1:1 (I) және 1:2 (II) құрамына сәйкес болатыны дәлелденді. ИҚ-спектроскопия әдісімен алынған CdCl₂· Ɛ – C₆H₁₁NO комплекстерде Ɛ-капролактамның карбональді тобының валенттілік ауытқу (1665 см^-1) кезеңі төменгі жиілікті аймаққа ауытқуының байқалуы көрсетілген, бұл Ɛ-капролактамның карбонильді топтың оттегі атомы арқылы кадмиймен үйлесімділігін растайды. CdCl₂· Ɛ – C₆H₁₁NO (1:1) комплексінде жолақ ауытқуы 42 см^-1, ал CdCl₂· Ɛ – C₆H₁₁NO (1:2) комплексінде – 18 см^-1 құрайды.

Ɛ-капролактамды қыздыру кезінде ДТА қисық сызығында екі әсер байқалады: біріншісі 69 °С кезінде – үлгі салмағының азаюы байқалмайды, заттың балқу температурасына сәйкес, екіншісі 262 °С кезінде –қайнау процессін көрсетеді, осының нәтижесінде салмақтың толық жоғалуы байқалады [6].

Берілген синтезделген полимерлерге жататын әртүрлі өлшемдегі координациялық полимерлердің қызығарлық қасиеттерінің бірі кеңістіктік бөлінбейтін бірақ химиялық байланыспаған конгломераттар түзе отырып түптелу қасиеті болып табылады. Құрамында осындай конгломераттар бар кристаллдар ерекше механикалық, электрлік, магниттік, оптикалық және каталиттік қасиеттерін көрсететіндері белгілі [6].

Электронды құралдар мен жабдықардың қазіргі кездегі негізгі қоры болып табылатын жартылай өткізгіш материалдар өндірісінде кадмий табысты қолданылатындығы белгілі. Сондықтан, кадмий арсениді негізіндегі жартылай өткізгіш материалдар ИҚ детекторлар және магниторезонансты құрылғылар үшін қолданылады [7].

[8] жұмыста кадмий арсениді – мырыш арсениді Cd_3-xZ_xAs₂ қатты ерітінділері қасиеттерінің кешенді зерттеулер нәтижелері берілген. Олардың гальваномагнитті, термомогнитті, фотоэлектрлік және оптикалық қасиеттері зерттелінді. Осы зерттеулер негізінде ерітінділердің аймақтық параметрлері анықталынды және эаряд тасушылардың шашырау механизімі талданылды. Қатты ерітінділерді зерттеудің алынған нәтижелері негізінде оларды ИҚ-сәулелену қабылдағыштарында қолдану мүмкіндігі көрсетілген.

Электрониканың функционалды элементтерін шағындандыру және жүйелерде олардың орналасу тығыздығын ұлғайту элекрониканың дамуының ерекше беталысы болып табыады. Алайда, бұл кезде кейбір мәселелер туындайды. Біріншіден, шағындандырылған элементтердің электрондық, оптикалық және басқа қасиеттері көлемді фазалардың қасиеттерінен елеулі ерекшеленуі мүмкін, мысалы электрондардың туннелденуі немесе энергетикалық деңгейлердің көлемді кванттануы пайда болады. Екіншіден, элементтерді шағындандыру өте ұсақ өлшемдегі құрылғылардың өндірісінің құнының қатты өсу экономикалық мәселелерге әкеліп соғады. Бөлшектердің тиімді реттелуі үшін және олардың өлшем бойынша бір жақты таралуы үшін синтездің тиімді әдістерін өңдеп шығару қажет.

[9] мақалада кадмий – кадмий селениді (CdSe) негізінде жартылай өткізгіш материалдардың нанобөлшектерін дайындау әдісі көрсетілген.

Тәжірибелік амалдар негізінде кадмий стеаратының үшфенилфосфин селенидімен әсерлесу реакциясы орын алады, ол гептадекан ортасында және олеиламин мен үшфенилфосфиноксиді сияқты үстіртін белсенді заттар (нанобөлшектер түзілу процесінде ерекше әсер ететін) қатысуы кезінде жүреді.

Алынған нанобөлшектердің пішіні мен өлшемдері JEM-100В маркалы JEOL фирмасының электрондық микроскопы арқылы сәуле түсу микроскопия әдісімен анықталынды. Нанобөлшектердің пішіндері орташа диаметрі 3-4 нм болатын сфералық пішінге жақын. 2-ші суретте алынған нанобөлшектердің микрофотосуреті көрсетілген.

Алынған нанобөлшектердің құрылымы элетрондардың дифракция әдісімен зерттелінді және CdSe нанобөлшектерінде вюрцит түріндегі кристалдық құрылымның түзілуі анықталынды.

Алынған нанобөлшектер материалдардың электролюминесценция ерекшеліктеріне қарай жұмыс істейтін жаңа түрдегі беріліс жүйесін құру үшін жақсы үлгі болуы мүмкін.

[10] жұмыста жартылай өткізгішті қасиеттеріне ие келесі фосфидтердің бар екендігі баяндалынады: Cd₃P₂, Cd₆P₇, Cd₇P₁₀, CdP₂, CdP₄.

Cd-P жүйесіндегі ең бай фосфор қоспаға кадмийдің тетрафосфиді – анизотропты жартылай өткізгіш жатады, ол дара сыналы сингонияға кристаллданады. Оның кристаллдық құрылымы 3-ші суретте көрсетілген.

Вакуумдағы қайта сублимация әдісі Cd₃P₂, CdP₂ және CdP₄ сияқты дара кристаллдарды алу кезіндегі негізгі әдіс болып табылады.

2-сурет – Кадмий селенидінің дайындалып шығарылған нанобөлшектерінің ПЭМ-микрофотосуреті. Нанобөлшектердің орташа диаметрі ~ 3-4 нм.

3-сурет – Кадмий тетрафосфидінің CdP₄ кристаллдық құрылымы

CdP₂ ұрықтарының түзілуі үшін тоңазытушылық аумалы күйдегі температурасы 3-8 К, ал кристаллдану аймағының температурасы 980-1010 К құрайтыны анықталынды. Ірі диаметрлі (18-20 мм) ампулаларда ұрық түзілуіді басқару үшін және процесстің жүйелі уақытымен шектелу үшін ампулаларды аз толтыру орнатылды. Қажетті ұрық түзілуіді қамтамасыз ете отырып градиенттің температурасын көтеру арқылы 0,6-0,8 мм/сағ. жылдамдықпен ампулалардың орын ауыстыруы жүргізілді. Ұзындығы 40-50 мм дейін және табанының диаметрі 20 мм дейін болатын көлемді дара кристаллдық өнімдер алынды (4-сурет).

4-сурет – Тетрагональді модификациялы кадмий дифосфидінің дара кристаллдары

Келтірілген әдеби мәліметтер кадмий қасиеттерінің бірегейлігін айғақтайды, әсіресе жартылай өткізгіштік қасиетін, оның бұндай қасиетін қазіргі заманғы электроникада қолданудың кең мүмкіндіктерін ашады. Ал бұл, өз кезегінде, кадмий қосылыстарының негізіндегі әлдеқашан белгілі жартылай өткізгіштерді терең зерттеуді, жаңа, перспективалы материалдарды табуды талап етеді.