Теоретическая и прикладная экология

1995-43012618-8406

10.25750/1995-4301-2026-1-124-133

Other

Инновационный подход к созданию композитных покрытий с применением вторичных ресурсов промышленности

An innovative approach to the composite coatings creation using industrial waste resources

Фукс

С. Л.

Fuchs

S. L.

https://orcid.org/0000-0002-9238-2944

Камалов

К. О.

Kamalov

K. O.

https://orcid.org/0000-0002-5347-4643

Vyatka State University (Kirov, Russia)

Вятский государственный университет (Киров, Россия)

25032026

1124133

http://www.envjournal.ru/ari/v2026/v1/26113.pdf

Современные промышленные производства, такие как машиностроение и авиастроение, широко используют химические и гальванические покрытия, что приводит к образованию значительных объёмов сточных вод, загрязнённых тяжёлыми металлами, щелочами и кислотами, и создаёт серьёзную экологическую проблему. Для обеспечения экологической безопасности необходимо разработать эффективный метод снижения содержания тяжёлых металлов в окружающей среде. Предлагается использовать концентрированные сточные воды химического никелирования и твёрдые отходы, в частности, золу уноса теплоэлектростанций, превращая их в ценный компонент для создания композитного покрытия. Актуальность разработки обусловлена последовательностью получения дисперсной фазы взаимодействием золы уноса с жидким отходом химического никелирования и использованием её в композитных покрытиях. В процессе обработки золы уноса в отработанных растворах химического никелирования осуществляется активация, сопровождающаяся образованием металлических частиц никеля на её поверхности. Целью исследования является получение композитного покрытия никель–зола уноса с использованием мелкодисперсной фракции золы уноса. Полученная дисперсная фаза (ДФ) вводится в электролиты электрохимического икелирования, формируя композитное электрохимическое покрытие (КЭП) никель–активированная) зола уноса. Композиционные покрытия демонстрируют повышение микротвёрдости, снижение внутренних напряжений и повышение износостойкости по сравнению с традиционными никелевыми покрытиями. Полученные результаты позволяют повторно использовать промышленные отходы, сократить экологическую нагрузку и улучшить эксплуатационные характеристики композитных покрытий.

Environmental hazard of machinery production and aircraft industry can be reduced by reutilization of electrolytes for deposition of composite electrochemical coatings with enhanced physical properties. Specifically, composites consisting of the nickel matrix and dispersed phase can be obtained. The dispersed phase consists of micro- and nanoparticles which improves coating appearance and enhances performance parameters. Fly ash is formed during the combustion of solid fuel in the Thermal Power Plant (TPP). It is promising as dispersed phase because is consists of spherical particles of various diameters. The fly ash activation in the disposal solution of chemical-nickel plating causes an increase in particle size and weight due to the reduction of nickel over the particle surface and in agglomerates. The TPP-5 (Kirov, Russian Federation) fly ash is used in this study to obtain “nickel–activated fly ash” composite electrochemical coatings (CEC). The introduction of the fly ash coated with chemically-deposited nickel into the matrix obtained by electrochemical platting of nickel is shown to form the CEC with improved wear resistance due to the reduction of internal stresses and the absence of delamination. Dispersed particles embedded into the nickel matrix change its morphology and mechanical characteristics of the coating without changing the appearance. The obtained results demonstrate that the most promising combination for obtaining CEC is the following: the disposal nickel-plating electrolyte containing nickel-coated magnetic fraction of the fly ash with the particle size below 125 µm. The application of the disposal nickel-plating electrolyte solution with a low nickel concentration for fly ash activation makes liquid waste processing easier and cheaper.

зола уносаникелированиекомпозиционные материалыпокрытиемикротвёрдость

fly ashnickel platingcomposite materialscoatingmicrohardness

1. Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. М.: Химия, 1983. 300 с.

2. Губин А.Ф., Гусев В.Ю., Чистякова Н.В. Экологические аспекты решения проблем утилизации электролитов химического никелирования // Пути и средства повышения экологической безопасности гальванических производств: тез. докл. науч.-техн. семинара. М.: РХТУ, 1994. С. 43.

3. Бушковский А.Л., Кармадонов Л.Н., Бордунов В.В. Способ очистки сточных вод от никеля // Патент RU 2010012 C1. Заявление: 5005020/26, 10.09.1991. Дата публикации: 30.03.1994.

4. Шумилова М.А., Суксин Н.Е. Отработанный раствор химического никелирования – ресурс для получения новых продуктов // Теоретическая и прикладная экология. 2022. № 4. С. 131–136. doi: 10.25750/1995-4301-2022-4-131-136

5. Хазель М.Ю., Лют Петер, Зародин Г.С. Способ извлечения никеля из отработанных растворов гальванических производств // Патент RU 2125105 C1. Заявление: 96123204/02, 16.12.1996. Дата публикации: 20.01.1999.

6. Шумилова М.А., Суксин Н.Е. Регенерационная утилизация отработанных растворов химического никелирования // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25. № 2. С. 262–270. doi: 10.15350/17270529.2023.2.24

7. Svyatokhina V.P., Isaeva O.Yu., Pestrikov S.V., Krasnogorskaya N.N. Estimation of efficiency of removal of heavy metal ions as hydroxides from sewage // Russ. J. Appl. Chem. 2003. V. 76. P. 320–322. doi: 10. 1023/A:1024683519586

8. Чепрасова В.И., Залыгина О.С. Отработанные электролиты никелирования как вторичный сырьевой ресурс // Природные ресурсы. 2017. № 2. С. 126–133.

9. Андреева Н.Н., Любимова Я.С., Черник А.А., Кругликова Е.С. Интенсификация процесса утилизации отработанного раствора химического никелирования // Гальванотехника и обработка поверхности. 2017. T. 25. № 2. С. 48–50. doi: 10.47188/0869-5326-2017-25-2-48

10. Кенжалиев Б.К., Беркинбаева А.Н., Досымбаева З.Д., Шарипов Р.Х., Сулейменов Э.Н. Изменение параметров водных растворов в процессе электрохимического выщелачивания вторичного сырья с применением серографитового электрода // Комплексное использование минерального сырья. 2016. № 1. С. 66–70.

11. Кунилова И.В., Крылов И.О. К вопросу комплексной переработки золы сжигания каменных углей предприятий теплоэлектроэнергетики // Технологии переработки отходов с получением новой продукции: материалы V Всерос. науч.-практ. конф. Киров: Вятский государственный университет, 2023. С. 11–15.

12. Khoshnoud P., Abu-Zahra N. Kinetics of thermal decomposition of PVC/Fly ash composites // Int. J. Polym. Anal. Charact. 2017. V. 23. No. 2. Р. 170–180. doi: 10.1080/1023666X.2017.1404668

13. Hue N.V., Phong N.N., Hanh P.H. Effects of sodium lauryl sulfate on сo-electrodeposition of nickel and fly ash particles // Int. J. Innov. Eng. Technol (IJIET). 2017. V. 8. No. 3. P. 289–295. doi: 10.21172/ijiet.83.036

14. Ramesh C.S., Seshadri S.K., Iyer K.J.L. Wear resistance of nickel-fly ash composite coatings // Wear. 1991. V. 145. No. 1. P. 189–195. doi: 10.1016/0043-1648(91)90247-R

15. Li H., Dai M., Dai S., Dong X., Li F. Methylene blue adsorption properties of mechanochemistry modified coal fly ash // Hum. Ecol. Risk Assess.: Int. J. 2018. V. 24. No. 8. Р. 2133–2141. doi: 10.1080/10807039.2018.1440527

16. Akinyemi S.A., Gitari W.M., Petrik L.F., Nyakuma B.B., Hower J.C., Ward C.R., Oliveira M.L.S., Silva L.F.O. Environmental evaluation and nano-mineralogical study of fresh and unsaturated weathered coal fly ashes // Sci. Total Environ. 2019. V. 663. P. 177–188. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.01.308

17. Silva L.F.O., DaBoit K., Serra C., Mardon S.M., Hower J.C. Fullerenes and metallofullerenes in coal-fired stocker fly ash // Coal Combustion and Gasification Products. 2010. V. 2. P. 66–79. doi: 10.4177/CCGP-D-10-00007.1

18. Лайнер В.И., Кудрявцев Н.Т. Основы гальваностегии. Ч. 1. М.: Металлургиздат, 1953. 624 с.

19. Sudagar J., Lian J., Sha W. Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings – a critical review // J. Alloys Compound. 2013. V. 571. P. 183–204. doi: 10.1016/j.jallcom.2013.03.107

20. Сайфуллин Р.С., Хацринов А.И., Водопьянова С.В., Мингазова Г.Г., Фомина Р.Е. Исследования в области создания композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с дисперсной фазой микро- и наночастиц // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2009. № 6. С. 80–90.

1. Saifullin R.S. Inorganic composite materials. Moskva: Chemistry, 1983. 300 p. (in Russian).

2. Gubin A.F., Gusev V.Yu., Chistyakova N.V. Environmental aspects of solving the problems of recycling chemical nickel plating electrolytes // Ways and means of improving the environmental safety of electroplating production: abstracts of the scientific and technical seminar. Moskva: RKhTU, 1994. P. 43 (in Russian).

3. Bushkovskij A.L., Karmadonov L.N., Bordunov V.V. Method of sewage treatment from nickel // Patent RU 2010012 C1. Application: 5005020/26, 09.10.1991.

Date of publication: 30.03.1994 (in Russian).

4. Shumilova M.A., Suksin N.E. The spent solution of chemical nickel plating is a resource for obtaining new products // Theoretical and Applied Ecology. 2022. No. 4. P.131–136(inRussian).doi:10.25750/1995-4301-2022-4-131-136

5. Khazel M.Ju., Ljut Peter, Zarodin G.S. Method of nickel recovery from sheet solutions of electroplating // Patent RU 2125105 C1. Application: 96123204/02, 12.16.1996. Date of publication: 20.01.1999 (in Russian).

6. Shumilova M.A., Suksin N.E. Regeneration disposal waste solutions of chemical nickel plating // Chemical physics and mesoscopy. 2023. V. 25. No. 2. P. 262–270 (in Russian). doi: 10.15350/17270529.2023.2.24

8. Cheprasova V.I., Zalygina O.S. Spent nickel plating electrolytes as a secondary raw material resource // Natural Resources. 2017. No. 2. P. 126 –133 (in Russian).

9. Andreeva N.N., Lyubimova Ya.S., Chernik A.A., Kruglikova E.S. Intensification of the process of utilization of spent chemical nickel plating solution // Electroplating and surface treatment. 2017. V. 25. No. 2. P. 48–50 (in Russian). doi: 10.47188/0869-5326-2017-25-2-48

10. Kenzhaliyev B.K., Berkinbayeva A.N., Dosymbayeva Z.D., Sharipov R.Kh., Suleimenov E.N. The change in the parameters of the aqueous solutions during the electrochemical leaching of the secondary raw materials by using sulfur-graphite electrode // Complex use of mineral resources. 2016. No. 1. P. 66–70 (in Russian).

11. Kunilova I.V., Krylov I.O. On the issue of integrated processing of coal ash from thermal power plants // Waste processing technologies to produce new products: materialy V Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Kirov: Vyatka State University, 2023. P. 11–15 (in Russian).

12. Khoshnoud P., Abu-Zahra N. Kinetics of thermal decomposition of PVC/Fly ash composites // Int. J. Polym. Anal. Charact. 2017. V. 23. No. 2. Р. 170–180. doi: 10.1080/1023666X.2017.1404668

14. Ramesh C.S., Seshadri S.K., Iyer K.J.L. Wear resistance of nickel-fly ash composite coatings // Wear. 1991. V. 145. No. 1. P. 189–195. doi: 10.1016/0043-1648(91)90247-R

17. Silva L.F.O., DaBoit K., Serra C., Mardon S.M., Hower J.C. Fullerenes and metallofullerenes in coal-fired stocker fly ash // Coal Combustion and Gasification Prod-ucts. 2010. V. 2. P. 66–79. doi: 10.4177/CCGP-D-10-00007.1

18. Layner V.I., Kudryavtsev N.T. Fundamentals of galvanostegia. V. 1. Moskva: Metallurgizdat, 1953. 624 p. (in Russian).

19. Sudagar J., Lian J., Sha W. Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings – a critical review // J. Alloys Compound. 2013. V. 571. P. 183–204. doi: 10.1016/j. jallcom.2013.03.107

20. Sayfullin R.S., Khatsrinov A.I., Vodopyanova S.V., Mingazova G.G., Fomina R.E. Research in the field of creation of composite electrochemical coatings (CEC) with a dispersed phase of micro- and nanoparticles // Herald of Kazan Technological University. 2020. No. 6. P. 80–90 (in Russian).