Preparation of cobalt particles in aqueous medium and dispersion stabilization

Thumbnail Image

Files

master_Lipasti_Saana_2022.pdf (3.56 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022-08-23

Department

Major/Subject

Chemistry

Mcode

CHEM3023

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

75

Series

Abstract

Cobalt particles and powders are used widely across various industries and are especially important for the hard metal industry. The hard metal industry uses metallic cobalt as a binder in the production of tungsten carbide (WC). In the production, a powder spreads easily through the air, making the process difficult to control. Moreover, metallic cobalt is prone to reacting with air to form undesirable, even unusable cobalt oxide. In order to improve the handling and usage of cobalt and prevent oxidization, a novel product needs to be developed. This product concept includes preparation of fine powder (particles) by precipitation in an aqueous solution as well as dispersion of the prepared particles in an aqueous carrier fluid. This work studied precipitation experimentally and discusses dispersion stabilization based on the literature. The first hypothesis was that the reduction of cobalt and preparation of particles are possible in water at mild temperatures with similar reagents proven to work in organic solutions. The cobalt source, reductant and surfactant were cobalt sulfate, hydrazine, and sodium citrate, respectively. The hypothesis was confirmed as pure metallic cobalt particles were produced in a series of experiments in alkaline aqueous solutions under nitrogen atmosphere. The second hypothesis was that the reaction, especially the particle size, can be controlled with the use of AgNO3 as a nucleation agent. This could be partially confirmed but the series of three experiments can be considered only as limited evidence. The average sizes of the particles were in relation to the AgNO3 concentrations. However, the growth of the particles was dendritic, so the size distribution was wide, and the reduction reaction was not better controlled compared to the first experiment series. Overall, more research is needed in order to use this chemical procedure in particle preparation for stable dispersion. Nevertheless, preparing highly pure cobalt particles is possible in water with a facile and fast technique.

Kobolttipartikkeleita ja -jauheita käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla ja ne ovat erityisen tärkeitä kovametalliteollisuudelle. Kovametalliteollisuus käyttää metallista kobolttia sidosaineena volframikarbidin (WC) tuotannossa. Jauhemaisena koboltti leviää herkästi tehden tuotantoprosessista vaikeasti hallittavan. Lisäksi metallinen koboltti on altis reagoimaan ilman hapen kanssa kobolttioksidiksi, jota on vaikea enää hyödyntää. Uudenlainen kobolttituote tarvitaan käsittelyn helpottamiseksi ja hapettumisen välttämiseksi. Tällainen tuotekonsepti sisältää hienon kobolttijauheen (partikkelien) valmistamisen sakkaamalla vesiliuoksesta sekä valmistettujen partikkelien dispergoinnin vesifaasiin. Tässä työssä tutkitaan sakkaamista kokeellisesti ja dispersion stabilointia teoreettisesti kirjallisuuden pohjalta. Ensimmäinen hypoteesi oli, että koboltin pelkistys ja partikkelien valmistus ovat mahdollisia vedessä matalassa lämpötilassa reagensseilla, joiden on todettu toimivan orgaanisissa liuoksissa. Kobolttilähtöaine, pelkistin ja surfaktantti olivat kobolttisulfaatti, CoSO4, hydratsiini, N2H4 ja natriumsitraatti, Na3C6H5O7, tässä järjestyksessä. Tämä hypoteesi osoittautui oikeaksi, kun puhtaita metallisia kobolttipartikkeleita onnistuttiin valmistamaan koesarjassa emäksisissä vesiliuoksissa typpi-ilmakehässä. Toisen hypoteesin mukaan reaktiota, ja erityisesti partikkelikokoa, voidaan kontrolloida käyttämällä hopeanitraattia (AgNO3) ydintymisaineena. Tämä hypoteesi pystyttiin osittain vahvistamaan, mutta kolmen kokeen sarjaa voidaan pitää vain suuntaa antavana. Keskimääräinen partikkelikoko noudatti hopeanitraattipitoisuutta. Partikkelien kasvu oli kuitenkin haaroittunutta, mikä teki kokojakaumasta leveän, eikä pelkistysreaktio ollut paremmin hallittavissa verrattuna ensimmäiseen koesarjaan. Kaiken kaikkiaan enemmän tutkimusta tarvitaan, jotta tätä menetelmää voitaisiin käyttää partikkelien valmistamiseen stabiilia dispersiota varten. Joka tapauksessa puhtaitten kobolttipartikkelien valmistaminen vedessä osoittautui mahdolliseksi yksinkertaisella ja nopealla menetelmällä.

Description

Supervisor

Kallio, Tanja

Thesis advisor

Sorsa, Olli

Keywords

cobalt, hydrazine, reduction, aqueous, particles, dispersion

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208305237

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM