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        真空碳熱還原硫化鋅法制備金屬鋅的研究

        2021-05-06 02:05:36劉予成
        云南化工 2021年2期
        關鍵詞:鋅礦吉布斯反應式

        劉予成

        (文山學院冶金與材料學院,云南 文山663099)

        鋅礦是重要的一種工業(yè)原料。我國鋅礦資源儲量較為豐富、分布廣泛,但是大礦少、小礦多;富礦少、貧礦多;易采易礦少、難采難選礦多;絕大部分探明礦點已經(jīng)得到開發(fā)利用,未被開發(fā)利用的儲量大多集中在建設條件和資源條件不好的礦區(qū),后備資源缺乏[1]。隨著我國鋅礦冶煉的產(chǎn)能迅速發(fā)展,國內(nèi)鋅礦產(chǎn)資源的下降,鋅產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力嚴重削弱[2]。目前,國內(nèi)外制鋅的方法主要有電爐法、高爐法、窯法等,但制取率相對較低,且污染較大,成本較高,而真空冶煉尾氣排放易于控制,工藝流程短,可直接使用鋅礦直接碳熱還原制取單質(zhì)鋅。

        1 計算與分析

        1.1 銦礦碳熱還原過程的基本反應

        硫化鋅碳熱還原過程主要發(fā)生以下反應:

        2ZnS(s)+3O2(g)=2ZnO(s)+2SO2(g)

        (1)

        ZnO(s)+C(s)=Zn(l)+CO(g)

        (2)

        Zn(l)=Zn(g)

        (3)

        1.2 硫化鋅真空下發(fā)生的氧化反應

        根據(jù)相關熱力學數(shù)據(jù)與計算公式,計算反應式(1)在體系內(nèi)不同的壓力下反應所需的溫度,設壓力分別為105Pa、104Pa、103Pa、102Pa、10 Pa。

        圖1 反應1在不同壓力下的吉布斯自由能與溫度關系

        如圖1所示,O2的分壓在10 Pa~105Pa之間、溫度小于1 800 K時,吉布斯自由能均小于0,即ZnS與O2的反應都可能進行,但在相同溫度下,隨著O2分壓的逐漸降低,雖然吉布斯自由能逐漸增加,但該反應在低于1 800 K時完全滿足熱力學條件[4]。

        1.3 真空下氧化鋅碳熱還原反應

        將反應式(2)在不同溫度下進行吉布斯自由能計算,作圖后得到如圖2所示。

        由圖2看出,在一定反應的溫度下,當體系壓力降低時,吉布斯自由能減小;在一定的體系壓力下,當反應溫度增加,吉布斯自由能隨之減小,故降低體系壓力更有利于氧化鋅的碳熱反應。計算反應式(2)的起始溫度列于表1。

        圖2 反應式(2)在不同壓力下的吉布斯自由能與溫度關系

        表1 在不同壓力下反應式(2)的起始溫度

        由表1可知,常壓下碳熱還原氧化鋅反應的理論起始反應溫度為1 247 K,隨著體系壓力的降低,理論起始反應溫度明顯降低。當體系的壓力從105Pa降到10 Pa時,溫度為473 K,就是說真空系統(tǒng)壓力降低,氧化鋅碳熱還原反應所需溫度越低[5-6]。

        1.4 真空下鋅液轉(zhuǎn)變?yōu)殇\蒸氣的過程

        圖3 反應式(3)在不同壓力下的吉布斯自由能與溫度關系

        其中:PM為金屬的實際分壓,P0為大氣壓力。計算得到反應式(3)的起始溫度如表2所示。

        表2 在不同壓力下反應式(3)的起始溫度

        由圖3和表2看到,當吉布斯自由能一定時,在體系壓力為10 Pa,反應溫度越低;當壓強為常壓時,反應起始溫度高。由此可看出,當吉布斯自由能一定時,壓強越大,反應的溫度越高;反之,壓強越低,反應的溫度越低。由上述可得,當吉布斯自由能一定時,常壓下碳的熱還原氧化鋅反應的理論起始溫度高,隨著體系壓力的減小;反應起始溫度也隨之減小,當體系壓強由常壓105Pa減小到真空度為 10 Pa 時,溫度由原來的1 189 K,減小到282 K。這樣說明了,在真空條件下,氧化鋅碳還原反應所需的溫度低。

        2 結(jié)語

        1)ZnS的氧化反應,當體系壓力在10 Pa~105Pa 之間、溫度小于1 800 K時,ZnS的氧化反應的吉布斯自由能均小于0,均能發(fā)生反應。

        2)ZnO的碳熱反應,在一定的反應溫度下,隨著體系壓力的降低,吉布斯自由能減??;在一定的體系壓力下,反應溫度增加,吉布斯自由能減小,故降低體系壓力更有利于反應的發(fā)生。

        3)鋅液轉(zhuǎn)變?yōu)殇\蒸氣的反應,當體系壓力降低時,反應溫度隨之降低,反之。

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