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变价稀土氯化物溶液超声雾化热解制备氧化物的机制研究

薛首峰  
【摘要】:绿色清洁冶金技术是实现冶金行业可持续发展的重要保障。目前,稀土冶金企业生产稀土氧化物主要是通过原理简单、操作技术难度较低的沉淀焙烧法。然而,采用这一传统工艺生产稀土氧化物时需要付出较高的能源消耗成本和生态环境成本,因此研发清洁、高效的稀土氧化物生产工艺技术迫在眉睫。本课题在前期研究的基础上,围绕稀土氯化物溶液超声雾化热解制备稀土氧化物的短流程工艺技术、以变价稀土元素的氯化物为研究对象,研究了相关的基础问题并取得的研究结果如下:采用 XRD、FESEM、EDS 和 TG-DTA/DSC-MS 等分析技术研究了 CeCO3·7H2O、PrCO3·6H2O和TbCl3·6H2O在空气氛围静态焙烧的热解机理,结果表明.:当稀土(Ce、Pr和Tb)氯化物脱水温度依次为224、234和284℃;水解反应的产物依次为Ce(OH)3、Pr(OH)2Cl和Tb(OH)2Cl,Ce(OH)3在空气氛围中可逐渐转变为CeO2,Pr(OH)2Cl和Tb(OH)2Cl发生脱水反应则生成PrOCl和TbOCl。CeC13在460℃以上发生氧化反应生成CeO2,PrOCl在1000℃以上发生氧化反应部分转化为Pr12O22,TbOCl在800℃时发生氧化反应部分转化为Tb7O12。以变价稀土氯化物的气溶胶为前驱体,研究了变价稀土氯化物的高温热解机理,研究结果表明:氯化铈气溶胶在600℃以上时完全转化为CeO2;氯化镨气溶胶在700℃以上时产物中形成了部分的PrO2,随着热解温度的升高,热解产物中的Pr02逐渐增多,温度高于1100℃时氯化镨气溶胶热解几乎完全转化为PrO2;氯化铽气溶胶在600℃时可能形成了少量的Tb02,热解温度高于900 ℃时几乎完全转化为 Tb7O12。超声雾化热解制备变价稀土氧化物工艺的研究:氧化铈中的余氯量随着溶液浓度的增大而增大,随着载气流速的增大表现出先减小后增大的规律,随着热解温度的升高而减小,溶液温度对产物中的余氯量没有明显的影响;氧化铈颗粒的粒径随着溶液浓度的增大而增大,随着溶液温度的升高而减小,热解温度对颗粒粒径有微弱的影响,载气流速对颗粒粒径没有明显的影响。进一步的研究表明氧化铈中的余氯可能是由热解过程未能完全逸出的余氯和颗粒表面吸附的C12/HCl两种形式,通过再焙烧可最大限度的降低样品中的余氯含量。强化超声雾化热解制备变价稀土氧化物的研究:(1)H2O2强化热解氯化错溶液热解制备氧化镨,当热解温度为1000℃、溶液中PrCl3浓度为0.05mol/L,H2O2的浓度为30%时,超声雾化热解PrC13溶液可制备纯度较高的氧化镨;当热解温度低于1100℃时产物中的氧化镨物相为Pr02,当热解温度高于1100℃时产物中的氧化镨物相为Pr12O22和PrO1.99,热解温度的降低会使热解产物中的Pr(OH)2Cl含量升高。(2)H2O2强化热解氯化铽溶液热解制备氧化铽,当热解温度高于800℃、溶液中TbCl3浓度为0.05~0.1mol/L,溶液中H2O2的浓度大于5%时,TbC13溶液超声雾化热解可制备得到纯的氧化铽,当热解温度为800、900℃C时产物的物相为TbO1.81,当热解温度为1000、1100℃时热解产物中的物相为Tb7O12。稀土氧化物颗粒的形成机理研究:雾化液滴在低温区停留时间较长则制备的产物中易于形成实心结构颗粒,当由超饱和液滴形成的实心球形稀土氯化物颗粒在高温区停留时间较长时则可形成实心的氧化物颗粒。若在高温区停留时间较短则实心的稀土氯化物颗粒可转变形成中空结构的氧化物颗粒,雾化液滴若在低温区停留时间较短则易于形成中空结构的稀土氯化物颗粒,其在高温区转变为中空结构的氧化铈颗粒。具有超饱和液滴与不饱和液滴或具有中空结构的熔融状液滴与其他熔融液滴之间的碰撞均可导致多孔结构氧化铈颗粒的形成。


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