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真空碳热还原制取金属锶的理论及实验研究

李兆楠  
【摘要】:金属Sr及化合物广泛应用于电子、化工、冶金、光学和医药等领域。金属Sr的传统制备方法主要有熔盐电解法和真空热还原法,熔盐电解法存在原料价格高、产生的氯气污染环境、锶盐的挥发损失大和电解设备腐蚀严重等问题;真空热还原法主要有铝热法和硅热法,这两种方法需要消耗大量昂贵的铝粉和金属硅或硅铁,且产生大量固态渣,经济性、资源环保性差。本文提出了采用廉价的碳作还原剂的真空碳热还原法来制备金属锶新方法;较为系统地研究了新方法的热力学、动力学;通过碳热还原实验,制备出了金属锶;计算并分析了新方法的技术-经济-资源-环境效益;预示了新方法的应用前景。 ①进行了碳酸锶直接热分解和碳酸锶真空加碳热分解反应热力学、动力学分析和试验研究。结果表明,开始分解温度随系统压强的降低而降低,在1~100Pa的压强范围内,碳酸锶加碳分解的开始分解温度比碳酸锶直接分解平均降低约200K;分解过程主要受化学反应控制,在973~1123K进行碳酸锶直接热分解反应的表观活化能为142.76kJ/mol,碳酸锶真空加碳热分解反应的表观活化能为124.82kJ/mol,加碳有助于反应活化能的降低,碳酸锶加碳热分解反应更快、更彻底。 ②进行了真空碳热炼锶反应热力学计算及分析。结果表明,标准状态下,碳热炼锶反应临界温度高达2279K;真空状态下,反应的吉布斯自由能和临界温度随系统压强的降低而降低,系统压强10Pa时,临界温度仅为1423K。 ③探讨了真空碳热炼锶还原反应的机理和动力学,结果表明,气相扩散、碳气化、化学反应为反应限制环节时的活化能分别为315.00kJ/mol~384.46kJ/mol、163.39kJ/mol、212.29kJ/mol,气相扩散为反应限制环节时反应的表观活化能最大,真空条件下氧化锶碳热还原的反应速度主要受气相扩散所控制。 ④进行了真空碳热炼锶实验研究,在系统压强为10Pa、温度为1473K的条件下,成功制备出了金属锶。还原速度和还原率随C/SrO摩尔比增加、系统压强的降低、反应温度的升高而增加,实验结果与热力学、动力学分析结果吻合,预示了真空碳热炼锶具备工程实践可行性。 ⑤计算、分析了碳热炼锶的技术-经济-资源-环境性,发现碳热炼锶的还原剂成本仅为铝热法的2.93%、硅热法的6.85%;碳热法炼锶与铝热法、硅热法相比,理论还原率分别提高44%和45%,碳热法炼锶的锶资源利用率更高;碳热法炼锶在理论上无任何渣产出,可以实现渣的零排放。


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