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真空铁热还原制备金属锂的研究

樊粉霞  
【摘要】:锂及锂的化合物以其优异的性能广泛用于医药、玻璃、制冷、陶瓷、原子能、冶金工业及军事工业等领域。随着科学技术的发展,锂已是国防建设和国民经济中重要的战略资源,其优异性能越来越受到人们的关注,应用领域不断扩展,在现代高新技术领域如铝锂合金、轻质合金、核聚变、航空航天、新型高能锂电池等方面也得到了广泛的应用。因此,发展有效的或改进现有的制备金属锂的技术已十分必要。本文综述了锂资源概况、金属锂的主要性质、应用现状、价格、消费以及其制备方法,对比了现有的熔盐电解法和真空热还原法,提出了真空热还原法制备金属锂的技术思路;在此基础上对碳酸锂分解和铁热还原氧化锂制备金属锂的过程进行了理论分析和系统的实验研究。 对碳酸锂分解过程的热力学和动力学进行了分析讨论,实验研究了碳酸锂在真空系统中的热分解规律。热力学研究表明:碳酸锂分解反应在常压下很难发生,在真空条件下则很容易进行,升高温度或者降低系统压力均有利于反应的进行。初始反应温度随着真空度的提高而降低,当系统压力为10Pa和1Pa时,初始分解反应温度分别降为964.15K和889.05K。实验研究表明:碳酸锂分解率随着分解温度的升高或保温时间的延长而提高。在真空度为3Pa,温度973K保温210min时,碳酸锂的分解率可达到89.23%,且在此过程中没有液相出现,之后继续升高温度,碳酸锂会继续分解,但出现了微融,当温度升至1373K时,分解率达到99.9%左右。在923-973K之间,反应受界面化学反应步骤控制,反应的表观活化能为128.456kJ/mol。另外,反应渣中出现了Li5Fe04物质,可能是因为坩埚中的分解产物在空气中发生了如下反应:5Li20(s)+2Fe(s)+1.502(g)=2Li5Fe04(s) 对铁热还原氧化锂反应的热力学和动力学进行了计算、分析,研究了氧化锂真空铁热还原反应过程。热力学研究表明:在常压下此还原过程很难发生,但在真空度小于10Pa,温度高于1558K的条件下,铁还原氧化锂过程就可以进行。真空度越高,初始反应温度越低,当系统压强为10Pa和1Pa时,初始反应温度分别降为1558K和1426K。反应首先生成FeO,随着温度的升高,其次是FeO和Li20反应生成Fe304,和更高的温度下Fe3O4可能会与Li2O进一步反应生成Fe203。在系统压强为1-5Pa,温度为1423~1573K的条件下,还原反应只生成FeO和Fe3O4。通过单因素和正交实验的研究,得出温度对金属锂的还原率影响最大,其次是时间,再是铁粉的过量率,最后是制团压力,得出的最佳的工艺条件是:温度1573K,还原时间150min,还原剂过量10%,制团压力7MPa,锂的还原率为74.1%。在反应温度1473~1523K之间,反应处于化学反应控制阶段,在1573K时反应受化学反应与扩散传质共同控制,反应的表观活化能为345.161kJ/mol。在还原过程中除了生成锂的反应外,同时还可能存在如下反应:Fe2O3(s)+5Li2O(s)=2Li5FeO4(s)Fe3O4(s)+Li2O(s)=LizFe3O5(s)FeO(s)+Fe2O3(s)+Li20(s)=Li2Fe3O5(s) 此外,还原渣中出现的Li5Fe04还有可能是由于打开炉盖后坩埚中的产物在空气中发生了反应形成的,过程可能发生的反应为:5Li20(s)+2Fe(s)+1.502(g)=2Li5Fe04(s)


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