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真空法从铟矿中制备铟的机理研究 2015-06-26 10:59:41             
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  在真空条件下,本文采用热力学分析方法计算真空下铟矿碳热还原反应过程中发生的反应的吉布斯自由能以及起始反应温度。结果表明,当压力为10 Pa、温度高于380 K 时,In2O3 与C 的反应满足反应发生的热力学条件。在同一体系压力下,物料In2O3:C 摩尔比为1:3 时,反应生成单质In 所需的温度是最低的。

  在碳量充足条件下In2O3 可直接被还原生成单质铟,随着碳的消耗,In2O3 的碳热反应会生成中间产物。由此,推算在真空碳热反应过程中,碳热还原In2O3 的顺序首先生成In,随着碳耗及升温生成In2O,最后生成InO。In2O3 热分解生成In2O,随着体系压力的降低,反应起始温度降至423 K;中间产物In2O 热分解生成单质In,当体系真空度降至10 Pa 时,起始温度降为781 K;InO 与生成物CO 反应,随着体系压力降低,吉布斯自由能增加,因此,降压不利于InO 与CO 反应。本文从热力学角度探讨真空制备铟热力学可行性,为下一步实际生产提供相应的理论基础。

  铟是一种稀有金属,具有优良的物理化学性能和机械性能,广泛应用于军事工业、电子业、医药卫生、太阳能电池制造、航天航空等行业。近年来,随着科技的发展,铟的应用在国民经济作用日趋重要,已发展成为现代工业中不可缺少的金属材料之一。我国铟资源储量丰富,居世界第一,但铟多伴生在锌、铅等矿中,工业上铟主要是从炼锌及炼铅过程中分离出来。由于铟没有独立的矿床多是伴生在锌矿、铅矿等矿物中,需要经过较复杂的冶炼过程才能提取出来,基于此,作者提出采用热力学分析研究在不同条件下真空碳热还原法制铟的反应条件,从热力学角度研究了铟矿真空碳热还原法制铟的可行性,为对后一步利用真空碳热还原法制铟的研究提供了基础数据。

  碳热还原反应是用碳作为还原剂还原氧化物以制备单质或者碳化物的方法。由于碳具有良好的还原性能,因此在工业生产上,碳作为还原剂得到了广泛的应用。在真空下用碳做还原剂时,随还原温度的升高可以将氧化物还原,还原反应可以进行的比较完全,同时反应的温度相比常压条件下的反应温度要低。在还原过程中会生成多种中间产物,氧化铟被还原或被分解,通过热力学计算铟的行为,得到氧化铟可能发生的反应以及该反应的起始温度,为后续实验研究方案提供理论指导。

  1、热力学理论计算数据

  据相关资料查得相关热力学数据分别如表1、2 所示。

  表1 氧化铟相关的热力学数据

真空法从铟矿中制备铟的机理研究

  表2 主要相关物质的热力学数据(△HΘ 298/J·mol-1)

真空法从铟矿中制备铟的机理研究

  2、小结

  1)从铟矿In2O3 中制备单质In,降低体系压强,可大幅度降低起始反应温度。在常压下反应式(1)碳热还原In2O3 反应的理论起始反应温度为998 K,当压强减小为10 Pa 时的理论起始反应温度为380 K。

  2)在常压下,当温度达到1884 K 时,物料In2O3:C 摩尔比为1:1,反应生成中间产物InO;当系统压力降到10 Pa 下,起始温度可降低到729 K。在常压下,当物料In2O3:C 摩尔比为1:2,温度达到1056 K 时,在反应生成中间产物In2O,当系统压力降到10 Pa 下,起始温度可降低到413 K。通过上述分析,在相同压力下,反应式(1)物料In2O3:C 摩尔比为1:3,反应生成单质In 所需的温度是最低的。

  3)In2O3 热分解生成In2O,在常压下所需最低温度为1247 K,降至10 Pa 时为423 K;中间产物In2O 热分解生成单质In,在常压下,起始温度为2809 K,当体系压力降至10 Pa 时,起始温度降为781 K;InO 与生成物CO 反应,随着体系压力降低,吉布斯自由能增加,因此,降压不利于InO 与CO 反应。

  4)根据热力学计算分析,在碳量充足条件下In2O3 可直接被还原生成单质铟,随着碳的消耗,In2O3 的碳热反应会生成中间产物。由此,推算在真空碳热反应过程中,碳热还原In2O3 的顺序首先生成In,随着碳耗及升温生成In2O,再次生成InO。

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