試析鐵酸鋅選擇性還原的反應(yīng)機(jī)理

楊家旺　李甘

摘 要：本文對(duì)鐵酸鋅選擇性還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行闡述，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)區(qū)域圖、質(zhì)量損失及分解特征進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，希望能夠?yàn)殍F酸鋅選擇性還原的反應(yīng)機(jī)理研究提供一點(diǎn)理論支持。

關(guān)鍵詞：鐵酸鋅；選擇性還原；反應(yīng)機(jī)理

一、引言

在傳統(tǒng)濕法煉鋅浸出渣與電弧爐煉鋼粉塵中，鐵酸鋅所占比重較大，為了使含鐵酸鋅物料得到充分利用，就需要對(duì)其中的鐵酸鋅進(jìn)行有效處理。近年來(lái)，人們研究出一種含鐵酸鋅廢渣的新處理方法，即選擇性還原焙燒，這一方法的原理是采取選擇性還原的方法，使廢渣中的鐵酸鋅向ZnO與磁鐵礦分解，并利用中性浸出或磁選工藝分離出鐵鋅。采用這種方法需要有中溫與弱還原性氣氛條件的支撐，相較于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯煙化法，這種方法對(duì)還原溫度要求不高，能夠?qū)崿F(xiàn)鋅鐵的同步回收，可見(jiàn)其應(yīng)用價(jià)值比較高。鑒于此，為了對(duì)選擇性還原焙燒工藝進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，就需要我們圍繞鐵酸鋅的選擇性還原反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究。

二、實(shí)驗(yàn)

1.鐵酸鋅合成方法

按照1∶1的摩爾比，將分析純的ZnO與Fe2O3均勻的混合在一起，然后在1000℃條件下進(jìn)行煅燒，待4小時(shí)后，將混合物質(zhì)侵入到40℃條件下的1mol/L的鹽酸中1小時(shí)，使未反應(yīng)的氧化物得以去除，然后繼續(xù)在1000℃條件下進(jìn)行煅燒，待1小時(shí)之后，利用自然隨爐冷卻進(jìn)行退火。這一過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)主要為ZnO+Fe2O3→ZnFe2O4，按照74μm的粒徑將合成樣品進(jìn)行細(xì)磨篩分，并干燥1小時(shí)，即可在還原焙燒實(shí)驗(yàn)中投入使用。如圖1為合成鐵酸鋅的XRD譜，其中衍射峰呈尖銳峰型，具有完好的晶型。

2.還原焙燒實(shí)驗(yàn)

利用Netzsch（ST449F3）熱重分析儀進(jìn)行還原焙燒試驗(yàn)，稱取鐵酸鋅3g，按照10℃/min的速率在惰性氬氣中對(duì)其進(jìn)行加熱，達(dá)到預(yù)定溫度之后以設(shè)定的CO濃度與CO占CO+CO2總體積的體積分?jǐn)?shù)φ將CO與CO2添加到氣流中，并對(duì)氬氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使100mL/min的氣流得以形成。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間反應(yīng)之后，不再添加CO與CO2，并將樣品冷卻至室溫。通過(guò)EDTA與重鉻酸鉀滴定法，對(duì)不同還原時(shí)間還原產(chǎn)物中的ZnO與Fe2+進(jìn)行分析，然后對(duì)熱重加以利用，對(duì)還原中的質(zhì)量損失特征進(jìn)行檢測(cè)。

3.檢測(cè)表征方法

通過(guò)X射線光束電子能譜對(duì)還原產(chǎn)物的表面性質(zhì)進(jìn)行分析，利用ESCALAB 250Xi系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)ALKαX射線源加以運(yùn)用，按照20eV的能量，結(jié)合能標(biāo)準(zhǔn)選擇C1s峰的284.6eV，基于此進(jìn)行校正。在數(shù)據(jù)分析中，對(duì)Thermo Avantage Software軟件加以使用，獲取相應(yīng)時(shí)間條件下的還原產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)。

還原產(chǎn)物的物相分析采用X射線衍射儀，并對(duì)CuαK輻射源加以利用，按照10°～80°的角度、0.02（°）/step的步長(zhǎng)以及10（°）/min的速度進(jìn)行掃描。晶格結(jié)構(gòu)變化往往可以通過(guò)高角度衍射峰得到反映，根據(jù)圖1，可知在高角度區(qū)，（440）衍射峰具有最高強(qiáng)度，在衍射峰變化分析中可以對(duì)此加以利用。與此同時(shí)，晶胞參數(shù)計(jì)算選擇科恩最小二乘法，計(jì)算采用Matlab7.0編程。

選擇JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡與GENESIS 60S型能譜儀來(lái)分析還原產(chǎn)物顆粒層形貌與元素構(gòu)成，還原產(chǎn)物對(duì)樹(shù)脂膠結(jié)加以運(yùn)用，帶磨平拋光后進(jìn)行電鏡觀測(cè)與能譜分析。

三、結(jié)論

1.熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)區(qū)域圖分析

2.質(zhì)量損失與分解特征

還原反應(yīng)表現(xiàn)為質(zhì)量損失過(guò)程，即鐵酸鋅的還原失氧，關(guān)于750℃下鐵酸鋅選擇性還原的等溫質(zhì)量損失和微分質(zhì)量損失曲線，具體如圖3所示。

而圖4則分別為是不同時(shí)間還原產(chǎn)物的ZnO與Fe2+含量及其線性擬合曲線圖。

經(jīng)過(guò)分析可知，失氧為鐵酸鋅還原的原因，而部分鐵由于維持電中性還原為二價(jià)，鐵酸鋅在分解產(chǎn)生ZnO的過(guò)程中，F(xiàn)e2+具有促進(jìn)作用，二者與線性關(guān)系相符。

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