硫酸鎳煅燒的實驗研究

馬玉文，孔德緒，王 飛

（山東理工大學資源與環境工程學院，山東淄博255000）

硫酸鎳在無機鹽工業領域是制備氧化鎳、碳酸鎳等鎳鹽的重要原料，有原料來源多樣的優點，其原料涉及金屬鎳、羰基鎳、硫化鎳、紅土鎳礦、電鍍污泥、廢舊鋰離子電池、球形鎳氧化物等，其生產工藝涉及酸法浸出、加壓浸出、還原焙燒氨浸等多種類型［1-2］。

氧化鎳（NiO）在很多領域有較為廣闊的市場前景，由于其具有良好的熱敏、氣敏特性，對外界環境的變化十分敏感，可做氣敏傳感材料；在蓄電池領域廣泛使用的鐵鎳、鋅鎳蓄電池表現出良好的充電性能；氧化鎳電極材料具有較好的電容性能，在電化學電容器方面有重要的應用。 此外，氧化鎳在食品、醫藥、催化、生物、能源、人工智能、信息領域等均具有廣范的應用。 氧化鎳的制備方法有化學沉淀法、電化學和溶膠-凝膠法、噴霧熱解法、高分子網絡法、醇溶劑法、PVP 前驅體法、水熱法、低熱固相反應合成法等多種方法［3-4］。

硫酸鎳煅燒可以產生鎳氧化物， 作為制備氧化鎳的原料。筆者通過對六水硫酸鎳煅燒過程的研究，考察了影響其煅燒過程的因素， 為氧化鎳的制備提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

SK2-2-10 型管式電阻爐； 剛玉方舟；BSA124S型 分 析 天 平；試 驗 篩（孔 徑 分 別 為74、147、246、365 μm）；D8 Advance 多晶X 射線衍射儀；STA449C同步熱分析儀。

1.2 實驗方法

稱取一定量六水硫酸鎳，放入剛玉方舟中，在管式電阻爐中加熱脫水，控制脫水溫度和時間，保證結晶水全部脫除。 將無水硫酸鎳在設定溫度下加熱一定的時間，煅燒完之后稱其質量，計算硫酸鎳的燒失率。

1.3 分析方法

采用同步熱分析儀對六水硫酸鎳進行熱分析（升溫速率為10 ℃/min，氮氣流速為30 mL/min）；采用X 射線衍射儀對產物進行物相表征。

2 結果與討論

2.1 六水硫酸鎳的熱分析

采用STA449C 型同步熱分析儀對六水硫酸鎳進行熱分析，TG-DTA 曲線見圖1［5］。從圖1 看出，在DTA 曲線上，在27～250 ℃有2 個峰值，在250～600 ℃有1 個峰值，在600～900 ℃有1 個峰值，分別對應TG 曲線上相應的質量損失臺階。 第一階段質量損失率約為33.8%， 該階段與理論上失去5 個結晶水的質量損失率（34.2%）近似，說明在該階段六水硫酸鎳受熱失去5 個結晶水；第二階段質量損失率約為7.2%，近似于六水硫酸鎳的1 個結晶水失去的理論值；第三階段質量損失率為29.6%，近似于六水硫酸鎳中三氧化硫失去的理論值（30.4%），硫酸鎳實現完全煅燒。

圖1 六水硫酸鎳TG-DTA 曲線

2.2 煅燒溫度對硫酸鎳燒失率的影響

將硫酸鎳分別在700、750、800、850、900 ℃煅燒一定的時間，計算硫酸鎳的燒失率，實驗結果見圖2。從圖2 看出，硫酸鎳的燒失率隨著煅燒溫度的升高而逐漸增大。 因為溫度升高，化學反應速率增大。 硫酸鎳的煅燒過程是一個吸熱過程，熱量從顆粒外部向內部傳遞，使其逐步分解，形成產物層。升高溫度促使反應向正反應方向進行， 溫度升至850 ℃時， 硫酸鎳燒失率達到最大值； 繼續升高溫度，硫酸鎳的燒失率不再增加。 因此，選擇煅燒溫度為850 ℃。

圖2 煅燒溫度對硫酸鎳燒失率的影響

2.3 煅燒時間對硫酸鎳燒失率的影響

將硫酸鎳分別煅燒10、20、30、40 min，在不同時間下考察硫酸鎳的燒失率，實驗結果見圖3。 從圖3看出，硫酸鎳的燒失率隨著熱解時間的延長而增加。對于吸熱反應來說，要實現最大程度的分解需要吸收足夠的熱量。在其他條件相同的情況下，延長反應時間會使物料得到更多的熱量，促使其分解。當煅燒時間為30 min 時，分解率達到最大值；繼續延長時間，分解率并沒有繼續增大。 因此，選擇煅燒時間為30 min。

圖3 煅燒時間對硫酸鎳燒失率的影響

2.4 物料粒度對硫酸鎳燒失率的影響

將硫酸鎳用試驗篩篩分成粒度范圍分別為74～147、147～246、246～365、＞365 μm 的顆粒， 在不同粒度下考察硫酸鎳的燒失率，實驗結果見圖4（圖4 中的橫坐標為粒度范圍的下限）。 從圖4 看出，硫酸鎳的燒失率隨著粒度的增大而逐漸減小，在74～147 μm時燒失率達到最大值。硫酸鎳受熱分解，熱量從顆粒外部向顆粒內部傳遞，顆粒的大小影響傳熱、傳質的效率［6］。 隨著物料粒度的增大，其比表面積減小，降低了傳熱、傳質的效率。 在同樣條件下，適當地減小粒度，能夠促使硫酸鎳最大程度地分解。 因此，選擇硫酸鎳的粒度為74～147 μm。

圖4 物料粒度對硫酸鎳燒失率的影響

2.5 產物表征

取粒度為74～147 μm 的硫酸鎳在850 ℃煅燒30 min，采用X 射線衍射儀對熱解產物進行分析，結果見圖5。從圖5 看出，在2θ 為37.34、43.36、62.96°處出現衍射峰，而且峰形尖銳，未發現其他明顯的雜質相，與氧化鎳標準XRD 譜圖較為一致。

圖5 硫酸鎳煅燒產物XRD 譜圖

3 結論

1）六水硫酸鎳煅燒過程分為3 個階段：第一階段（27～250 ℃）及第二階段（250～600 ℃）為脫水階段；第三階段（600～900 ℃）為分解階段。

2）硫酸鎳煅燒過程受溫度、時間、物料粒度等因素的影響。 合適的煅燒條件：溫度為850 ℃，時間為30 min，物料粒度為74～147 μm。 在此條件下，所得產物為氧化鎳。