含CO2抑制性氣氛中菱鎂礦分解反應動力學研究

王櫻澈， 劉雪景， 許光文,2

含CO2抑制性氣氛中菱鎂礦分解反應動力學研究

王櫻澈1， 劉雪景1， 許光文1,2

（1. 沈陽化工大學 資源化工與材料教育部重點實驗室，能源與化工產業技術研究院，遼寧 沈陽 110142；2. 中國科學院過程工程研究所 多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190）

利用熱重分析儀（TGA）研究了菱鎂礦粉在不同CO2含量的氣氛下的煅燒反應特性及動力學。結果表明：CO2的存在嚴重抑制了菱鎂礦粉的分解，使其表觀活化能顯著增大，在含30% CO2氣氛中測得的表觀活化能和指前因子分別為407.7 kJ·mol-1和1017s-1，而CO2氣氛中的值增加至474.4 kJ·mol-1和1020s-1，機理模型函數均遵循成核與生長控制模型()= -ln(1-)。

動力學； 菱鎂礦； 分解； 熱重

我國菱鎂礦資源豐富，約占世界總儲量的25%。菱鎂礦是一種方解石族天然礦物，其主要成分是碳酸鎂(MgCO3)，是最重要的鎂質和耐火原料之一，廣泛應用于建材、化工、醫藥食品、農業及環保等行業。菱鎂礦在行業應用的首要步驟為煅燒，其輕燒產生的活性氧化鎂（MgO），主要用于下游高價值鎂質材料精深加工，包括耐火材料、氫氧化鎂、硫酸鎂、金屬鎂及其合金和鎂建材等。

菱鎂礦的分解是其高附加值利用的前提和基礎，研究其反應特性及動力學具有重要意義。目前關于菱鎂礦分解動力學的研究最常用的方法為熱重方法（Thermogravimetric analyzer，TGA）。F. Demir等人[1]研究了粒徑對菱鎂礦熱分解動力學參數的影響，周寶余等人[2]發現在相同轉化率條件下，隨著菱鎂礦粒徑的增加，菱鎂礦分解的溫度逐漸增高，在一定粒徑范圍內活化能與粒徑呈線性增加關系。張強等[3]和劉新偉等[4]結合Kissinger及Ozawa-Doyle方法擬合計算得到菱鎂礦在氮氣中分解的活化能分別為211.55 kJ·mol-1和177.14 kJ·mol-1，指前因子lg分別11.07 s-1和7.39 s-1，機理模型分別為三維相界反應模型(R3)和三維擴散機理(D3)。Lu Tian等[5]采用Coats-Redfern，Flynn-Wall-Ozawa和 Kissinger- Akahira- Sunose 三種不同的非等溫數據處理方法計算得到的活化能相近，平均表觀活化能為203 kJ·mol-1。上述研究以及相關報道主要集中于研究惰性氣氛或空氣氣氛、溫度、粒徑等煅燒條件對它的影響[1-5]。實際上，在生產過程中，菱鎂礦分解產生的二氧化碳（CO2）可能會影響菱鎂礦的分解及動力學，然而關于CO2對菱鎂礦分解的影響目前還未有文獻報道。

針對上述問題，本文利用TGA研究了菱鎂礦粉在不同CO2含量氣氛中（CO2和30% CO2）的分解反應特性及動力學，并采用Coats-Redfern和Flynn-Wall-Ozawa(FWO)兩種方法獲得了反應動力學，為菱鎂礦煅燒的實際工業應用提供了理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與方法

實驗原料選用源自遼寧鞍山海城的天然菱鎂礦精礦粉，粒徑為150~270 μm，為避免水的影響，實驗前將菱鎂礦粉放置于烘箱內120 ℃下干燥24 h。實驗儀器采用德國STA449C綜合熱重分析儀。實驗時，稱取（13±0.7）mg的菱鎂礦粉末置于高度為2.5 cm的氧化鋁坩堝內，分別以CO2以及30% CO2+70% N2的混合氣為載氣，載氣流量為200 mL·min-1，以不同的升溫速率（1、3、5、10、20、40℃·min-1）由室溫升至800 ℃。

1.2 數據處理

在TGA中菱鎂礦粉分解的轉化率通過式（1）表達

式中：w—菱鎂礦粉在TGA中開始分解時的質量，g；

w—反應時間為時的菱鎂礦粉的質量，g；

w—反應結束后剩余物質的質量，g。

Flynn-Wall-Ozawa (FWO)[6]法是屬于典型的無模型方法，即不需預先假設反應機理函數就可直接求算活化能，有效避免了因選擇錯誤而導致求算的活化能值偏差太大，表達式如式（2）所示：

lg= lg[()]-2.315-0.4567（2）

利用Coats-Redfern法[7]確定反應機理函數及指前因子，表達式如式（3）所示：

ln[()/T] = ln（3）

式中：—升溫速率，℃·min-1；

—活化能，kJ·mol-1；

—溫度，K；

—指前因子，s-1，

()—非等溫動力學基本方程的積分式。

公式（2）和（3）中的變量均可認為是定值，不隨溫度和轉化率而變化。

2 結果與討論

2.1 CO2含量對菱鎂礦分解溫度的影響

圖1顯示了升溫速率為10 ℃·min-1時不同CO2含量的氣氛中菱鎂礦粉分解的失重率隨溫度變化的曲線。從圖中可以看出，隨著氣氛中CO2含量的增加，菱鎂礦分解的初始溫度逐漸變高，N2中菱鎂礦分解的初始溫度約為460 ℃，當氣氛中CO2質量分數為30%時，菱鎂礦粉的初始分解增加至510 ℃，而菱鎂礦粉在CO2中的初始分解溫度則升高至560 ℃，充分證明了CO2抑制了菱鎂礦的分解，CO2含量越高，抑制作用越明顯。

圖1 TGA中升溫速率為10 ℃·min-1時不同氣氛中菱鎂礦粉的熱分解曲線

圖2顯示了TGA中不同升溫速率下菱鎂礦粉分解轉化率與溫度的關系。可以清晰地看到，升溫速率的改變并不影響菱鎂礦轉化率隨溫度變化的趨勢，但由于傳熱因素的影響，升溫速率越高，菱鎂礦粉初始分解溫度以及分解完全時的溫度變高，即同一個轉化率下，隨升溫速率的增加，得到相同轉化率所需的溫度逐漸升高。

圖2 TGA中不同升溫速率下菱鎂礦粉分解反應轉化率隨溫度的變化關系

2.2 菱鎂礦分解反應活化能的計算

根據圖3獲得的不同轉化率（0.2~0.8）對應的分解溫度，利用式（2）可以得到菱鎂礦粉在不同轉化率下lg與1/的關系，并對其進行擬合，如圖3所示。線性擬合后的所有直線的相關系數2均高于0.99，證明了實驗結果具有良好的重現性。根據擬合曲線的斜率可計算出不同轉化率下的活化能值，結果如圖4所示，對轉化率與活化能的關系進行線性擬合，并將轉化率外推至0，得到30% CO2氣氛中的菱鎂礦粉分解的表觀活化能為407.7 kJ·mol-1，CO2氣氛中的表觀活化能為474.4 kJ·mol-1。

2.3 菱鎂礦分解反應機理函數的確定

菱鎂礦的分解反應是典型的氣固反應，因此結合文獻選取了三種最可能的機理模型[8]，分別為成核與生長控制模型()= -ln(1-)，三維相邊界反應（球形對稱）()=1-(1-)1/3，二維相邊界反應（圓柱形對稱）()=1-(1-)1/2，將其分別代入式（3）中，對ln[()/T2]-1/作圖后進行線性擬合，根據擬合后的直線斜率求得各個升溫速率下的活化能以及相關系數，部分結果列于表1。

表1 根據文獻報道的機理模型利用Coats-Redfern公式擬合的結果

從表1中可知，這三種機理模型擬合的相關系數均接近于1，但與FWO法計算的表觀活化能（30% CO2：407.7 kJ·mol-1；CO2：474.4 kJ·mol-1）相比，成核與生長控制模型()= -ln(1-)求得的活化能（CO2：432.6 kJ·mol-1，30%CO2+70%N2：369.0 kJ·mol-1）與之最相近，即為該條件下菱鎂礦分解反應的最概然機理模型。

圖3 TGA中不同轉化率對應下的lgβ與1/T的線性擬合

將上述得到的機理模型函數代入式（3）后，得到30% CO2和CO2氣氛中菱鎂礦粉分解反應的指前因子lg分別為20.1 s-1和16.9 s-1。結果列于表2中。結果表明在含CO2氣氛中菱鎂礦粉分解的活化能均高于氮氣中[8]的結果，證明了CO2嚴重抑制了菱鎂礦的分解。

圖4 活化能與轉化率的關系

表2 含不同CO2質量分數的氣氛中菱鎂礦粉分解反應的動力學參數

3 結論

本文利用TGA測定了30% CO2及CO2氣氛中菱鎂礦粉分解的反應動力學。30% CO2氣氛中測得的菱鎂礦粉分解的表觀活化能和指前因子分別為407.7 kJ·mol-1和 1017s-1，低于CO2氣氛中測得的值（：474.4 kJ·mol-1；A：1020s-1），均高于N2中的結果，兩者均為成核與生長控制模型()= -ln(1-)；氣氛中CO2會抑制菱鎂礦粉的分解，CO2含量越高，菱鎂礦粉分解的初始分解溫度越高，活化能越高。

［1］DEMIR F, D?NMEZ B, OKUR H, et al. Calcination kinetic of magnesite from thermogravimetric data[J]., 2003, 81 (6): 618-622.

［2］周寶余，李志堅，吳鋒，等. 塊狀菱鎂礦熱分解機理及動力學方程的建立[J]. 人工晶體學報，2014，43(07)：1823-1828.

［3］張強，何宏平，陶奇.基于熱重分析的菱鎂礦分解動力學解析[J].巖石礦物學雜志，2014，33 (02)：391-396.

［4］劉欣偉，馮雅麗，李浩然. 菱鎂礦熱分解微分方程的建立[J].無機鹽工業，2011，43 (11)：15-18.

［5］TIAN L, TAHMASEBI A, YU J. An experimental study on thermal decomposition behavior of magnesite[J]., 2014, 118 (3):1577-1584.

［6］FLYNN J H, WALL L A. A quick, direct method for the determination of activation energy from thermogravimetric data[J]., 1966, 4: 323-328.

［7］CRIADO J M, ORTEGA A . Remarks on the discrimination of the kinetics of solid - state reactions from a single non-isothermal trace [J]., 1984, 29 (6):1225-1236.

［8］姜微微，郝文倩，劉雪景，等. 微型流化床內菱鎂礦輕燒反應特性及動力學[J]. 化工學報，2019，70 (08)：2928-2937.

Kinetics of Decomposition of Magnesite in Inhibitory Atmosphere Containing CO2

1,1,1,2

（1. Institute of Industrial Chemistry and Energy Technology, Key Laboratory on Resources Chemicals and Materials of Ministry of Education, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China; 2. State Key Laboratory of Multi-phase Complex Systems,Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）

Thermogravimetric analyzer (TGA) was adopted to study the kinetics of magnesite powder decomposition in atmospheres with different CO2content. The results showed that the presence of CO2inhibited seriously the decomposition of magnesite powder, which made apparent activation energy of magnesite powder significantly increase. The apparent activation energy and preexponential factor were 407.6 kJ·mol-1and 1017s-1in 30% CO2atmosphere, respectively, while these were 474.4 kJ·mol-1and 1020s-1in CO2atmosphere. Both of them followed the nucleation and growth control model() = - ln (1-).

Kinetics; Magnesite; Decomposition; Thermogravimetric analyzer

科技部重點研發計劃（項目編號：2018YFF01011400）；遼寧省教育廳基礎研究項目（項目編號：LJ2020028）。

2020-11-16

王櫻澈（1995-），女，碩士研究生，遼寧省鞍山市人。

劉雪景（1986-），女，講師，博士。

TQ 028.8

A

1004-0935（2020）12-1475-04