噴霧熱解工藝生產氧化亞鎳的探索與實踐

龔繼寶，韓俊文(金川集團鎳鹽有限公司，甘肅 金昌 737100)

0 引言

氧化亞鎳(NiO)外觀為灰綠色粉末狀固體，是一種常見的無機化合物，是二價鎳的氧化物，生活中應用廣泛，在陶瓷工業中用作瓷釉的密著劑、著色劑和色料的原料，磁性材料生產中用作鎳鋅鐵氧體的原料，玻璃工業中用作茶色玻璃和顯像管玻殼的著色劑，也是制造鎳鹽、鎳催化劑和二次電池的材料[1-9]。不同尺寸的氧化亞鎳其性能不同，因此，制備粒徑均勻且分散性好的氧化亞鎳是目前新功能材料的熱點研究對象之一。碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳此前已有相關研究[10-12]。曹榮等[13]研究了碳酸鎳在空氣和氮氣中熱分解過程，以及煅燒氣氛對分解產物氧化亞鎳晶粒大小和還原程度的影響；而楊在志等[14]研究了碳酸鎳在空氣和氬氣中的不同熱分解溫度的影響。以上研究均為小型實驗，只對氧化亞鎳的反應原理及變化進行了探討，并未對工業生產工藝等進行研究。

通常來說，傳統制備氧化亞鎳的方法是采用碳酸鎳煅燒生產氧化亞鎳，其工藝成本較高，隨著科技發展已經逐漸被社會所淘汰，因此選擇一種代替傳統火法煅燒制備氧化亞鎳的工藝在工業生產上已刻不容緩。噴霧熱解法是一種較為新穎的方法，最早出現在20世紀60年代末期，通常是指溶劑蒸發與金屬鹽熱解在瞬間同時發生，生成產物與原料鹽具有不同的化學組成，也稱噴霧焙燒法。本研究以氯化鎳溶液為原料，探討噴霧熱解法制備氧化亞鎳的工藝，對其可行性及工業使用價值進行討論。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器設備

碳酸鎳，工業品，綠色顆粒感較大的粉末；氯化鎳溶液，工業品；工業噴霧熱解設備。

1.2 反應原理

1.2.1 碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳原理

NiCO3在空氣中熱分解的方程式可以分為以下三個步驟：

由方程式(1)～式(3)疊加，可得到NiCO3在空氣中熱分解總反應方程式：

以NiCO3在空氣中的熱分解結果為理論依據，NiCO3熱分解的最終產物均為NiO。

將濕碳酸鎳干燥后加入旋流動態煅燒爐內分解成氧化鎳，固體粉料經洗滌、固液分離、干燥篩分后包裝。主要反應方程式為：

1.2.2 氯化鎳溶液噴霧熱解制備氧化亞鎳原理

噴霧熱解原理是將氯化鎳溶液經噴嘴霧化成微米級霧滴，形成氣溶膠，在高溫下快速干燥成超細粉體，同時進行化學反應。過程中反應機理為：

利用高溫環境供給活化能，氯化鎳進行離解，體現在鎳氧間化學鍵斷裂，此后鎳原子與水離解產生的氧原子進行氧化反應得到氧化亞鎳。

1.3 氧化亞鎳生產工藝

1.3.1 碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳工藝

碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳工藝流程如圖1所示。將碳酸鎳經旋流動態煅燒爐煅燒后，通過洗滌、干燥、篩分、包裝工序處理，即為氧化亞鎳產品。此工藝流程需要經碳酸鎳合成和煅燒制備氧化亞鎳兩大工序進行，工藝流程繁瑣，工藝控制點較多，使用水量較大。

圖1 碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳工藝流程圖

1.3.2 氯化鎳溶液噴霧熱解制備氧化亞鎳工藝

氯化鎳溶液生產氧化亞鎳工藝流程圖如圖2所示。氯化鎳溶液經噴霧熱解、洗滌、閃蒸干燥、包裝得到氧化亞鎳產品，噴霧熱解過程產出的鹽酸返回萃取工序。

圖2 氯化鎳溶液噴霧熱解生產氧化亞鎳工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 生產工藝流程成本

氯化鎳溶液噴霧熱解生產氧化亞鎳，減少了中間物料的周轉環節，且噴霧熱解工藝采用天然氣，碳酸鎳煅燒工藝采用柴油，因此相比碳酸鎳煅燒工藝流程短，能耗低，生產效率高，廢水處理量較少。經計算，兩種工藝比較，氯化鎳溶液噴霧熱解工藝比碳酸鎳煅燒生產氧化亞鎳可節約加工費用30%。

2.2 氧化亞鎳產品質量

2.2.1 碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳工藝產品

碳酸鎳物料由碳酸鈉溶液和硫酸鎳溶液合成、陳化后制得。為進一步促進溶液中未反應完全的碳酸根和鎳反應，對其反應后的上清液檢測合格后外排，同時洗滌過程中的洗滌上清液采取外排方式處理，生產過程中廢水量較大。外排上清液中鎳含量如表1所示，外排上清液中鎳含量均小于0.015 g/L，達不到外排廢水要求，需要進一步處理。

表1 外排碳酸鎳上清液中鎳含量表 單位：g/L

合成的碳酸鎳成分表如表2所示，其鎳含量均在46.8 g/L左右，鈉雜質含量不穩定，碳酸鎳產品質量波動較大，造成氧化亞鎳產品的品質波動且易結爐，進而影響氧化亞鎳的生產。

表2 碳酸鎳成分 單位：g/L

碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳工藝流程較長，分別進行碳酸鎳合成和氧化亞鎳煅燒制備工序，設備能耗較大。碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳的成分表如表3所示，其鎳含量均處于75～76 g/L，產品中鈣鎂鈉合量小于1 g/L，相比氧化亞鎳產品標準(如表4所示)，所制備的氧化亞鎳產品屬于二級品，產品質量波動較大，對下游工序的使用易造成影響。

表3 碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳的成分 單位：g/L

表4 氧化亞鎳產品標準 單位：g/L

2.2.2 氯化鎳溶液噴霧熱解制備氧化亞鎳工藝產品

氯化鎳溶液是經萃取工序生產所得，其組分如表5所示。其生產過程較為穩定，組分相對均一，雜質含量波動較小，對后續氧化亞鎳的生產影響較少，且外排廢水量較小。

從表5可以看出，氯化鎳溶液中鎳含量均大于130 g/L，鎳含量較高，能夠減少生產過程中的運輸成本和生產成本，對設備能耗也有降低。另外鈣鎂鈉元素含量較低，相比較碳酸鎳產品而言，其鈣鎂鈉合量較為穩定，含量較低，對后續氧化亞鎳產品質量有一定程度的提高。

表5 氯化鎳溶液成分 單位： g/L

噴霧熱解法制備氧化亞鎳的成分如表6所示，從中可以看出，其鎳含量均大于77.5 g/L，所制備氧化亞鎳產品屬于一級品或特級品，產品中鈣鎂鈉合量小于1 g/L，滿足產品雜質元素要求標準，其余元素含量均滿足產品要求，同時具有流程短，能耗低，生產成本低，產品質量穩定等優點。

表6 噴霧熱解制備氧化亞鎳的成分 單位：g/L

3 結語

碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳工藝與氯化鎳溶液噴霧熱解制備氧化亞鎳工藝相比較，氯化鎳溶液噴霧熱解制備氧化亞鎳工藝流程短，能耗低，可節約加工費用30%，工藝關鍵控制點較少，廢水消耗量較低。碳酸鎳煅燒制備氧化亞鎳產品，滿足二級品品質，而噴霧熱解工藝制備出的氧化亞鎳產品品質穩定，鎳含量較高，雜質元素含量較低，滿足一級品或特級品質量要求。綜合而言，噴霧熱解工藝可行性及工業生產發展前景均較佳。