CN103318939A - 一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于稀土冶金领域,具体涉及一种一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法。本发明方法是首先将焙烧炉温度控制在400~1700℃,然后将含有浓度为10~350g/L稀土氯化物、浓度为0.1~500g/L羧酸或碳酸添加剂的溶液,与流速为5~8000升/小时的载体压缩气体混合后喷入焙烧炉内,焙烧1~60秒,焙渣经自然冷却,获得稀土氧化物含量大于90wt%的实心球状粉末产物。由于本发明采用三价稀土氯化物溶液为原料,因此生产工艺过程中不采用碳铵和有毒性的草酸,不产生传统工艺中在灼烧过程中排放二氧化碳,极大的降低了对环境的污染。一步热分解可以制备获得实心球状的粉末。
Description
技术领域
本发明属于稀土冶金领域,具体涉及一种一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法。
背景技术
随着科学技术的发展,作为制备新材料的基础材料之一的稀土氧化物得到了越来越广泛的应用。稀土氧化物是稀土生产中最常见的中间产品,可进一步用于生产稀土金属、合金和功能材料等。目前稀土氧化物的制备向着具有特殊物理化学性质的方向发展,如要求制备不同粒径、不同比表面积的稀土氧化物和稀土复合物粉体等。
稀土金属在空气中氧化、在空气中灼烧稀土的氢氧化物以及含挥发性酸根的稀土盐类(如:草酸盐、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐等)就可以得到稀土氧化物。一般形成倍半氧化物(RE2O3),铈形成CeO2,镨形成Pr6O11(Pr2O3·4PrO2),铽形成Tb4O7(Tb2O3·2TbO2)。工业上一般用在空气中灼烧稀土碳酸盐或稀土草酸盐的方法制备稀土氧化物。
化学工业出版社出版的《稀土冶金学》173页中公开了草酸盐沉淀法或碳铵沉淀法制备稀土氧化物的工艺。其中草酸盐沉淀法是:将含20~100g/L的稀土氯化物溶液,调节pH为2~3左右,然后加热到80~90℃,在搅拌条件下加入固体草酸进行沉淀,草酸的用量是稀土氧化物质量的1.2~1.4倍,沉淀30分钟后,过滤得到草酸稀土,将草酸稀土在800~900℃下灼烧2小时得到稀土氧化物,而此稀土氧化物即可作为商品出售。值得注意的是草酸具有一定毒性,且其存在于废水中,污染环境。同时无论草酸沉淀法或碳铵沉淀法,灼烧稀土沉淀过程中将排放大量的二氧化碳,这使得企业的碳排放量增加。另外,此方法沉淀后的滤液中含有大量的氯根,无法得到利用,也会造成环境污染。
中国专利申请,申请号为200410036484.1公开了一种制备稀土氧化物的方法,该方法为解决草酸盐沉淀法或碳铵沉淀法制备稀土氧化物过程中,劳动强度大、设备损耗大、污染严重、分解不均衡、一致性差和影响产品质量等问题,提出了一种可连续实施灼烧分解稀土碳酸盐或草酸盐制备稀土氧化物的技术方案,并设计了灼烧设备。此工艺可减轻劳动强度、提高生产效率、提高产品质量。然而该工艺仍采用草酸或碳铵沉淀稀土,这无法避免灼烧过程中碳的排放和环境的污染。
中国专利申请号201010534886.X、201010534886.X、201210081225.5、201210190297.3公开了喷雾热解制备稀土氧化物的方法,提供了溶液浓度、焙烧温度、气流量等条件,并获得了纯度大于99%的稀土氧化物粉产品。但上述方法获得的粉末多为空心球状或碎片状,这对于稀土氧化物直接应用于抛光、催化等领域,以及在电解制备稀土金属过程均会造成不利影响。而避免上述不利影响的方法,最为方便的是直接在喷雾热解制备过程中获得实心球状的稀土氧化物粉末。徐华蕊等人采用向氯化铈溶液中添加草酸酯的方法,热分解制备获得了实心球状的氧化铈,但其方法存在如下问题,其一热分解过程分为两段,第一段焙烧先生成草酸铈,而后进行第二段焙烧分解草酸铈制备氧化铈,这就导致了该种方法工艺控制和设备结构复杂,从而导致成本增加。其二该方法采用了价格较高的草酸酯不利于工业应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法,可实现稀土氯化物溶液直接分解获得实心球状氧化物粉末,避免了碳酸氢铵或草酸沉淀在焙烧方法带来的原料消耗。
实现本发明目的的技术方案是:
首先将焙烧炉温度控制在400~1700℃,然后将含有浓度为10~350g/L稀土氯化物、浓度为0.1 ~500g/L羧酸或碳酸添加剂的溶液,与流速为5~8000升/小时的载体压缩气体混合后喷入焙烧炉内,焙烧1~60秒,焙渣经自然冷却,获得稀土氧化物质量百分比大于99%的实心球状粉末产物。
所述的稀土氯化物是氯化铈、氯化镧、氯化镨、氯化钕、氯化钐、氯化铕、氯化钆、氯化铽、氯化镝、氯化钬、氯化铒、氯化铥、氯化镥、氯化钇或由其中任意几种稀土氯化物组成的混合稀土氯化物。
所述的羧酸添加剂是草酸、柠檬酸、EDTA、乳酸或醋酸;所述的碳酸添加剂是碳酸氢铵、碳酸铵、碳酸钠、碳酸钾或碳酸镁。
所述的载体压缩气体是空气、氧气、氩气、氮气、二氧化碳或其中两种或两种以上的混合气体。
与现有技术相比,本发明的特点及其有益效果是:
(1)本发明方法选用了羧酸添加剂,使稀土氯化物直接一步热分解得到制备获得实心球状的粉末稀土氧化物,从而简化了工艺参数控制和设备结构复杂,降低了成本;
(2)本发明方法中采用的羧酸添加剂,与酯类相比价格低廉,有利于工业应用;
(3)本发明方法中采用羧酸添加剂,而稀土羧酸络合物溶解度高,沉淀pH值较高,可以避免稀土元素在设备管路中形成沉淀,从而堵塞管路,造成设备无法正常运行;
(4)本发明采用三价稀土氯化物溶液为原料,因此生产工艺过程中不采用碳铵和有毒性的草酸,不产生传统工艺中在灼烧过程中排放二氧化碳,极大的降低了对环境的污染。
附图说明
图1是实施例1制备的氧化铈的扫描电镜图片;
图2是实施例1制备的氧化铈的XRD图;
图3是对比例制备的氧化铈的扫描电镜图片;
图4是实施例2制备的氧化镧的XRD图;
图5是实施例3制备的氧化镨的XRD图;
图6是实施例4制备的氧化钕的XRD图;
图7是实施例5制备的氧化钐的XRD图;
图8是实施例6制备的氧化铕的XRD图;
图9是实施例7制备的氧化钆的XRD图;
图10是实施例8制备的氧化铽的XRD图;
图11是实施例9制备的氧化镝的XRD图;
图12是实施例10制备的氧化钬的XRD图;
图13是实施例11制备的氧化铒的XRD图;
图14是实施例12制备的氧化铥的XRD图;
图15是实施例13制备的氧化镥的XRD图;
图16是实施例14制备的氧化钇的XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明,但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
本发明中所用的稀土氯化物、羧酸、碳酸添加剂的质量纯度均大于90%。
实施例1
首先将焙烧炉温度控制在400℃,然后将含有浓度为350g/L氯化铈、浓度为10g/L草酸的溶液,与流速为800升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧20秒,焙渣经自然冷却,获得氧化铈含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其扫描电镜图如图1所示,从图1中可以看出球状氧化铈粒度均匀,平均粒度为纳米级;其XRD图如图2所示,从图2中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高。
对比例
首先将焙烧炉温度控制在400℃,然后将含有浓度为350g/L氯化铈的溶液,与流速为800升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧20秒,焙渣经自然冷却,获得氧化铈产物,其扫描电镜图如图3所示,从图3中可以看出氧化铈为球状或碎片状,明显不如实施例1中的球状氧化铈粒度均匀饱满。
实施例2
首先将焙烧炉温度控制在600℃,然后将含有浓度为280g/L氯化镧、浓度为0.1g/L柠檬酸的溶液,与流速为80升/小时的载体压缩氧气混合后喷入焙烧炉内,焙烧60秒,焙渣经自然冷却,获得氧化镧含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图4所示,从图4中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例3
首先将焙烧炉温度控制在700℃,然后将含有浓度为80g/L氯化镨、浓度为0.1g/L碳酸铵的溶液,与流速为180升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧4秒,焙渣经自然冷却,获得氧化镨含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图5所示,从图5中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例4
首先将焙烧炉温度控制在800℃,然后将含有浓度为200g/L氯化钕、浓度为20g/L EDTA的溶液,与流速为5升/小时的载体压缩氩气混合后喷入焙烧炉内,焙烧30秒,焙渣经自然冷却,获得氧化钕含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图6所示,从图6中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例5
首先将焙烧炉温度控制在900℃,然后将含有浓度为200g/L氯化钐、浓度为20g/L 碳酸氢铵的溶液,与流速为5升/小时的载体压缩空气和氩气混合气体混合后喷入焙烧炉内,焙烧30秒,焙渣经自然冷却,获得氧化钕含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图7所示,从图7中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例6
首先将焙烧炉温度控制在1000℃,然后将含有浓度为150g/L氯化铕、浓度为50g/L乳酸的溶液,与流速为15升/小时的载体压缩氮气混合后喷入焙烧炉内,焙烧10秒,焙渣经自然冷却,获得氧化铕含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图8所示,从图8中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例7
首先将焙烧炉温度控制在1100℃,然后将含有浓度为200g/L氯化钆、浓度为100g/L醋酸的溶液,与流速为30升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧5秒,焙渣经自然冷却,获得氧化钆含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图9所示,从图9中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例8
首先将焙烧炉温度控制在1200℃,然后将含有浓度为300g/L氯化铽、浓度为150g/L醋酸的溶液,与流速为50升/小时的载体压缩氩气和氮气混合气体混合后喷入焙烧炉内,焙烧1秒,焙渣经自然冷却,获得氧化铽含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图10所示,从图10中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例9
首先将焙烧炉温度控制在1300℃,然后将含有浓度为350g/L氯化镝、浓度为200g/L碳酸钠的溶液,与流速为150升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧12秒,焙渣经自然冷却,获得氧化镝含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图11所示,从图11中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例10
首先将焙烧炉温度控制在1400℃,然后将含有浓度为300g/L氯化钬、浓度为250g/L乳酸的溶液,与流速为3000升/小时的载体压缩空气和二氧化碳混合气体混合后喷入焙烧炉内,焙烧20秒,焙渣经自然冷却,获得氧化钬含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图12所示,从图12中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例11
首先将焙烧炉温度控制在1500℃,然后将含有浓度为350g/L氯化铒、浓度为500g/L碳酸钾的溶液,与流速为1000升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧25秒,焙渣经自然冷却,获得氧化铒含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图13所示,从图13中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例12
首先将焙烧炉温度控制在1600℃,然后将含有浓度为300g/L氯化铥、浓度为300g/L醋酸的溶液,与流速为1000升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧35秒,焙渣经自然冷却,获得氧化铥含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图14所示,从图14中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例13
首先将焙烧炉温度控制在1700℃,然后将含有浓度为350g/L氯化镥、浓度为500g/L碳酸镁的溶液,与流速为8000升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧40秒,焙渣经自然冷却,获得氧化镥含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图15所示,从图15中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
实施例14
首先将焙烧炉温度控制在1700℃,然后将含有浓度为10g/L氯化钇、浓度为30g/L醋酸的溶液,与流速为5000升/小时的载体压缩空气混合后喷入焙烧炉内,焙烧20秒,焙渣经自然冷却,获得氧化钇含量大于90wt%的实心球状粉末产物,其XRD图如图16所示,从图16中可以看出图谱中没有其他元素的杂峰出现,粉末纯度较高,经扫描电镜检测,是粒度均匀的球状物。
Claims (4)
1.一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法,其特征在于按照以下步骤进行:
首先将焙烧炉温度控制在400~1700℃,然后将含有浓度为10~350g/L稀土氧化物的稀土氯化物、浓度为0.1 ~500g/L羧酸或碳酸添加剂的溶液,与流速为5~8000升/小时的载体压缩气体混合后喷入焙烧炉内,焙烧1~60秒,可获得稀土氧化物含量大于90wt%的实心球状粉末产物。
2.根据权利要求1所述的一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法,其特征在于所述的稀土氯化物是氯化铈、氯化镧、氯化镨、氯化钕、氯化钕、氯化钐、氯化铕、氯化钆、氯化铽、氯化镝、氯化钬、氯化铒、氯化铥、氯化镥、氯化钇,或由其中任意几种稀土氯化物组成的混合稀土氯化物。
3.根据权利要求1所述的一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法,其特征在于
所述的羧酸添加剂是草酸、柠檬酸、EDTA、乳酸或醋酸;所述的碳酸添加剂是碳酸氢铵、碳酸铵、碳酸钠、碳酸钾或碳酸镁。
4.根据权利要求1所述的一步喷雾热分解制备实心球状稀土氧化物的方法,其特征在于所述的载体压缩气体是空气、氧气、氩气、氮气、二氧化碳或其中两种或两种以上的混合气体。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130925 |