CN107720805A - 一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，以二氧化碳为氧化剂氧化金属锌蒸汽，合成氧化锌，其中，金属锌熔化和蒸发时，燃料燃烧产生的烟气提供二氧化碳；氧化过程中产生的煤气为金属锌的熔化和蒸发提供燃料。本发明中的反应过程不需要消耗其它能源，所述方法具有能源利用效率高、产品质量好、生产成本低等特点，生产过程中不需要消耗外来热源，具有更好的经济效益。通过CO2氧化锌蒸汽得到的氧化锌产品粒径小，性能优，用途广泛。

Description

一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法
技术领域
本发明涉及间接法氧化锌制备领域，尤其是一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法。
背景技术
氧化锌是一种重要的基础化工原料，广泛应用于橡胶、涂料、陶瓷等化工产品制造行业。氧化锌用途广泛，消费量大，每年用于生产氧化锌的锌量，约占总锌量的5％～10％。根据氧化锌的生产方法不同，可以将氧化锌分为间接法氧化锌、直接法氧化锌和活性氧化锌三种。间接法氧化锌是以金属锌锭或锌渣为原料，在坩埚内高温蒸发为锌蒸汽，然后鼓入空气氧化，并在冷却管后收集的氧化锌颗粒，产品中ZnO纯度可以达到99.7％。直接法氧化锌是以锌灰或氧化锌矿为原料，配加煤在平炉内加热还原为锌蒸汽，锌蒸汽与空气氧化，然后通过布袋收集氧化锌，其ZnO纯度一般在95％～99％。活性氧化锌是次氧化锌或含锌烟灰为原料，通过碳酸氢铵和氨水浸出，使氧化锌溶解得到锌铵络合物，再进化溶液，焙烧锌铵络合物得到活性氧化锌，其ZnO纯度一般在95％左右。
间接法氧化锌使用的原料为金属锌锭或锌渣，制备得到的氧化锌纯度可以达到99.7％，主要用于橡胶、电磁等行业，但传统间接法氧化锌生产企业使用的燃料为天然气，1吨氧化锌产品天然气耗量约为100m3，不但增加了间接法氧化锌的生产成本，而且对于没有天然气的地区而言，不能生产出该产品。传统间接法氧化锌生产使用的氧化气体为空气，由于空气是双原子气体，而一个ZnO分子需要一个O原子，所以一个O2分子可以生成两个ZnO分子，所以得到的氧化锌产品粒径较粗，属于毫米级，难以满足纳米级需求。
发明内容
鉴于以上分析，针对现有方案中的不足，本发明旨在提供一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，不需要消耗外来热源，实现锌蒸汽氧化与金属锌熔化和蒸发热的循环利用，获得的氧化锌产物比传统空气氧化获得的产物粒径更细小，性能更优。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，以二氧化碳为氧化剂氧化金属锌蒸汽，合成氧化锌，其中，金属锌熔化和蒸发时，燃料燃烧产生的烟气提供二氧化碳；氧化过程中产生的煤气为金属锌的熔化和蒸发提供燃料。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将金属锌加热至熔化；
步骤二、对步骤一中熔化的金属锌继续加热，使所述金属锌蒸发产生锌蒸汽；
步骤三、所述锌蒸汽进入氧化室，并向氧化室内通入含有二氧化碳的氧化烟气，在氧化温度下，锌蒸汽与二氧化碳反应生成氧化锌和煤气；
步骤四、步骤三合成的氧化锌随所述煤气依次通过重力沉降室，冷却管和布袋收尘器，在布袋收尘器中获得氧化锌产物；
步骤五、所述煤气经过煤气管道返回为金属锌的熔化和蒸发提供燃料。
进一步地，金属锌熔化和蒸发分别在两个容器内进行。
由于锌熔化和挥发的温度不同，为了增加产生锌蒸汽的速率，金属锌的熔化和挥发分别在不同的容器内进行。
进一步地，通过调节通入氧化烟气的流量来控制所述氧化温度。
进一步地，每吨金属锌中通入氧化烟气的流量为1000～2100m3。
由于锌和二氧化碳之间的反应为放热反应，随着氧化反应的进行，氧化室内的温度会逐渐增加，通过调节通入氧化烟气的流量来控制氧化室内的温度。另外，为了保证锌蒸汽能够完全氧化，气体的氧势要高，所以氧化气体要过量。
进一步地，所述步骤三中的氧化温度为900-1300℃。
根据锌蒸汽与二氧化碳之间氧化反应的吉布斯自由能可知，在温度1300℃以下可以进行该氧化反应，因此锌蒸汽氧化温度不能高于1300℃，而金属锌的挥发点为907℃，所以氧化温度不能低于900℃。
进一步地，所述步骤一和步骤二中加热时需通入氧气作为助燃气体。
进一步地，所述氧气的纯度在90％以上。
金属锌外加热熔化和蒸发工序的助燃气体为氧气，且氧气的纯度大于90％，可以保证烟气主要成分为CO2，以直接用于锌蒸汽的氧化。
进一步地，所述氧化锌产品粒径为50～800nm。
本发明还提供一种用于以金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的装置，所述装置包括加热室，氧化室，沉降室，冷却管和布袋收尘器；所述加热室，氧化室，沉降室，冷却管和布袋收尘器通过管道依次连接；所述加热室另有一路管道与氧化室连接，用于输送氧化烟气；所述布袋收尘器还另有一路管道与加热室连接，用于输送煤气为加热室提供燃料；所述加热室内设有两个加热容器，分别用于金属锌的熔化和蒸发，所述两个加热容器的下部相连通。
应用此装置制备氧化锌时，不需要消耗外来热源，实现了锌蒸汽氧化与金属锌熔化和蒸发热的循环利用。由于锌熔化和挥发的温度不同，为了增加产生锌蒸汽的速率，金属锌的熔化和挥发分别在两个容器内进行。两个容器的下部连通，这样熔化后的金属锌能够直接流入另一加热熔器，实现连续性生产。
本发明有益效果如下：
本发明提供一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，采用二氧化碳作为氧化剂与锌蒸汽发生反应生成氧化锌。加热金属锌时产生的烟气主要成分为CO2，采用该烟气作为锌蒸汽氧化介质，能够使金属锌氧化，生成氧化锌，由于锌蒸汽与CO2的反应没有与O2反应剧烈，因此得到的氧化锌粒径更小，性能更优。二氧化碳与锌反应生成氧化锌和CO，CO能够直接作为金属锌加热和蒸发的燃料，不需要消耗其它能源进行加热，从而实现了节能生产，通过热量计算，本发明中的反应过程不需要消耗其它能源，所述方法具有能源利用效率高、产品质量好、生产成本低等特点，生产过程中不需要消耗外来热源，具有更好的经济效益。通过CO2氧化锌蒸汽得到的氧化锌产品粒径小，性能优，用途广泛。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是锌蒸汽与二氧化碳反应的吉布斯自由能。
图2是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明所提供的一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，所述方法包括下述步骤：将金属锌放入第一个坩埚进行外加热熔化；熔化后的金属锌液进入第二个坩埚进行外加热蒸发；蒸发得到的锌蒸汽进入氧化室进行氧化，氧化气体为外加热产生的CO2氧化烟气，氧化后产生氧化锌和一氧化碳煤气；氧化锌粉尘随煤气分别通过重力沉降室和冷却管，然后通过布袋收尘器获得氧化锌产品；布袋收尘后的煤气作为外加热燃气，返回用于金属锌外加热熔化和蒸发工序。
具体地讲，金属锌外加热熔化和蒸发的燃料为布袋收尘后的一氧化碳煤气，该煤气热值高，金属锌熔化和蒸发不需要再外加热燃气，可以降低生产成本。锌蒸汽的氧化气体为金属锌熔化和蒸发工序过程中产生的烟气，主要成分为CO2，锌蒸汽氧化温度为900-1300℃，每吨金属锌氧化气体量为1000-2100m3。CO2氧化锌蒸汽得到的氧化锌产品粒径小，性能优，用途广泛。金属锌外加热熔化和蒸发工序的助燃气体为氧气，氧气的纯度大于90％，可以保证烟气主要成分为CO2，直接用于锌蒸汽的氧化。
本发明与传统间接法氧化锌生产工艺相比，传统间接法氧化锌生产时锌蒸汽的氧化介质为空气，氧化反应为：
2Zn(g)+O2(g)＝2ZnO
布袋收尘后的气体主要为N2，没有任何用途，只能排放。
而本发明中锌蒸汽的氧化介质为烟气，主要成分为CO2，氧化反应为：
Zn(g)+CO2(g)＝ZnO+CO(g)
Zn蒸汽与CO2氧化反应的吉布斯自由能如图1所示，由图可知，在温度1300℃以下上述反应可以进行，所以锌蒸汽氧化温度不能高于1300℃。金属锌的挥发点为907℃，所以氧化温度不能低于900℃。为了保证锌蒸汽能够完全氧化，气体的氧势要高，所以氧化气体要过量。由于锌和二氧化碳之间的反应为放热反应，随着氧化反应的进行，氧化室内的温度会逐渐增加，通过调节通入氧化烟气的流量来控制氧化室内的温度。布袋收尘后的气体主要成分为CO和CO2，可以作为金属锌外加热熔化和蒸发的燃料，从而实现能源的循环利用。此外，锌蒸汽与CO2的反应没有与O2反应剧烈，得到的氧化锌粒径更小，性能更优。
实施例1
工艺步骤为如下：将100kg锌锭放入第一个石墨坩埚进行外加热熔化；熔化后的金属锌液流入第二个石墨坩埚进行外加热蒸发，蒸发得到的锌蒸汽进入氧化室进行氧化，氧化气体为外加热产生的CO2烟气，烟气量为100m3，氧化温度为1300℃左右。氧化得到的氧化锌粉尘随气体分别通过重力沉降室、冷却管、然后通过布袋收尘获得氧化锌产品，氧化锌产品粒径100～800nm，布袋收尘后的煤气返回用于金属锌外加热熔化和蒸发工序，所用的助燃风为氧含量90％的氧气。
实施例2
工艺步骤为如下：将100kg锌渣放入第一个碳化硅坩埚进行外加热熔化；熔化后的金属锌液流入第二个碳化硅坩埚进行外加热蒸发，蒸发得到的锌蒸汽进入氧化室进行氧化，氧化气体为外加热产生的CO2烟气，烟气量为150m3，氧化温度为1150℃左右。氧化得到的氧化锌粉尘随气体分别通过重力沉降室、冷却管、然后通过布袋收尘获得氧化锌产品，氧化锌产品粒径50～500nm，布袋收尘后的煤气返回用于金属锌外加热熔化和蒸发工序，所用的助燃风为氧含量95％的氧气。
实施例3
工艺步骤为如下：将100kg锌渣放入第一个石墨坩埚进行外加热熔化；熔化后的金属锌液流入第二个石墨坩埚进行外加热蒸发，蒸发得到的锌蒸汽进入氧化室进行氧化，氧化气体为外加热产生的CO2烟气，烟气量为200m3，氧化温度为950℃左右。氧化得到的氧化锌粉尘随气体分别通过重力沉降室、冷却管、然后通过布袋收尘获得氧化锌产品，氧化锌产品粒径50～500nm，布袋收尘后的煤气返回用于金属锌外加热熔化和蒸发工序，所用的助燃风为氧含量100％的氧气。
本发明还提供一种用于以金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的装置，包括加热室，氧化室，沉降室，冷却管和布袋收尘器；所述加热室，氧化室，沉降室，冷却管和布袋收尘器通过管道依次连接；所述加热室另有一路管道与氧化室连接，用于输送氧化烟气；所述布袋收尘器还另有一路管道与加热室连接，用于输送煤气为加热室提供燃料。加热室内设有两个加热容器，分别用于金属锌的熔化和蒸发，两个加热容器的下部相连通，提高产生锌蒸汽的速率，同时熔化后的金属锌能够直接流入另一加热熔器，实现连续性生产。
综上所述，本发明提供一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，采用二氧化碳作为氧化剂与锌蒸汽发生反应生成氧化锌。加热金属锌时产生的烟气主要成分为CO2，利用该烟气作为锌蒸汽氧化介质，使金属锌氧化，生成氧化锌，CO2与锌反应生成氧化锌和CO，CO能够直接作为金属锌加热和蒸发的燃料，通过热量计算，本发明中的反应过程不需要消耗其它能源，从而实现了节能生产，具有能源利用效率高、产品质量好、生产成本低等特点，有更好的经济效益。通过CO2氧化锌蒸汽得到的氧化锌产品粒径小，性能优，用途广泛。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，以二氧化碳为氧化剂氧化金属锌蒸汽，合成氧化锌，其中，金属锌熔化和蒸发时，燃料燃烧产生的烟气提供二氧化碳；氧化过程中产生的煤气为金属锌的熔化和蒸发提供燃料。
2.根据权利要求1所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将金属锌加热至熔化；
步骤二、对步骤一中熔化的金属锌继续加热，使所述金属锌蒸发产生锌蒸汽；
步骤三、所述锌蒸汽进入氧化室，并向氧化室内通入含有二氧化碳的氧化烟气，在氧化温度下，锌蒸汽与二氧化碳反应生成氧化锌和煤气；
步骤四、步骤三合成的氧化锌随所述煤气依次通过重力沉降室，冷却管和布袋收尘器，在布袋收尘器中获得氧化锌产物；
步骤五、所述煤气经过煤气管道返回为金属锌的熔化和蒸发提供燃料。
3.根据权利要求2所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，金属锌熔化和蒸发分别在不同的容器内进行。
4.根据权利要求2所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，通过调节通入氧化烟气的流量来控制所述氧化温度。
5.根据权利要求2或3所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，每吨金属锌中通入氧化烟气的流量为1000～2100m3。
6.根据权利要求2-5中任一项所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，所述步骤三中的氧化温度为900～1300℃。
7.根据权利要求2所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中加热时需通入氧气作为助燃气体。
8.根据权利要求7所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，所述氧气的纯度在90％以上。
9.根据权利要求1所述金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的方法，其特征在于，所述氧化锌产品粒径为50～800nm。
10.一种用于以金属锌非平衡氧化法制备纳米氧化锌的装置，其特征在于，所述装置包括加热室，氧化室，沉降室，冷却管和布袋收尘器；所述加热室，氧化室，沉降室，冷却管和布袋收尘器通过管道依次连接；所述加热室另有一路管道与氧化室连接，用于输送氧化烟气；所述布袋收尘器还另有一路管道与加热室连接，用于输送煤气为加热室提供燃料；所述加热室内设有两个加热容器，分别用于金属锌的熔化和蒸发，所述两个加热容器的下部相连通。
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