化學(xué)冶金法制備材料技術(shù)(已修改)
2025-01-06 08:17 本頁(yè)面
【正文】 化學(xué)冶金法制備材料技術(shù) 四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 周大利 2023年 9月 第二篇 化學(xué)冶金法制備材料技術(shù) ? 化學(xué)冶金法制備材料技術(shù)即以化學(xué)的方法制備材料的技術(shù) ,它將濕法冶金與材料化學(xué)相結(jié)合 ， 由金屬的礦產(chǎn)或再生資源直接制備高新材料 。 ? 為了制備性能優(yōu)異的材料 ， 各種化學(xué) 、物理 、 冶金 、 化工 、 機(jī)械加工方法得到綜合應(yīng)用 。 冶金與制備相結(jié)合從單純的金屬提取向新材料制備延伸 ,向深層加工發(fā)展 ,已成為冶金和材料學(xué)科發(fā)展的一大趨勢(shì) 。 ? 液相沉積法是新型粉體制備的重要方法 ， 特別是它與濕法冶金工藝聯(lián)合 ， 具有成本低 ， 產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn) ， 因而得到迅速發(fā)展 ， 形成獨(dú)具特色的化學(xué)材料冶金新學(xué)科 。 ? ? 化學(xué)材料冶金將濕法冶金的一些新技術(shù) ， 如金屬的濕法提取和金屬離子溶液的高度純化技術(shù) 、 電沉積 、 還原沉積 、 化學(xué)沉淀 、 水熱合成等應(yīng)用于新型粉體材料的制備中 ， 與相鄰的學(xué)科和技術(shù)進(jìn)行交叉 、 滲透 ， 又可以開(kāi)發(fā)一系列新的制備方法 ， 新的材料和新的應(yīng)用領(lǐng)域 。 ? ? 化合物熱分解和水解法也是制取新材料的重要方法 ， 化學(xué)材料冶金的另一任務(wù)是研究純化合物 (可以是復(fù)式化合物 )熱分解和水解制備新材料的問(wèn)題 ， 包括無(wú)機(jī)鹽熱分解和金屬有機(jī)化合物熱分解及相應(yīng)化合物的水解 。 1. 離子液制取 ? 金屬離子溶液的制取過(guò)程實(shí)際是濕法冶金的浸出和凈化過(guò)程 ， 前者完成金屬由原料中的固態(tài)化合物 ， 或單質(zhì)向溶液狀態(tài)的金屬離子的轉(zhuǎn)化 ， 稱為 “ 粗液制取 ” ， 后一個(gè)過(guò)程完成粗液中金屬離子的相互分離和雜質(zhì)元素的脫除 ， 稱為 “ 離子液提純 ” 。 粗液制取 ? 以酸 、 堿 、 鹽的水溶液為浸出劑在一定的條件下 (溫度 、 壓力 、 氧化 — 還原電位 、 料漿濃度 、 混合或攪拌狀況 )將有價(jià)金屬?gòu)牡V物原料 、 再生原料或單質(zhì)原料中提取出來(lái) ， 并且金屬以離子 (或配合物 )形態(tài)進(jìn)入浸出劑中；然后采用濃密 、沉清 、 過(guò)濾等方法進(jìn)行液固分離 ， 即可得到一種含有價(jià)金屬離子的浸出液 ， 這種浸出液尚含多種雜質(zhì)元素的離子是不純凈的 ， 因此 ， 稱之為粗液 。 ? 在粗液的制取過(guò)程中 ， 產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng) ， 其中包括 氧化物及鹽類的溶解反應(yīng) 、 中和反應(yīng) 、 氧化還原反應(yīng) 等 。 這些反應(yīng)屬 液固 或 氣液固 非均相反應(yīng) ， 擴(kuò)散往往成為控制步驟 。 ? 提高溫度和壓力不僅能 改變熱力學(xué)性質(zhì) 使某些反應(yīng)易于實(shí)現(xiàn) ， 而且也可使反應(yīng)物在固相內(nèi)的擴(kuò)散顯著加快 ， 從而降低或消除 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué) 影響 ， 顯著提高浸出速度和浸出率 。 ? 由于溫度和壓力的提高 ， 使傳統(tǒng)的濕法冶金工藝發(fā)展成高壓濕法冶金工藝 ，其中以加拿大舍利特高爾頓 (Sherritt Gordon)高壓濕法冶金工藝為代表 ， 它能使硫化礦以較快的速度直接浸出 。 在溶劑方面 ， 也可以在加壓下 ， 用氨或堿性溶液借助高壓空氣氧化硫化物而完成浸出反應(yīng) 。 ? 人們?cè)诓劢に嚨幕A(chǔ)上開(kāi)發(fā)了堆浸和就地浸出工藝 ， 堆浸就是將低品位礦石或尾礦堆成浸堆 ， 然后向堆的上面均勻地噴淋浸出劑 ， 浸出有價(jià)金屬的浸液滲過(guò)堆層 ， 匯集到浸液接收槽內(nèi) 。 ? 就地浸出系根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)條件 ， 設(shè)置浸出劑分配供送系統(tǒng)和浸出液收集系統(tǒng) ，然后連續(xù)提供浸礦劑 ， 經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后 ，就可連續(xù)不斷地收集浸出液 。 堆浸和就地浸出投資少 ， 成本低；是采選冶交叉發(fā)展的重要學(xué)科方向 ， 特別適合低品位礦和尾礦資源的開(kāi)發(fā)利用 。 離子液提純 ? 分離提純金屬離子溶液的基本方法有 : ? 蒸餾法； ? 化合物沉淀法； ? 金屬沉淀法； ? 結(jié)晶法； ? 溶劑萃取法； ? 離子交換法 (含吸附法 )。 ? 蒸餾法 : ? 蒸餾是沸點(diǎn)不同的兩種或兩種以上混合成分的溶液 ， 利用揮發(fā)性較高的成分在氣相中濃度高于液相中濃度的原理 ， 藉加熱與冷凝等作業(yè) ， 使之增濃或提純 ， 甚至可以將各成分分離的操作 。 根據(jù)分離程度 、 液體性質(zhì) ， 蒸餾法可分為平衡蒸餾 、微分蒸餾 、 逐批蒸餾 、 精餾數(shù)種 。 ? 其中以精餾更為重要 ， 精餾乃利用精餾塔將物料自塔之中段適當(dāng)位置加入 ，在塔中溶液和蒸汽逆流接觸 ， 連續(xù)蒸餾以獲得自塔頂連續(xù)產(chǎn)出的塔頂產(chǎn)品與自塔底連續(xù)產(chǎn)出的塔底產(chǎn)品的蒸餾方法 。精餾裝置除了精餾塔以外 ， 還有與塔頂連接的冷凝器和與塔底連接的重沸器 ，精餾塔的加料板上部稱提濃段 ， 而加料板下部為汽提段 。 ? 精餾法是有機(jī)化學(xué)工業(yè) ， 特別是石油化工應(yīng)用最廣泛的分離和提純方法 。在金屬鹽類的提純方面 ， 由于某些金屬氯化物的易揮發(fā)性 ， 如在 GeCl TiClAsCl3及 SbCl3的提純上 ， 精餾法的應(yīng)用較為廣泛 。 ? 化合物沉淀法 : ? 通過(guò)控制溶液的酸堿度 、 沉淀劑濃度 ， 氧化還原電位使有價(jià)金屬離子或雜質(zhì)元素離子形成難溶的化合物沉淀析出 ，從而達(dá)到分離提純之目的 。 這種方法稱化合物沉淀法 。 根據(jù)沉淀析出原理 ， 化合物沉淀法可分為水解沉淀 、 硫化沉淀法和難溶鹽沉淀法 。 ?(1)水解沉淀 : ? 調(diào)節(jié)溶液的酸堿度使金屬離子以氫氧化物或堿式鹽形態(tài)析出的過(guò)程稱為水解沉淀 。 水解又可分為中和水解 、 稀釋水解及氧化 — 還原水解三種形式 。 向酸性金屬離子溶液加入堿或向堿性金屬離子溶液加入酸 ， 使其產(chǎn)生水解的過(guò)程稱中和水解 ， 其化學(xué)反應(yīng)通式為： ? ? nznzn OHMezHM eOH )(?? ??? ? 向金屬離子溶液中加水沖稀使之水解的過(guò)程稱沖稀水解。 ? 沖稀水解只限于在較高酸度下水解的金屬配合離子，例如 及 等。可求出它們?cè)谒膺^(guò)程中，總金屬離子濃度與總氯濃度的數(shù)模關(guān)系，利用這些數(shù)?？煽刂扑膺^(guò)程。 iiSb
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