【康沃真空網(wǎng)】在真空條件下，本文采用熱力學(xué)分析方法計(jì)算真空下銦礦碳熱還原反應(yīng)過程中發(fā)生的反應(yīng)的吉布斯自由能以及起始反應(yīng)溫度。結(jié)果表明，當(dāng)壓力為10 Pa、溫度高于380 K 時(shí)，In2O3 與C 的反應(yīng)滿足反應(yīng)發(fā)生的熱力學(xué)條件。在同一體系壓力下，物料In2O3：C 摩爾比為1：3 時(shí)，反應(yīng)生成單質(zhì)In 所需的溫度是z*低的。
在碳量充足條件下In2O3 可直接被還原生成單質(zhì)銦，隨著碳的消耗，In2O3 的碳熱反應(yīng)會(huì)生成中間產(chǎn)物。由此，推算在真空碳熱反應(yīng)過程中，碳熱還原In2O3 的順序s*先生成In，隨著碳耗及升溫生成In2O，z*后生成InO。In2O3 熱分解生成In2O，隨著體系壓力的降低，反應(yīng)起始溫度降至423 K；中間產(chǎn)物In2O 熱分解生成單質(zhì)In，當(dāng)體系真空度降至10 Pa 時(shí)，起始溫度降為781 K；InO 與生成物CO 反應(yīng)，隨著體系壓力降低，吉布斯自由能增加，因此，降壓不利于InO 與CO 反應(yīng)。本文從熱力學(xué)角度探討真空制備銦熱力學(xué)可行性，為下一步實(shí)際生產(chǎn)提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
銦是一種稀有金屬，具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)、電子業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、太陽能電池制造、航天航空等行業(yè)。近年來，隨著科技的發(fā)展，銦的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)作用日趨重要，已發(fā)展成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的金屬材料之一。我國(guó)銦資源儲(chǔ)量豐富，居世界第一，但銦多伴生在鋅、鉛等礦中，工業(yè)上銦主要是從煉鋅及煉鉛過程中分離出來。由于銦沒有獨(dú)立的礦床多是伴生在鋅礦、鉛礦等礦物中，需要經(jīng)過較復(fù)雜的冶煉過程才能提取出來，基于此，作者提出采用熱力學(xué)分析研究在不同條件下真空碳熱還原法制銦的反應(yīng)條件，從熱力學(xué)角度研究了銦礦真空碳熱還原法制銦的可行性，為對(duì)后一步利用真空碳熱還原法制銦的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
碳熱還原反應(yīng)是用碳作為還原劑還原氧化物以制備單質(zhì)或者碳化物的方法。由于碳具有良好的還原性能，因此在工業(yè)生產(chǎn)上，碳作為還原劑得到了廣泛的應(yīng)用。在真空下用碳做還原劑時(shí)，隨還原溫度的升高可以將氧化物還原，還原反應(yīng)可以進(jìn)行的比較完全，同時(shí)反應(yīng)的溫度相比常壓條件下的反應(yīng)溫度要低。在還原過程中會(huì)生成多種中間產(chǎn)物，氧化銦被還原或被分解，通過熱力學(xué)計(jì)算銦的行為，得到氧化銦可能發(fā)生的反應(yīng)以及該反應(yīng)的起始溫度，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究方案提供理論指導(dǎo)。
1、熱力學(xué)理論計(jì)算數(shù)據(jù)
據(jù)相關(guān)資料查得相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)分別如表1、2 所示。
表1 氧化銦相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)
表2 主要相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)(△HΘ 298/J·mol-1)
2、小結(jié)
1)從銦礦In2O3 中制備單質(zhì)In，降低體系壓強(qiáng)，可大幅度降低起始反應(yīng)溫度。在常壓下反應(yīng)式(1)碳熱還原In2O3 反應(yīng)的理論起始反應(yīng)溫度為998 K，當(dāng)壓強(qiáng)減小為10 Pa 時(shí)的理論起始反應(yīng)溫度為380 K。
2)在常壓下，當(dāng)溫度達(dá)到1884 K 時(shí)，物料In2O3：C 摩爾比為1：1，反應(yīng)生成中間產(chǎn)物InO；當(dāng)系統(tǒng)壓力降到10 Pa 下，起始溫度可降低到729 K。在常壓下，當(dāng)物料In2O3：C 摩爾比為1：2，溫度達(dá)到1056 K 時(shí)，在反應(yīng)生成中間產(chǎn)物In2O，當(dāng)系統(tǒng)壓力降到10 Pa 下，起始溫度可降低到413 K。通過上述分析，在相同壓力下，反應(yīng)式(1)物料In2O3：C 摩爾比為1：3，反應(yīng)生成單質(zhì)In 所需的溫度是z*低的。
3)In2O3 熱分解生成In2O，在常壓下所需z*低溫度為1247 K，降至10 Pa 時(shí)為423 K；中間產(chǎn)物In2O 熱分解生成單質(zhì)In，在常壓下，起始溫度為2809 K，當(dāng)體系壓力降至10 Pa 時(shí)，起始溫度降為781 K；InO 與生成物CO 反應(yīng)，隨著體系壓力降低，吉布斯自由能增加，因此，降壓不利于InO 與CO 反應(yīng)。
4)根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算分析，在碳量充足條件下In2O3 可直接被還原生成單質(zhì)銦，隨著碳的消耗，In2O3 的碳熱反應(yīng)會(huì)生成中間產(chǎn)物。由此，推算在真空碳熱反應(yīng)過程中，碳熱還原In2O3 的順序s*先生成In，隨著碳耗及升溫生成In2O，再次生成InO。
