CN101628738A - 一种微波煅烧碱式碳酸钴生产四氧化三钴的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种微波煅烧碱式酸钴生产微细四氧化三钴的方法，即将碱式碳酸钴装入特制坩埚内并置于微波反应器内，将频率2.45GHz，输出功率为5－60kW的微波馈入反应器，并同时通入压缩空气，将物料从室温以20－100℃/min速率升温至400－700℃进行分解反应，保温10－30min，然后自然冷却至室温。本发明是利用处在氧化气氛下，碱式碳酸钴经坩埚的辅助加热部分分解，然后利用分解产物的强吸波特性使碱式碳酸钴升温速率加快并煅烧分解，得到微细四氧化三钴产品。本生产方法操作简单，生产的微细四氧化三钴粉末成分及粒度均匀。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种微波煅烧碱式碳酸钴生产四氧化钴的方法，属微波加热应用和材料制备技术领域。
二、背景技术
四氧化三钴是一种黑色或灰黑色粉末，理论钴含量为73.43％，氧含量26.57％，密度6.0-6.2g/cm3，广泛应用于超级电容器、硬质合金、压敏陶瓷、无机颜料、催化剂等方面。此外，四氧化三钴还是制备锂离子正极材料钴酸锂的主要原料。近年来，随着我国通讯和电子信息业的迅猛发展，对锂离子二次电池的需求不断增长。预计2010年以前我国对锂离子电池的需求将以每年20-30％的速度增长，10年后也将保持在10％左右的增长速度。目前四氧化三钴处于供不应求的局面。
公知的四氧化三钴主要通过热分解钴盐制得。该方法具有工艺简单、投资少、生产成本低的优点。然而，常规加热方式不论采用管式电炉还是电热回转炉均通过热传导和热辐射方式加热物料，致使生产周期长，生产效率低。如柳松等煅烧碱式碳酸钴制备了1-10μm微细氧化钴粉末，在500-700℃条件下煅烧时间长达5个小时。中国专利CN101066781提供的煅烧钴盐制备锂离子用四氧化三钴的三段煅烧工艺耗时高达8小时以上；另一方面，由于常规加热的“冷中心”问题，导致物料温度梯度大、产品成分及粒度不均匀。
微波作为一种绿色高效的加热方法，具有加热速率快、加热均匀、热效率高等特点。将微波用于钴盐的煅烧具有广阔的应用前景。目前，专利CN1718790A提供了一种微波煅烧分解钴盐的方法，其操作过程为：在竖式锥型炉膛内预先加入占炉膛容积10-15％的氧化钴，开启微波加热装置；待氧化钴温度升至400-800℃后启动进、出料螺旋，向炉膛内持续加入钴盐并通入压缩空气，分解产生的氧化钴从出料端回收。该专利提供的方法以预先加入的氧化钴为发热体，利用微波加热速率快，加热均匀等优点，解决了常规煅烧方法存在的生产周期长、产品成分及粒径不均匀等问题，但存在生产效率相对较低等弊端。因此，寻求一种高效、节能的新型煅烧方法势在必行。
三、发明内容
1、本发明的目的是提供一种微波煅烧碱式碳酸钴生产四氧化钴的方法，将钴湿法提取过程中经结晶、沉淀所得的碱式碳酸钴置于微波反应器中，将频率2.45GHz，输出功率为5-60kW的微波馈入反应器，并同时通入压缩空气，将物料从室温以20-100℃/min速率升温至400-700℃，保温10-30min，然后自然冷却至室温，得到四氧化三钴产品。
具体通过如下方式实现：
1、将钴湿法提取过程中经结晶、沉淀所得的粒径为100-250μm碱式碳酸钴干燥至水分含量为5质量％以下备用；
2、将干燥后碱式碳酸钴装入坩埚并置于微波反应器中，将频率2.45GHz，输出功率为5-60kW的微波馈入反应器，并同时通入压缩空气，调节微波输出功率，将物料从室温以20-100℃/min速率升温至400-700℃进行分解反应；
3、待物料温度升至预定温度后，保温10-30min，分解反应完成，然后自然冷却至室温，得到四氧化三钴产品。
四氧化三钴产品粒径和钴含量均达到YS/T256-2000标准。
本发明的工艺原理在于碱式碳酸钴系弱吸波物质，碱式碳酸钴在微波场中的升温速率较慢且无法达到其分解温度。本发明通过坩埚的辅助加热使碱式碳酸钴部分分解，然后利用分解产物的强吸波特性使碱式碳酸钴升温速率加快并煅烧分解，从而既解决了常规煅烧方法能耗高、生产周期长等弊端。
煅烧碱式碳酸钴制备微细四氧化三钴的反应机理如下：
Co5(OH)6(CO3)2·χH2O→Co5(OH)6(CO3)2+χH2O
Co5(OH)6(CO3)2+O2→Co3O4+CO2+H2O
本发明具有以下优点：
1、本发明根据物质吸波特性，采用特制的坩埚辅助加热弱吸波物质碱式碳酸钴使其发生部分分解，然后利用分解产物的强吸波特性使碱式碳酸钴升温速率加快并煅烧分解。
2、本方法充分利用微波加热速度快的特点，生产的微细四氧化三钴粉末成分及粒径均匀；
3、本方法工艺简单、生产周期短。
四、具体实施方式
实施例1；称取10g粒径为100-250μm的碱式碳酸钴装入特制坩埚并置于微波反应器中，开启微波加热开关，并同时通入50ml/min压缩空气；调节微波输出功率至10-15kW，将物料从室温以25℃/min速率升温至400℃煅烧分解，并在该温度下保温25min，煅烧分解完成，关闭微波自然冷却至室温，得到微细四氧化三钴产品。经分析测试，四氧化三钴产品中钴含量为72.8％，平均粒径为1-8μm。
实施例2：称取15g粒径为100-250μm的碱式碳酸钴装入特制坩埚并置于微波反应器中，开启微波加热开关，并同时通入100ml/min的压缩空气；调节微波输出功率至20-25kW，将物料从室温以30℃/min速率升温至550℃，并在该温度下保温15min，关闭微波自然冷却至室温，得到微细四氧化三钴产品。经分析测试，四氧化三钴产品中钴含量为73.2％，平均粒径为3-7μm。
实施例3：称取20g粒径为100-250μm的碱式碳酸钴装入特制坩埚并置于微波反应器中，开启微波加热开关，并同时通入150ml/min的压缩空气；调节微波输出功率至25-30kW，将物料从室温以40℃/min速率升温至650℃，并在该温度下保温10min，关闭微波自然冷却至室温，得到微细四氧化三钴产品。经分析测试，四氧化三钴产品中钴含量为73％，平均粒径为4-10μm。
Claims (4)
1、一种微波煅烧碱式酸钴生产微细四氧化三钴的方法，其特征在于：具体通过如下方式实现：
1)、将钴湿法提取过程中经结晶、沉淀所得的粒径为100-250μm碱式碳酸钴干燥至水分含量为5质量％以下备用；
2)、将干燥后碱式碳酸钴装入坩埚并置于微波反应器中，将频率2.45GHz，输出功率为5-60kW的微波馈入反应器，并同时通入压缩空气，调节微波输出功率，将物料从室温以20-100℃/min速率升温至400-700℃进行分解反应；
3)待物料温度升至预定温度后，保温10-30min，分解反应完成，然后自然冷却至室温，得到四氧化三钴产品。
2、根据权利要求1所述的微波煅烧碱式酸钴生产微细四氧化三钴的方法，其特征在于：称取10g粒径为100-250μm的碱式碳酸钴装入特制坩埚并置于微波反应器中，并同时通入50ml/min压缩空气，调节微波输出功率至10-15kW，将物料从室温以25℃/min速率升温至400℃煅烧分解，并在该温度下保温25min，煅烧分解完成，关闭微波自然冷却至室温，得到微细四氧化三钴产品。
3、根据权利要求1所述的微波煅烧碱式酸钴生产微细四氧化三钴的方法，其特征在于：称取15g粒径为100-250μm的碱式碳酸钴装入特制坩埚并置于微波反应器中，并同时通入100ml/min的压缩空气，调节微波输出功率至20-25kW，将物料从室温以30℃/min速率升温至550℃，并在该温度下保温15min，关闭微波自然冷却至室温，得到微细四氧化三钴产品。
4、根据权利要求1所述的微波煅烧碱式酸钴生产微细四氧化三钴的方法，其特征在于：称取20g粒径为100-250μm的碱式碳酸钴装入特制坩埚并置于微波反应器中，并同时通入150ml/min的压缩空气，调节微波输出功率至25-30kW，将物料从室温以40℃/min速率升温至650℃，并在该温度下保温10min，关闭微波自然冷却至室温，得到微细四氧化三钴产品。
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