RU2450972C1 - Method of producing zinc oxide powder - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: method of producing zinc oxide powder by oxidising zinc with oxygen while heating, where zinc metal first undergoes distillation at temperature lower than boiling point in a stream of an inert gas; the obtained powder is oxidised in a revolving reactor with a controlled atmosphere at temperature lower than the boiling point of zinc.

EFFECT: invention enables to obtain zinc oxide powder containing less impurities than the starting metal using commercial-grade zinc metal and industrial oxygen as starting materials.

3 cl

Description

Изобретение относится к области синтеза неорганических соединений, а именно к способу синтеза соединений цинка и, в частности, к способу синтеза оксида цинка.The invention relates to the field of synthesis of inorganic compounds, and in particular to a method for the synthesis of zinc compounds and, in particular, to a method for the synthesis of zinc oxide.

Известны способы синтеза оксида цинка разложением соединений цинка, в частности при окислительном термическом разложении оксалата (RU 2206508 C1) или при термическом разложении нитрата (RU 2047556 C1). Однако при этих способах требуется использование дополнительных исходных соединений, а получаемый оксид может содержать продукты неполного разложения предшественника.Known methods for the synthesis of zinc oxide by decomposition of zinc compounds, in particular by oxidative thermal decomposition of oxalate (RU 2206508 C1) or by thermal decomposition of nitrate (RU 2047556 C1). However, these methods require the use of additional starting compounds, and the resulting oxide may contain products of incomplete decomposition of the precursor.

Электрохимическое окисление металлического цинка (RU 2221748 C1) многостадийно и также требует использование дополнительных исходных соединений, что существенно усложняет процесс получения высокочистого порошка оксида цинка.The electrochemical oxidation of metallic zinc (RU 2221748 C1) is multistage and also requires the use of additional starting compounds, which greatly complicates the process of obtaining a high-purity zinc oxide powder.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ синтеза оксида цинка при окислении кислородом воздуха паров металлического цинка в циклонной печи при температуре свыше 1300°C (RU 2077158 C1). Основным недостатком данного способа является использование высоких температур, что ввиду большой реакционной способности паров металлического цинка неизбежно приводит к загрязнению получаемого порошка продуктами взаимодействия с материалом используемой аппаратуры.The closest adopted for the prototype is a method for the synthesis of zinc oxide during oxidation by oxygen of air of zinc metal vapor in a cyclone furnace at a temperature above 1300 ° C (RU 2077158 C1). The main disadvantage of this method is the use of high temperatures, which, due to the high reactivity of the zinc metal vapor, inevitably leads to contamination of the resulting powder by the products of interaction with the material of the equipment used.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего, при использовании в качестве исходных товарного металлического цинка и технического кислорода, получать порошок оксида цинка, содержание примесей в котором ниже, чем в исходном металле.The objective of the invention is to develop a method that, when used as starting commodity metallic zinc and industrial oxygen, to obtain a powder of zinc oxide, the content of impurities in which is lower than in the original metal.

Техническим результатом изобретения является получение высокочистого порошка оксида цинка, содержание примесей в котором ниже, чем в исходном металле.The technical result of the invention is to obtain a high-purity powder of zinc oxide, the content of impurities in which is lower than in the starting metal.

Технический результат достигается тем, что предварительно металлический цинк подвергают перегонке при температуре ниже температуры кипения в потоке инертного газа, полученный порошок подвергают окислению во вращающемся реакторе с контролируемой атмосферой при температуре ниже температуры кипения цинка, а также тем, что поток инертного газа осуществляют по замкнутому контуру и используют реактор из кварцевого стекла.The technical result is achieved by the fact that metal zinc is subjected to distillation at a temperature below the boiling point in an inert gas stream, the obtained powder is subjected to oxidation in a rotary reactor with a controlled atmosphere at a temperature below the boiling point of zinc, and the fact that the inert gas stream is carried out in a closed loop and using a quartz glass reactor.

Отличительными признаками способа являются: предварительная стадия очистки и получения порошка цинка перегонкой, окисление во вращающемся реакторе с контролируемой атмосферой, поток инертного газа по замкнутому контуру, использование реактора из кварцевого стекла.Distinctive features of the method are: a preliminary stage of purification and production of zinc powder by distillation, oxidation in a rotating reactor with a controlled atmosphere, an inert gas flow in a closed loop, the use of a quartz glass reactor.

Окисление расплава цинка кислородом затруднено образованием плотной поверхностной оксидной пленки, вместе с тем окисление металлического порошка во вращающемся реакторе позволяет получать порошок ZnO. Стадию получения металлического порошка целесообразно совместить с очисткой цинка перегонкой.Oxidation of the zinc melt by oxygen is complicated by the formation of a dense surface oxide film, however, the oxidation of the metal powder in a rotating reactor allows ZnO powder to be obtained. It is advisable to combine the stage of obtaining the metal powder with the purification of zinc by distillation.

В товарном цинке марки ЦВ 0 из элемент-примесей, определяемых с помощью лазерно-индуцированной масспектрометрии (метод позволяет определять содержание не менее 60 элемент-примесей) наибольшее содержание имеет железо. Его концентрация в несколько раз превышает содержание любой другой из определяемых элемент-примесей. Перегонка при температуре испарителя выше температуры кипения цинка (907°C) представляется наиболее простым технологическим решением, однако при этом очистка от железа, которым в основном загрязнен исходный цинк, происходит недостаточно эффективно.In commercial grade CV 0 grade zinc, from element impurities determined using laser-induced mass spectrometry (the method allows determining the content of at least 60 element impurities), iron has the highest content. Its concentration is several times higher than the content of any other of the determined element impurities. Distillation at an evaporator temperature above the boiling point of zinc (907 ° C) seems to be the simplest technological solution, however, purification from iron, which is mainly contaminated with the starting zinc, is not effective enough.

При снижении температуры испарителя до 850°C эффективность очистки от железа возрастает более чем на порядок. Дисперсность получаемого порошка задается скоростью потока инертного газа, подаваемого в испаритель. Для снижения затрат на необходимый объем инертного газа, подаваемого в испаритель, целесообразно с помощью компрессора обеспечить поток газа по замкнутому контуру.When the evaporator temperature drops to 850 ° C, the iron removal efficiency increases by more than an order of magnitude. The dispersion of the resulting powder is determined by the inert gas flow rate supplied to the evaporator. To reduce the cost of the required amount of inert gas supplied to the evaporator, it is advisable to use a compressor to provide a gas flow in a closed loop.

При обработке кислородом во вращающемся реакторе полученного цинкового порошка получают порошок оксида. Вращение реактора, приводящее к перемешиванию реакционной смеси, является простым и эффективным приемом, облегчающим полное окисление металла. При окислении цинка кислородом выделяется большое количество тепла, что приводит к разогреву реакционной смеси вплоть до разрушения стенок реактора. Управление скоростью подачи кислорода в реакционную смесь позволяет ограничить скорость тепловыделения реакции синтеза оксида цинка, что уменьшает возможность локального перегрева реакционной смеси. Контролируемое поступление кислорода в реактор и постоянное перемешивание реакционной смеси за счет вращения реактора значительно уменьшают вероятность локального перегрева и, как следствие, вероятность разрушения стенок реактора.By treating the obtained zinc powder with oxygen in a rotating reactor, oxide powder is obtained. The rotation of the reactor, leading to the mixing of the reaction mixture, is a simple and effective technique, facilitating the complete oxidation of the metal. During the oxidation of zinc by oxygen, a large amount of heat is generated, which leads to the heating of the reaction mixture up to the destruction of the walls of the reactor. Controlling the rate of oxygen supply to the reaction mixture makes it possible to limit the rate of heat release of the zinc oxide synthesis reaction, which reduces the possibility of local overheating of the reaction mixture. The controlled oxygen supply to the reactor and the constant mixing of the reaction mixture due to the rotation of the reactor significantly reduce the likelihood of local overheating and, as a consequence, the probability of destruction of the walls of the reactor.

Использование кислорода обусловлено его большей окисляющей способностью и возможностью исключить загрязнение продукта соединениями азота, что особенно важно при синтезе высокочистого оксида цинка.The use of oxygen is due to its greater oxidizing ability and the ability to exclude contamination of the product with nitrogen compounds, which is especially important in the synthesis of high-purity zinc oxide.

Типичный пример: при проведении предварительной стадии очистки и получения мелкодисперсного порошка цинка в испаритель загружают 400 г цинка квалификации ЦВ 0, подают чистый аргон со скоростью 100 л/ч. Включают нагрев испарителя. При проведении процесса в испарителе поддерживается температура 850°C. Выходящий из испарителя газ охлаждается и фильтруется. На фильтре в виде порошка осаждается весь испарившийся металл. С помощью компрессора аргон после фильтрования снова подают в испаритель. Процесс ведут в течение 12 часов. При этом испаряется ~300 г металла. Затем после охлаждения до комнатной температуры разгружают испаритель, с фильтра собирают порошок цинка. Полученный порошок цинка в дальнейшем окисляют во вращающемся реакторе с контролируемой атмосферой.A typical example: during the preliminary stage of purification and obtaining fine zinc powder, 400 g of zinc of qualification CV 0 are loaded into the evaporator, pure argon is supplied at a speed of 100 l / h. Turn on the heating of the evaporator. During the process, the temperature in the evaporator is kept at 850 ° C. The gas leaving the evaporator is cooled and filtered. All vaporized metal is deposited on the filter in the form of a powder. Using a compressor, argon is again fed to the evaporator after filtration. The process is conducted within 12 hours. In this case, ~ 300 g of metal evaporates. Then, after cooling to room temperature, the evaporator is unloaded, zinc powder is collected from the filter. The resulting zinc powder is further oxidized in a rotary atmosphere controlled reactor.

Синтез порошка оксида цинка проводится в трубчатом реакторе с рабочим объемом ~0,5 л. В реактор загружают 0,3 кг порошка цинка, включают нагрев и вращение. Синтез оксида ведут при 650°C и скорости подачи кислорода 10 л/ч.The synthesis of zinc oxide powder is carried out in a tubular reactor with a working volume of ~ 0.5 l. 0.3 kg of zinc powder is charged into the reactor; heating and rotation are included. The synthesis of oxide is carried out at 650 ° C and an oxygen supply rate of 10 l / h.

Для определения степени очистки цинка при поведении стадии получения цинкового порошка использовался метод лазерно-индуцированной масспектрометрии (метод позволяет определять содержание не менее 60 элемент-примесей). Установлено снижение концентрации железа более чем в 100 раз (в исходном цинке содержание железа 1·10^-3 мас.%, в полученном порошке - ниже предела обнаружения - 1·10^-5 мас.%), снижение концентрации марганца более чем в 20 раз (в исходном цинке содержание марганца 2·10^-4 мас.%, в полученном порошке - ниже предела обнаружения - 1·10^-5мас.%).To determine the degree of zinc purification during the behavior of the stage of zinc powder production, the method of laser-induced mass spectrometry was used (the method allows determining the content of at least 60 element impurities). A decrease in the concentration of iron by more than 100 times was established (in the initial zinc the iron content was 1 · 10 ^-3 wt.%, In the obtained powder - below the detection limit - 1 · 10 ^-5 wt.%), A decrease in the concentration of manganese by more than 20 times (in the initial zinc, the manganese content is 2 · 10 ^-4 wt.%, in the obtained powder - below the detection limit - 1 · 10 ^-5 wt.%).

Claims (3)

1. Способ получения порошка оксида цинка путем окисления цинка кислородом при нагревании, отличающийся тем, что предварительно металлический цинк подвергают перегонке при температуре ниже температуры кипения в потоке инертного газа, полученный порошок подвергают окислению во вращающемся реакторе с контролируемой атмосферой при температуре ниже температуры кипения цинка.1. A method of producing zinc oxide powder by oxidizing zinc with oxygen by heating, characterized in that the zinc metal is preliminarily distilled at a temperature below the boiling point in an inert gas stream, the obtained powder is subjected to oxidation in a rotary reactor with a controlled atmosphere at a temperature below the boiling point of zinc. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток инертного газа осуществляется по замкнутому контуру.2. The method according to claim 1, characterized in that the inert gas stream is carried out in a closed loop. 3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что используют реактор из кварцевого стекла. 3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that a quartz glass reactor is used.