综合利用热镀锌渣制取纳米ZnO的工艺研究

论文摘要

纳米氧化锌是一种多功能的无机材料,因为晶粒的细微化,其表面电子结构和晶体结构发生变化,并产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能,具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。而目前纳米氧化锌的各种制备方法均以纯度较高的锌盐或金属锌为原料,这不仅限制了纳米氧化锌的原料来源,还增加了生产成本,影响纳米氧化锌的推广应用。本文是以热镀锌渣为原料,采用真空控氧法来制备纳米氧化锌的。通过理论计算与分析可知,锌蒸气的氧化反应在本实验条件下是一个热力学自发的反应,并且反应趋势很大;通过调节系统的真空度,就可控制分子平均自由程的大小,当λ越大,碰撞次数越少,粉末粒径就越小,所以在真空条件下是可以制得纳米ZnO的;在本实验过程中,气流的运动形式为粘滞流,较湍流气体而言,其流线很有规则,有利于氧化锌晶体的定向生长;在制备纳米氧化锌时,金属锌、铁、铝、镍能很好的分离开,杂质元素铁、铝、镍基本都残留在渣中,而金属锌主要富集于气相中,其中仅含有微量的铁、铝、镍,可忽略不计,真空分离的很彻底。通过SEM及XRD等检测手段,分析了反应条件对产物形貌的影响,探讨了杂质元素在反应过程中的不同行为对纳米氧化锌产品质量的影响规律,进行了热镀锌渣中锌的氧化动力学研究。实验结果表明,不同的反应温度或体系的真空度对产物的形貌影响很大。在温度850℃、反应时间8min、系统压力21975Pa这一合适的操作条件下,纳米氧化锌的直收率很高,一般在90%以上且纯度≥99.98%。经SEM检测表明,得到的产物大多为六方纤锌矿结构的纳米四针状氧化锌,其根部直径约50nm,针长0.3μm4.0μm,针体细长,长径比较大,纳米氧化锌的形貌和尺寸都比较均匀。杂质元素Fe和Pb在不同氧化条件下的不同行为对产物质量产生不同的影响。铁进入产物主要是由于锌的机械夹带作用和反应过程中的Fe-Zn系正偏差效应,而铅进入产品中是因为自身的蒸发和反应过程中的Pb-Zn系正偏差效应。因此,控制适当的反应温度及真空度等就可以降低产物中的杂质含量。经动力学研究表明,当真空度大于或等于21975Pa时,锌的氧化反应遵守抛物线规律,而当真空度为19975Pa时,锌的氧化反应遵守直线规律。锌的氧化反应前期,过程受R3模式（收缩球状模型）控制,而后期则由D4（三维扩散模型）支配,表观活化能分别为101.3～122.1 J·mol - 1 ·K·1和111.2～143.4 J·mol - 1 ·K-1;在D4模型中,锌原子通过氧化膜的扩散系数为0.92～4.85×10-5cm2/s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氧化锌的性质
• 1.2.1 氧化锌的晶体结构
• 1.2.2 氧化锌的能带结构
• 1.3 纳米氧化锌的制备方法
• 1.3.1 固相法
• 1.3.2 液相法
• 1.3.3 气相法
• 1.4 纳米氧化锌的主要性能及用途
• 1.4.1 制抗菌除臭、消毒、抗紫外线产品
• 1.4.2 用于催化剂和光催化剂
• 1.4.3 制备气体传感器及压电材料
• 1.4.4 用于橡胶工业和涂料工业
• 1.4.5 在陶瓷行业的运用
• 1.4.6 其它领域
• 1.5 本论文的研究意义、课题来源及研究内容
• 1.5.1 本论文的研究意义和课题来源
• 1.5.2 论文的主要研究内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验材料及设备
• 2.2 实验内容及方法
• 2.2.1 纳米氧化锌的制备
• 2.2.2 合金材料的熔炼铸造
• 2.2.3 制备纳米氧化锌的动力学实验
• 2.3 纳米氧化锌的表征
• 2.3.1 纳米氧化锌的晶体形貌分析
• 2.3.2 纳米氧化锌的晶体结构和粒度分析
• 2.3.3 纳米氧化锌的成分分析
• 第3章 真空控氧法制备纳米氧化锌的理论基础
• 3.1 真空控氧法制备氧化锌的热力学分析
• 3.2 真空控氧法制备纳米氧化锌的可行性分析
• 3.3 真空控氧法制备纳米氧化锌的工艺分析
• 3.3.1 合金元素的真空蒸发及其氧化
• 3.3.2 真空中的气流运动形式
• 3.4 真空条件下合金元素的分离及分离程度的判断
• 3.5 镀锌渣的真空分离
• 3.5.1 Zn-Fe 元素的真空分离
• 3.5.2 Zn-Ni 元素与Zn-Al 的真空分离
• 3.6 本章小结
• 第4章 纳米氧化锌制备工艺及杂质元素的行为研究
• 4.1 工艺参数对纳米氧化锌晶体形貌的影响
• 4.1.1 反应温度对产物形貌的影响
• 4.1.2 反应时间对产物形貌的影响
• 4.1.3 真空度对产物形貌的影响
• 4.2 纳米氧化锌的晶体结构分析
• 4.3 纳米氧化锌的粒度与成分分析
• 4.4 锌的回收率
• 4.5 杂质元素的行为
• 4.6 本章小结
• 第5章 纳米氧化锌的形成动力学与形成机制
• 5.1 锌的氧化动力学曲线
• 5.2 反应机理分析
• 5.3 氧化动力学参数的计算
• 5.4 氧化反应动力学模型
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要