احیا کربوترمیک اکسید نیکل

محورهای موضوعی : روش های نوین در استخراج فلزات

سحر بخشنده ¹ ( گروه مهندسی مواد- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- یاسوج- 74831-75918- ایران )
نادر ستوده ² ( گروه مهندسی مواد- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- یاسوج - 74831-75918- ایران )
محمد علی عسکری زمانی ³ ( گروه مهندسی مواد- دانشده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- یاسوج- 74831-75918- ایران )
عباس محصل ⁴ ( گروه مهندسی مواد- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- 74831-75918- یاسوج - ایران )

تاریخ دریافت : 1397/04/19 تاریخ پذیرش : 1398/05/15 تاریخ انتشار : 1398/06/01

کلید واژه: آسیاکاری مکانیکی, فعال سازی مکانیکی, آنالیز وزن سنجی حرارتی, واکنش بودوارد,

چکیده مقاله :

مخلوط هایی از اکسیدنیکل-کربن فعال (99%کربن) با نسبت استوکیومتری تهیه و در یک آسیای سیاره ای در زمانهای گوناگون آسیا شدند. مخلوطی از نمونه بدون فرآیندآسیاکاری نیز تهیه شد. آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA) در اتمسفر آرگن برای نمونه های بدون آسیاکاری و آسیاکاری انجام شد و باقی مانده های جامد واکنش احیا توسط دستگاه XRD آنالیز شدند. نتایج آزمونهای TGA نشان داد واکنش احیا کربوترمیک اکسیدنیکل در مخلوط های بدون آسیاکاری و یک ساعت آسیاکاری به ترتیب از دمای حدود 800 و 720 درجه سانتیگراد آغاز می شود اما در نمونه 25 ساعت آسیاکاری ،این دما به حدود 430 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. افزایش مقدار کربن بیشتر از مقدار استوکیومتری تغییری در سینتیک و مسیر احیا ایجاد نکرد. محاسبات ترمودنیامیکی نیز برای سیستم اکسیدنیکل-کربن با استفاده از نرم افزار HSC انجام شد. نتایج آزمونهای تجربی و محاسبات ترمودینامیکی نشان دهنده نقش موثر واکنش بودوارد در واکنش احیاکربوترمیک اکسیدنیکل بود. نتایج نشان داد تشکیل گازمنوکسیدکرین (CO) و افزایش مقدار آن منجر به تغییر مکانیزم احیا به حالت جامد-گاز می شود و این مورد تاثیر بسیار زیادی در افزایش سرعت احیا دارد. ریز شدن اندازه کریستالیت های (ذرات) اکسیدنیکل در نمونه های آسیاشده علاوه بر این که در کاهش دمای احیا کربوترمیک اثر داشت، منجر به کاهش اندازه ذرات محصول احیا (نیکل فلزی) شد. بنابراین با انجام عملیات فعال سازی مکانیکی مخلوط اکسیدنیکل-کربن، می توان به محصول نیکل فلزی با اندازه ذرات کمتر از میکرون و حتی در حد نانومتری در واکنش احیاکربوترمیک اکسیدنیکل رسید.

چکیده انگلیسی:

Mixtures of nickel oxide and activated carbon (99% carbon) with stiochiometric ratio were milled for different times in a planetary ball mill. The stiochiometric ratio of mixture was prepared in an un-milled condition. The unmilled mixture and milled samples were subjected to thermogravimetric analysis (TGA) under an argon atmosphere and their solid products of the reduction reaction were studied using XRD experiments. TGA showed that the reduction of NiO started at ~800℃ and ~720℃ in un-milled and one-hour milled samples respectively whilst after 25 h milling it decreased to about 430℃. Increasing the amount of carbon more than stiochiometric ratio did not affect on the kinetics of carbothermic reduction. Thermodynamics assessments for NiO-C system were done using HSC software. Thermodynamics assessment and the experimental results indicated that Boudouard reaction plays a significant role in the carbothermic reduction reaction of nickel oxide. The results revealed that formation and increasing of monoxide carbon gas (COg) can change the kinetic reaction mechanism into solid-gas mechanism which has the major effect on increasing the rate of reaction. The decrease in the particle size/crystallite size of the nickel oxide in the milled samples not only resulted in decreasing in the reaction temperature, but also resulted in formation of fine particles of metallic nickel. Therefore, it is possible to achieve the metallic nickel particle in the range of submicron or nanometer via carbothermic reduction reaction of NiO using mechanical activation of NiO-C mixture.

منابع و مأخذ:

[1]     L. Hong, H. Y. Sohn & M. Sano, “Kinetics of carbothermic reduction of magnesia and zinc oxide by thermogravimetric analysis technique”, Scandinavian J. Metall., Vol. 32, pp.171- 176, 2003.

 

[2]     B. Su Kim, J. Min Yoo, J. Tae Park & J. Chum Lee, “A kinetic study of the carbothermic reduction of zinc oxide with various additives”, Mater Trans., Vol. 47, No. 9, pp. 2421-2426, 2006.

 

[3]     R. Ebrahimi-Kahrizsangi & E. Amini-Kahrizsangi, “Zirconia carbothermal reduction: Non-isothermal kinetics”, Inter. J. Refractory Metals & Hard Mater., Vol. 27, pp. 637-641, 2009.

 

[4]     D. Guzman, J. Fernansez, S. Ordonez, C. Aguilar, P. A. Rojas & D.Serafini, “Effect of mechanical activation on the barite carbothermic reduction”, Inter. J. Miner. Process., Vol. 102-103, pp. 124-129, 2012.

 

[5]     G. Wang, Y. xing Du, J. song Wang & Q. Guo Xue, “Carbothermic reduction behaviors of Ti–Nb-bearing Fe concentrate from Bayan Obo ore in China”, Int. J. Miner. Metall. Mater., Vol. 25, No. 1, pp. 28-36, 2018.

 

[6]     B. V. L'VOV, “Mechanism of carbothermal reduction of iron, cobalt, nickel and copper oxides”, Thermochim. Acta, Vol. 360, No. 2, pp. 109-120, 2000.

 

[7]     J. H. KrasukK & J. M. Smith, “Kinetics of reduction of nickel oxide with CO”, AlChE Journal, Vol. 18, No. 3, pp. 506-512, 1972.

 

[8]     J. Szekely & C. I. Lin, “The reduction of nickel oxide disks with carbon monoxide”, Metall. Trans. B, Vol. 7, No. 3, pp. 493-495, 1976.

 

[9]     C. I. Lin, “The effect of alkali salt catalyst on the carbothermic reduction of nickel oxide”, Metall. Trans. B, Vol. 19, No. 4, pp. 685-686, 1988.

 

[10] B. J. Satish, B. K. Bharat, N. G & Ashok, “Carbothermal reduction of nickel oxide: Effect of caralysis on kinetics”, Metall. Trans. B, Vol. 23, No. 1, pp. 93-95 ,1992.

 

[11] S. K. Sharma, F. J. Vastola & P. L. Walker, JR, “Reduction of nickel oxide by carbon: I. Interaction between nickel oxide and pyrolytic graphite”, Carbon, Vol. 34, No. 11, pp. 1407-1412, 1996.

 

[12] S. K. Sharma, F. J. Vastola & P. L. Walker, JR, “Reduction of nickel oxide by carbon: II. Interaction between nickel oxide and natural graphite”, Carbon, Vol. 35, No. 4, pp. 529-533, 1997.

 

[13] S. K. Sharma, F. J. Vastola & P. L. Walker, JR, “Reduction of nickel oxide by carbon: III. Kinetic studies of the interaction between nickel oxide and natural graphite”, Carbon, Vol. 35, No. 4, pp. 535-541, 1997.

 

[14] E. G. Grigoryan, O. M. Niazyan & S. L. Kharatyan, “Nickel oxide reduction under nonisothermal conditions”, Kinetics and Catalysis, Vol. 48, No. 6, pp. 773-777, 2007.

 

[15] N. Setoudeh, A. Saidi & N. J. Welham, “Carbothermic recution of anatase and rutile”, J. Alloys and Compd., Vol. 390, pp. 138-143, 2005.

 

[16] M. Erdemuglu, “Carbothermic reduction of mechanically activated celestite”, Int. J. Miner. Process., Vol. 92, pp. 144-152, 2009.

 

[17] N. Setoudeh, M. Ali Askari Zamani & N. J. Welham, “Carbothermic reduction of mechanically activated mixtures of celestite and carbon”, World Academy Sci. Eng. and Tech., Vol. 74, pp. 531-534, 2011.

 

[18] N. Setoudeh & N. J. Welham, “Carbonitridation of mechanically activated mixtures of zircon and carbonˮ, J. Alloys and Compd., Vol. 586, pp. 730-735, 2014.

 

[19] N. Setoudeh & N. J. Welham, “Metallothermic reduction of zinc sulfide induced by ball Milling”, J. Mater.Sci., Vol. 52, No. 11, pp. 6388-6400, 2017.

 

[20]    ن. ستوده، م. علی عسکری زمانی و ع. محصل، "تاثیر فرآیند آسیاکاری مکانیکی بر احیا کربوترمیک زیرکن"، مجله مواد نوین، جلد 3، شماره 3، صفحه 99-89، بهار 1392.

 

[21]    ع. اصغر بیک زاده و س. ع. حسن زاده تبریزی، "سنتز و مشخصه یابی پودر نانو ساختار VB به روش آسیاکاری و احیای مکانوشیمیایی"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال دهم، شماره سوم، صفحه 22-13، پاییز 1395.

 

[22]    ع. زلفی گسمونی،ع. سعیدی و س. ال. حسین امامی، "بررسی تاثیر هم زمان کربن و روی بر فرآیند احیای مکانوشیمیایی اکسیدمس"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نهم، شماره چهارم، صفحه 181-175، زمستان 1394.

 

[23] H. Yang & P. G. McCormick, “Mechanically activated reduction of nickel oxide with graphite”, Metall. Mater. Trans. B, Vol. 29, No. 2, pp. 449-455, 1998.

 

[24] HSC Chemistry for Windows, Outokumpu, Oy, Vol. 5, No. 1, 1994.

 

[25] C. Suryanarayana & M. Grant Norton, “X-ray diffraction, a practical approach”, Springer Science+Business Media, LLC, 1998.

 

[26] Monshi, M. R. Foroughi & M. R. Monshi, “Modified scherrer equation to estimate more accurately nano-crystallite size ssing XRD”, World J. Nano Sci. and Eng., Vol. 2, pp. 154-160, 2012.

 

[27] Y. T. Prabhu, K. V. Rao, V. S. Sai Kumar & B. S. Kumari, “X-ray analysis by williamson-hall and size-strain plot methods of ZnO nanoparticles with fuel variation”, World J. Nano Sci. and Eng., Vol. 4, pp. 21-28, 2014.

 

[28] N. J. Welham & N. Setoudeh, “Highly adsorbent carbon formed by ball millingˮ, Carbon, Vol. 43, No. 4, pp. 892-894, 2005.

[29] N. J. Welham, V. Berbenni & P. G. Chapmen, “Effect of extended ball milling on graphiteˮ, J. Alloys and Compd, Vol. 349, No. 1–2, pp. 255-263, 2003.

 

[30] N. J. Welham, V. Berbenni & P. G. Chapmen, “Increased chemisorption onto activated carbon after ball-millingˮ, Carbon, Vol. 40, No. 13, pp. 2307-2315, 2002.