СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ОКСИДА ЦИНКА
METHOD OF PRODUCING ZINC OXIDE POWDER

Изобретение относится к области синтеза неорганических соединений, а именно к способу синтеза соединений цинка и, в частности, к способу синтеза оксида цинка.
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.
Электрохимическое окисление металлического цинка (RU 2221748 C1) многостадийно и также требует использование дополнительных исходных соединений, что существенно усложняет процесс получения высокочистого порошка оксида цинка.
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.
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.
Техническим результатом изобретения является получение высокочистого порошка оксида цинка, содержание примесей в котором ниже, чем в исходном металле.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Использование кислорода обусловлено его большей окисляющей способностью и возможностью исключить загрязнение продукта соединениями азота, что особенно важно при синтезе высокочистого оксида цинка.
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.
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.
-3
-5
-4
-5
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 мас.%, в полученном порошке - ниже предела обнаружения - 1·10 мас.%), снижение концентрации марганца более чем в 20 раз (в исходном цинке содержание марганца 2·10 мас.%, в полученном порошке - ниже предела обнаружения - 1·10мас.%).