外场强化冶金过程剖析.ppt

冶金过程的外场强化 冶金过程的外场强化 外场：电场、磁场、微波、超声波、光波、高压、富氧、微生物、…… 冶金过程的外场强化 1. 冶金过程的能量特征及外场影响 1.1 化学热力学特征 1.2 化学动力学特征 1.3 界面过程 1.4 极端条件下的冶金过程 1.5 外场作用下冶金过程的科学问题 2. 影响冶金过程的因素 2.1 经典控制条件 2.2 外场条件 3.磁场对化学反应的影响与磁场强化冶金过程 4. 声化学与超声波强化冶金过程 5. 微波场中的化学反应及其在冶金中的应用 1. 冶金过程的能量特征及外场影响 1.1 化学热力学特征 热效应 能量转化 热力学判据 隔离体系：熵增加 恒温恒容不作其它功：亥姆霍兹自由能减少 恒温恒压不作其它功：吉布斯自由能减少 —— 过程的方向与限度 1.2 化学动力学特征 活化能（阿累尼乌斯活化能，表观活化能） 1.3 界面过程 界面Gibbs自由能与界面张力 润湿现象 弯曲界面的附加压强 新相生成困难 吸附 1.4 极端条件下的冶金过程 高温冶金 高压冶金 微波冶金 - 超声冶金 微生物冶金 超临界冶金 等离子态冶金 电冶金 2. 影响冶金过程的因素 2.1 经典控制条件 2.1.1 温度 2.1.2 压强 2.1.3 催化剂 2.1.4 浓度 2.1.5 电势 2.2 外场条件 2.2.1电场 2.2.2 磁场 2.2.3 声场 2.2.4 光场 2.2.5 微波场 2.2.6 压力场 2.2.7 温度场 3. 磁场对化学反应的影响与磁场强化冶金过程 磁场对化学反应的影响 作用于极性分子，降低反应活化能。 降低溶液的表面张力，增加气化成核几率。 改变晶核生长自由能，提高晶核生长速率。 影响水的结构，改善水的渗透效果。 降低电解过程的过电势。 影响电解槽中带电粒子的迁移性质。 磁场强化氯化铜浸出硫化砷过程 活化能： 67.1 kJ/mol 50.7 kJ/mol 提高了一定反应时间的浸出率和浸出速度 磁场强化溶液蒸发过程 表面张力降低 3.5 ~ 8.3 蒸发效率提高 5 ~ 10 %，平均达 8 % 以上 磁致表面形核效应 磁场对铜电解的影响 磁场降低铜析出的过电势 4. 声化学与超声波强化冶金过程 声化学反应的主动力——声空化 声波的机械效应 声波的热效应 声波一般不直接与物质分子作用 常用声波波长： 0.015 ~ 10 cm ( 10 MHz ~ 10 kHz ) 声空化 声空化：存在于液体中的微气核（空化核）在声场的作用下振动、生长和崩溃的动力学过程。 稳态空化 10 W/cm2 瞬间空化 10 W/cm2 瞬间空化 足够强的声波通过液体时，当声波负压半周期的声压强度超过液体内部静压强时，液体内的空化核迅速增大；相继而来的声波正压周期中，气泡又被突然绝热压缩，直至崩溃。崩溃瞬间在气泡及其周围微小空间内出现高温高压的“热点”，温度达 5000 K以上，压强达 500 atm 以上，温度的变化率达 109 K/s，伴有 400 km/h 的射流、冲击波及放电发光过程，水溶液中产生自由基OH。 机械效应 各种与应力、应变或与振动有关的力学参量，如压力、张力、切应力、膨胀、压缩、速度和加速度等也随之起变化。在某些情况下，超声效应的发生即是与一个或多个这样的力学参量变化有关。如超声频率为20kHz，位移幅值为20μｍ，则由声学原理可求得其相应的振动速度与加速度幅值分别为2.5ｍ/ｓ和 3.2×105ｍ/ｓ2 表明此时媒质质点的最大加速度为重力加速度的3.2万倍。这会大大增加化学反应中的传质效果。 热效应 超声波在媒质传播过程中，其振动能量不断地被媒质吸收转变成热能而使自身温度升高，当强度为I的平面超声行波在声吸收系数为α的媒质中传播时，单位体积媒质中超声波作用t秒产生的热量为 ，即超声波产生的热量与媒质的声吸收系数、超声波的声强及超声幅照时间成正比 。 超声波强化冶金过程 产生局部极端条件 （超高温、超高压、产生自由基） 缩短反应诱导时间 促进反应物的活化 扩大反应界面 破碎、乳化、雾化、更新、搅拌 超声波强化氧化矿石氨浸出 氨介质中提取氧化矿中的铜 提高铜的回收率 70 % 90 % 同时减少浸出时间及试剂消耗。 拜尔法生产氧化铝分解过程的超声强化 Al(OH)4- [Al6(OH)24]6- Al(OH)3 实验室结果： 反应时间： 40小时 15小时 分解率：