非水介质中机械化学法制备黄铁矿粉体的动力学研究

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近年来,人们针对材料机械化学制备中的相关理论问题开展了一系列的研究,但在对非水环境中材料机械化学过程的基础理论研究尤为欠缺;同时,黄铁矿被认为是非传统领域内的新型无机材料,得到了广泛的应用。已有大量的文献报道通过机械化学方法制备黄铁矿,但对于研究黄铁矿制备过程中的动力学问题报道甚少。因此,迫切需要加强对机械化学制备黄铁矿的中间过程的认识,研究机械化学制备黄铁矿过程中的动力学模型。 本论文在机械化学基本理论的基础上,采用现代检测技术研究并分析了黄铁矿粉体的机械球磨制备过程中非水介质对黄铁矿的超细球磨的影响;并且,研究了非水环境下机械化学合成黄铁矿的结构宏观动力学,同时从晶态的微观结构和自由能角度出发,揭示了不同的非水环境与机械化学合成黄铁矿粉体的反应动力学之间的关系,并探讨了机械化学合成黄铁矿粉体的反应途径和机制。 本研究工作得到的主要结论如下: 1.在乙醇体系中,针对不同的时间对粗制黄铁矿进行高能球磨,发现随着球磨时间的增加,所得到的黄铁矿粉体的粒度先迅速减小,随后减小趋势随球磨时间的增加而减缓。黄铁矿在水体系中的球磨速度和效率最大,粒度最细,但发生了氧化分解反应;空气介质下黄铁矿在超细粉碎过程中的球磨速度和效率最小,所得到的黄铁矿粉体的颗粒最粗。 2.在同具有-OH基团的一系列醇类介质中,乙醇能更好地吸附在黄铁矿颗粒的新生表面和裂缝中,从而更大程度地降低颗粒的强度和硬度或者阻碍断裂键的复合,促使裂纹扩展和新表面的生成,产生“劈裂效应”。因此,非水环境中非水介质的碳链越短,机械超细粉碎制备黄铁矿粉体时的球磨速度和效率就越大。 3.当非水介质中的极性基团和黄铁矿的晶格原子相似时,能更加促进黄铁矿的化学键断裂和新表面生成,并更好地沿黄铁矿的晶体缺陷和新表面下的裂痕进行浸润,降低黄铁矿的晶格能和表面能,以利于黄铁矿沿这些缺陷和裂纹进行碎裂,从而提高黄铁矿的球磨速度和效率,降低黄铁矿粉体的粒度。 4.黄铁矿在非水介质中进行超细球磨制备时,符合无机化学中的软硬酸碱理论,易与基团电负性较小的非水介质相互吸附,因此,在醇类体系中,乙醇介质下机械球磨黄铁矿的球磨速度和效率比在其它的非水介质下要大。 5.机械化学合成黄铁矿粉体的过程可分为诱导期、加速期和减速期三个阶段。整个合成过程要先生成中间产物白铁矿,接着白铁矿再发生晶型转变转变为黄铁矿,此后,铁粉和硫粉反应生成白铁矿和白铁矿转变为黄铁矿处于动态平衡,直至铁粉和硫粉反应完全。 6.机械力的作用先使铁粉和硫粉的晶粒尺寸减小,晶格畸变程度逐渐增大,并形成结晶不完整的白铁矿,随着系统内能的升高,当系统内能大于晶型转变的活化能时,白铁矿将发生转变成黄铁矿。随着球磨时间的延长,铁相和硫相的含量逐渐减少,自铁矿相的含量先急剧增加,达到最大值后,白铁矿相的含量又逐渐减少;而黄铁矿相的含量随着球磨时间缓慢增加,同时不同球磨环境下黄铁矿含量的增加趋势也不相同。 7。三种不同介质下的黄铁矿生成动力学方程分别为: 空气体系: NPyrite=1/1+e14.40-0.63t无水乙醇体系: NPyrite=1/1+e20.56-0.80t煤油体系: NPyrite=1/1+e8.90-0.33t三种介质对合成过程都有不同程度的影响,其中无水乙醇环境更有利于黄铁矿的机械化学合成,空气环境次之,煤油环境最差。
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