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一氧化碳还原分解磷石膏的研究

作　者: 杜亚雷
导　师: 马丽萍
学　校: 昆明理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 磷石膏一氧化碳还原分解热力学动力学
分类号: TQ177.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

磷石膏是湿法磷酸生产磷酸过程中的副产品,磷石膏的大量产生和排放对环境造成了潜在危害,同时浪费了巨大的人力、物力和财力。面对经济上的损失和环境保护政策的压力,磷石膏的大规模资源化已成为磷化工行业实现持续发展的关键。磷石膏分解制酸是磷石膏最具潜力的资源化途径之一,但是磷石膏分解温度高能耗大,因此本文主要针对这一问题进行了一氧化碳还原分解磷石膏的研究,为磷石膏的资源化技术提供了基础数据和理论参考。采用化工热力学软件HSC Chemistry探讨了一氧化碳还原分解磷石膏的热力学行为。利用Reaction Equation模块计算了一氧化碳还原分解磷石膏过程中可能涉及的20个化学反应的摩尔Gibbs自由能变(△rGm)、摩尔焓变(△rHm)、摩尔熵变(△rSm),结果表明这些化学反应大部分为吸热型反应,这也是磷石膏还原分解高能耗的主要原因。利用Equilibrium Composition模块模拟了一氧化碳还原分解磷石膏的热力学平衡组分,认为反应过程中发生的反应大部分是两个甚至更多反应的耦合,而不是彼此独立的逐个发生,其中CaS04(s)+4CO(g)=CaS(s)+4C02(g)与CaS04(s)+1/3CaS(s)=4/3CaO(s)+4/3S02(g)以及CaS04(s)+1/3CaS(s)=4/3CaO(s)与CaS(s)+3C02(g)=CaO(s)+S02(g)+3CO(g)的耦合发生是整个反应过程的主线。通过扫描电镜(SEM)观察了磷石膏的微观形貌,结果表明磷石膏为不规则的片状颗粒,颗粒间有较强的团聚现象,团聚颗粒有大量的空隙。通过X射线能谱(EDS)分析了磷石膏的元素组成,结果表明磷石膏的主要元素成分为氧、硫、硅和钙4种,但是不同的微区成分也不尽相同。通过X射线粉末衍射(XRD)表征了磷石膏的物相组成,结果表明磷石膏的主要物相为CaS04·2H20,此外还有少量SiO2。通过激光粒度分析仪测定了磷石膏的颗粒粒度,结果表明磷石膏的颗粒粒度近似成正态分布。利用热分析技术进行了一氧化碳还原分解磷石膏的影响因素,结果表明还原性气氛有利于磷石膏的分解；在一氧化碳气氛中,磷石膏的分解包括两个阶段,第一阶段为磷石膏的脱水阶段,第二阶段为磷石膏的还原分解阶段,5wt.%CaCl2外加剂有利于磷石膏在一氧化碳中的还原分解。研究了一氧化碳气氛中磷石膏还原分解阶段的动力学行为,认为整个过程为化学反应所控制,动力学方程为动力学补偿效应为lnA=0.1115E+0.0211,反应活化能随磷石膏转化百分率的增大而减小。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
插图及列表清单  11-13
第一章绪论  13-25
  1.1 研究背景  13
  1.2 磷石膏  13-21
    1.2.1 磷石膏的来源和产生量  13-14
    1.2.2 磷石膏的组成及性质  14-17
    1.2.3 磷石膏的危害  17-18
    1.2.4 磷石膏的资源化  18-21
  1.3 磷石膏的还原分解  21-22
  1.4 研究目的、内容及方法  22-23
    1.4.1 研究目的与意义  22
    1.4.2 研究内容  22-23
    1.4.3 研究方法  23
  1.5 本章小结  23-25
第二章一氧化碳还原分解磷石膏的热力学行为研究  25-49
  2.1 热力学简介  25
  2.2 HSC Chemistry化工热力学软件  25-26
  2.3 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应热力学数据计算  26-44
    2.3.1 一氧化碳还原分解磷石膏过程中可能涉及的反应  26-28
    2.3.2 可能涉及的化学反应的热力学数据计算  28-39
    2.3.3 涉及CaSO_4·nH_2O(n=0～2)分解的反应的探讨  39-41
    2.3.4 涉及CaO与酸性氧化物的反应的探讨  41-43
    2.3.5 涉及单质S的反应的探讨  43-44
  2.4 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应的热力学系统  44-47
    2.4.1 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应热力学体系建立  45
    2.4.2 一氧化碳还原分解磷石膏的化学反应的热力学平衡组分  45-47
  2.5 本章小结  47-49
第三章实验部分  49-53
  3.1 实验试剂及材料  49
  3.2 实验仪器及设备  49-50
  3.3 实验方法及步骤  50-51
    3.3.1 磷石膏的微观形貌及元素成分分析  50
    3.3.2 磷石膏的物相表征  50
    3.3.3 磷石膏的粒度分析  50
    3.3.4 热分析实验  50-51
  3.4 本章小结  51-53
第四章一氧化碳还原分解磷石膏的热分析  53-61
  4.1 磷石膏的物化性质  53-56
    4.1.1 磷石膏的微观形貌  53-54
    4.1.2 磷石膏的元素组成  54-55
    4.1.3 磷石膏的物相表征  55-56
    4.1.4 磷石膏的颗粒粒度  56
  4.2 不同气氛对磷石膏分解的影响  56-57
  4.3 CaCl_2对磷石膏在一氧化碳气氛中还原分解的影响  57-58
  4.4 升温速率对磷石膏在一氧化碳气氛中还原分解的影响  58-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章一氧化碳还原分解磷石膏的动力学行为研究  61-73
  5.1 动力学简介  61-62
    5.1.1 动力学方程  61-62
    5.1.2 动力学三因子  62
  5.2 动力学计算的数据基础  62-63
  5.3 活化能的计算  63-64
  5.4 最概然反应机理函数的求解  64-70
  5.5 动力学补偿效应的验证  70-71
  5.6 动力学方程及反应机理探讨  71-72
  5.7 本章小结  72-73
第六章结论与建议  73-75
  6.1 结论  73-74
  6.2 建议  74
  6.3 创新点  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-80
附录A 攻读学位期间发表的论文  80-81
附录B 攻读学位期间申请的专利  81-82
附录C 攻读学位期间负责或参与的科研项目  82

一氧化碳还原分解磷石膏的研究

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