احیا کربوترمیک اکسید نیکل

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 5، دوره 13، شماره 2 - شماره پیاپی 49، شهریور 1398، صفحه 63-75   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

سحر بخشنده¹؛ نادر ستوده^{* 2}؛ محمد علی عسکری زمانی³؛ عباس محصل⁴

¹گروه مهندسی مواد- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- یاسوج- 74831-75918- ایران

²گروه مهندسی مواد- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- یاسوج - 74831-75918- ایران

³گروه مهندسی مواد- دانشده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- یاسوج- 74831-75918- ایران

⁴گروه مهندسی مواد- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه یاسوج- 74831-75918- یاسوج - ایران

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها

آسیاکاری مکانیکی؛ آنالیز وزن سنجی حرارتی؛ واکنش بودوارد؛ فعال سازی مکانیکی

مراجع

[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.