Способ увеличения удельной поверхности порошкового оксида цинка

Изобретение относится к области технологии неорганических порошковых материалов, в частности оксида цинка. Способ осуществляют путем обработки оксида цинка карбонатом аммония и последующей термообработки образующегося продукта. Обработку оксида цинка карбонатом аммония проводят путем растирания сухих реагентов в соотношении (1-5):1 по массе или растворами карбоната аммония с концентрацией 25-100 г/л и соотношении реагентов (2,5-10):1 по массе. Термообработку продукта осуществляют при температуре 180-250°С. Техническим результатом изобретения является повышение удельной поверхности оксида цинка с 5-15 м²/г до величины 25-50 м²/г.

 

Предполагаемое изобретение относится к области технологии неорганических порошковых материалов, в частности оксида цинка.

Порошковый оксид цинка находит широкое применение в качестве пигмента белых красок, в производстве оптического стекла, в электронике и атомной энергетике. Для этих целей требуется оксид цинка с высокой удельной поверхностью, >25 м²/г. Технический продукт обычно имеет поверхность 5-15 м²/г. Поэтому на практике часто возникает необходимость повышения удельной поверхности уже полученного порошкового материала.

Известен способ получения оксида цинка с высокой удельной поверхностью путем обработки технического оксида цинка раствором карбоната аммония и последующей термообработки полученного продукта [патент США №5028410, кл. С 01 G 9/02, опубл. 02.07.91].

В соответствии с известным способом используют технический оксид цинка, полученный окислением на воздухе сульфидных концентратов цинка и имеющий удельную поверхность менее 10 м²/г. Водную суспензию этого оксида насыщают газообразными аммиаком и углекислым газом, в результате чего в реакционной смеси образуется аммиачный раствор карбоната аммония (смешанный раствор карбоната и гидроксида аммония). Оксид цинка частично или полностью растворяется в таком растворе с образованием цинката аммония. Полученный аммиачно-карбонатный раствор обрабатывают водяным паром. При этом из реакционной массы удаляется аммиак и излишки углекислого газа и осаждается основной карбонат цинка. Этот карбонат подвергают термообработке при температуре 250-450°С в атмосфере водяного пара или при пониженном давлении. В ходе термообработки карбонат цинка разлагается с образованием оксида цинка с высокой удельной поверхностью 40-90 м²/г, а освобождающиеся газы (аммиак и углекислоту) возвращают на исходную стадию для регенерации аммиачного раствора карбоната аммония и обработки им технического оксида цинка.

Известный способ обеспечивает существенное увеличение удельной поверхности оксида цинка с 10 до 40-90 м²/г. Он является наиболее близким к предполагаемому изобретению по назначению и технической сущности и выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является сложность технической реализации и многостадийность.

Задачей, решаемой предполагаемым изобретением, является упрощение процесса получения оксида цинка с высокой удельной поверхностью из технического оксида цинка.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе, включающем обработку оксида цинка карбонатом аммония и термообработку полученного при этом продукта, обработку осуществляют растиранием оксида цинка с сухим карбонатом аммония при соотношении реагентов (1-5):1 по массе или путем его взаимодействия с водным раствором карбоната аммония с концентрацией 25-100 г/л и соотношением реагентов (2,5-10):1 по массе.

В соответствии с предполагаемым изобретением в ходе обработки на частицах порошкового оксида цинка формируется поверхностный слой аммиачно-карбонатного комплекса - карбоната тетрамминцинка. Модифицированный таким образом оксид цинка подвергается термообработке при температуре 180-250°С. При этом термически неустойчивый комплекс разлагается с выделением аммиака и углекислоты и регенерацией оксида цинка. Регенерированный поверхностный слой оксида цинка имеет рыхлую дефектную структуру и характеризуется высокой удельной поверхностью (25-50 м²/г).

При реализации предполагаемого изобретения имеет место существенное упрощение процесса за счет устранения стадии приготовления аммиачного раствора карбоната аммония насыщением воды газообразным аммиаком и углекислотой, а также стадии обработки цинксодержащего раствора водяным паром. В предлагаемом способе используется готовый карбонат аммония в сухом виде или в форме водного раствора. Упрощается также стадия финишной термообработки, поскольку она проводится на воздухе при атмосферном давлении без водяного пара и при более низкой температуре 180-250°С вместо 250-450°С по прототипу.

Обработку оксида цинка карбонатом аммония в соответствии с предполагаемым изобретением осуществляют или в сухом виде, или в водном растворе. В первом случае оксид цинка смешивают с карбонатом аммония в соотношении (1-5):1 по массе и растирают до образования однородной смеси. Эту смесь подвергают термообработке при температуре 180-250°С и доводят до постоянной массы.

Обработку оксида цинка раствором карбоната аммония осуществляют следующим образом. Берут оксид цинка и карбонат аммония в соотношении (2,5-10):1 по массе. Приготовленный карбонат аммония растворяют в воде, до концентрации 25-100 г/л. Полученным раствором заливают оксид цинка и выдерживают в течение 1-3 часов при периодическом перемешивании образующейся суспензии. Затем обработанный продукт отфильтровывают от реакционного раствора и отмывают выделенный осадок от непрореагировавшего карбоната аммония несколькими порциями дистиллированной воды до нейтральной реакции. После этого влажный осадок сушат при температуре 60-80°С. Высохший продукт размалывают и доводят при температуре 180-250°С до постоянной массы.

Величина удельной поверхности оксида цинка, полученного в результате обработки по предполагаемому изобретению, зависит от толщины сформированного на его частицах рыхлого оксидного слоя. В свою очередь толщина этого слоя определяется глубиной травления продукта, которая зависит от соотношения участвующих в процессе реагентов - оксида цинка и карбоната аммония.

При сухой обработке эти реагенты берутся в соотношении (1-5):1 по массе, а при обработке водным раствором (2,5-10):1 по массе и концентрации этого раствора 25-100 г/л карбоната аммония. В этом случае удельная поверхность полученных порошков оксида цинка составляет 25-50 м²/г.

Если карбонат аммония взят в меньших количествах, чем указано в приведенных соотношениях, то удельная поверхность обработанного оксида не достигает 25 м²/г. Если карбонат аммония взят в большем количестве, то удельная поверхность порошка все равно не превышает 50 м²/г. Поэтому оптимальными являются соотношения между оксидом цинка и карбонатом аммония, равные (1-5):1 для сухой обработки и (2,5-10):1 для обработки в водном растворе.

Термообработка продукта, подвергнутого обработке карбонатом аммония, осуществляется при температуре 180-250°С. Такая температура обеспечивает полное разложение образовавшегося на поверхности оксидных частиц аммиачно-карбонатного комплекса и получение оксида с высокой удельной поверхностью 25-50 м²/г. При температуре ниже 180°С аммиачно-карбонатный комплекс не разлагается и оксид цинка из него не образуется. При температуре выше 250°С аммиачно-карбонатный комплекс распадается с выделением оксида цинка быстро, однако столь же быстро происходит релаксация присутствующих в нем структурных дефектов, сопровождающаяся восстановлением его нормальной кристаллической решетки и снижением удельной поверхности. Поэтому оптимальная температура термообработки составляет 180-250°С.

Обработка оксида цинка путем его растирания с сухим карбонатом аммония при соотношении (1-5):1 по массе или путем взаимодействия с водным раствором карбоната аммония с концентрацией 25-100 г/л и соотношением реагентов (2,5-10):1 по массе является существенными признаками предполагаемого изобретения, обеспечивающими упрощение процесса получения оксида цинка с высокой удельной поверхностью.

Ниже представлены конкретные примеры осуществления предполагаемого изобретения.

Пример 1. Для химической обработки берут 1 кг оксида цинка с удельной поверхностью 5,3 м²/г и смешивают его с 400 г карбоната аммония. Полученную смесь с соотношением реагентов 2,5:1 перетирают до получения однородного продукта, который высыпают на поддон и подвергают термообработке при температуре 200°С до постоянной массы. Удельная поверхность полученного оксида цинка составляет 43,7 м²/г, то есть увеличивается более чем в 8 раз.

Пример 2. Обработку оксида цинка карбонатом аммония осуществляют так же, как и в примере 1, но исходные реагенты берут в соотношении 1:1 по массе (1 кг оксида цинка смешивают с 1 кг карбоната аммония). Термообработку размолотой смеси осуществляют при температуре 250°С. Получают оксид цинка с удельной поверхностью 27,5 м²/г.

Пример 3. Обработку осуществляют, как в примере 1, но оксид цинка и карбонат аммония берут в соотношении 5:1 по массе, а термообработку смеси осуществляют при температуре 180°С. Получают оксид цинка с удельной поверхностью 31,3 м²/г.

Пример 4. Берут 1 кг оксида цинка с удельной поверхностью 7,3 м²/г и 200 г карбоната аммония, то-есть при соотношении 5:1 по массе. Приготовленный карбонат аммония растворяют в 4 л воды, получая раствор с концентрацией 50 г/л. Этим раствором заливают оксид цинка и выдерживают в течение 2 часов при периодическом перемешивании образующейся суспензии. После этого оксид цинка отфильтровывают от реакционного раствора и отмывают водой до нейтральной реакции. Влажный продукт выкладывают на поддон и сушат при температуре 60°С, а затем размалывают и подвергают термообработке при температуре 200°С до постоянной массы. Получают оксид цинка с удельной поверхностью 47,8 м²/г.

Пример 5. Способ осуществляют так же, как и в примере 4, но исходные реагенты берут в соотношении 7,4:1 по массе (на 1 кг оксида цинка и 135 г карбоната аммония). Карбонат аммония растворяют в 1,5 л воды до концентрации 90 г/л. Обработку ведут в течение 1 часа. Фильтрацию и сушку продукта осуществляют, как в примере 1, а термообработку проводят при температуре 250°С. Получают оксид цинка с удельной поверхностью 38,6 м²/г.

Пример 6. Способ осуществляют, как и в примере 4, но исходные реагенты берут в соотношении 10:1 по массе (1 кг оксида цинка и 100 г карбоната аммония). Последний растворяют в 4 литрах воды до концентрации 25 г/л. Оксид цинка обрабатывают полученным раствором в течение 3 часов. Термообработку продукта проводят при температуре 230°С. Получают оксид цинка с удельной поверхностью 28,9 м²/г.

Приведенные примеры показывают, что обработка оксида цинка путем его растирания с сухим карбонатом аммония в соотношении (1-5):1 по массе или путем взаимодействия с водным раствором карбоната аммония с концентрацией 25-100 г/л при соотношении реагентов (2,5-10):1 по массе обеспечивает увеличение удельной поверхности оксида в 5-10 раз по сравнению с исходным значением, при существенном упрощении процесса по сравнению с прототипом.

Способ увеличения удельной поверхности оксида цинка, включающий его обработку карбонатом аммония и термообработку образующегося продукта, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем растирания оксида цинка с карбонатом аммония в соотношении (1-5):1 по массе или обработку оксида цинка осуществляют водным раствором карбоната аммония с концентрацией 25-100 г/л при соотношении реагентов (2,5-10):1 по массе.