A1N真空热分解反应机理研究

发布时间：2020-11-09 09:08

　　 针对现行的Hall-Heroust法冶炼金属铝工艺流程繁多、基建设备投资大、能耗高、有温室气体及全氟碳化物(PFCs)的排出等弊端。结合目前直接碳热还原法、间接碳热还原法(氯化法、氮化法)、高炉炼铝法、离子液体电解法等新的炼铝方法思想,本文创新性提出采用具有流程短、污染小、操作简单、占地面积小等优点的氮化铝真空热分解制备金属铝的方法,以期为制备金属铝的新工艺提供理论和技术依据。本论文首先对氮化铝真空热分解的可能反应式进行热力学计算,并绘制出ΔG-T曲线图。得出在1873K～2073K,30Pa、60Pa的条件下,氮化铝真空热分解反应是可行的,真空度为30Pa、60Pa下的反应开始温度分别为1900K、1920K。根据热力学计算结果,采用Material Studio软件的CASTEP模块,对W-A1N真空热分解反应在1873K～2073K,30Pa、60Pa的条件下进行了 10ps动力学模拟,对Z-A1N真空热分解反应在1973K、30Pa、60Pa的条件下也进行了 10ps动力学模拟。对比动力学模拟前后两种晶型A1N的晶体结构、偏态密度、Mulliken电荷布局和差分电荷密度等结果,得出在30pa和60pa条件下W-A1N真空热分解是可行的,且30pa条件下W-A1N动力学模拟前后变化最明显,动力学模拟过程中层与层间的A1-N键最先发生断裂,接着是同一层中的A1-N键断裂。而Z-A1N在1973K、30pa和60pa条件下动力学模拟前后变化不明显,表明Z-A1N不易分解。最后,结合热力学计算和分子动力学模拟结果,采用纤锌矿型块状分析纯氮化铝原料,在压强为7.5～70Pa,温度为1600～1700℃的实验条件下开展了一系列氮化铝真空热分解实验研究。结果显示,氮化铝发生了分解,所得产物主要为金属铝。通过XRD检测结果分析,一、二级冷凝盘上收集到与标准JCPDS铝(Card No.85-1327)一致,均为立方结构的金属铝,且金属铝的最高纯度为95.826wt%,金属铝的直收率为98.83%。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF821
【部分图文】：

长率９．４５％，而同期全球其他地区整体增速为－０．６４％，使得我国氧化铝产能在全??球中占比不断上升。截至２０１５年我国氧化铝产能已经达到７，１６０．２７万吨，占全??球总产能的５１．９８％⑶。全球主要国家氧化铝产量变动以及产量増速如图１．１和??１．２所示。??１６０００?０?ｒ?—｜?Ｓ５?０Ｏ＊ｆ??１４０００?〇?｜??１２０００?０?｜?■■議?一??ｚ：！?Ｉ?Ｉ?＼Ａｌ?Ｉ?＾??三?Ｗｉｌｌｉ?＝??２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６??？？■卞凶?■■■■■仑砵?占比??图１．１?２０１?］至２０】６年氧化铝产能变动（单位：万吨）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｃｈａｎｇｅｓ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎａ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｃａｐａｃｉｔｙ?ｆｒｏｍ?２０１１?ｔｏ?２０１６??１??

?？？＊■＊＿此美？印：??作．＋！：知迮．州（孓含中⑷）??图１．２?２０１１至２０１６年氧化铝产能增速??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ａｌｕｍｉｎａ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?ｇｒｏｗｔｈ?ｆｒｏｍ?２０１１?ｔｏ?２０１６??据统计，２０１７年中国氧化铝预计新投产产能６００万吨，届时总产能有望达??到８０００万吨，按照今年８２％年平均开工率算，２０１７年产量有望达到６５６０万吨，??同比增速９．２％［２］。??我国氧化铝产能分布具有明显的资源导向特性，主要分布在铝土矿资源丰富??的河南、山西、广西、贵州四地（见图１．３），２０１５年合计产量占全国总产量的??６４．２１％。山东省虽然铝土矿储量并不丰富，但凭借沿海优势，铝土矿进口相对便??利，加上省内铝产业链较为成熟，氧化铝需求量大，２０１５年已经超越河南成为??我国氧化铝产量第一大省。??２０００?００?１８９７Ｗ??１８００．００?？?１－７３，上＂／』的??１６００?００?＃常??－??１４００?００?－?１２＾＾２７２?９１?１－?３２１７?＾??１２００?００?■?ｇ?■河南??ｉ〇〇〇〇ａ?■?■?＿??８００?００?＊?．?２１５８?Ａ?■广西??：Ｊｉｌｌ?董?歡乂??：Ｕｈｌ?■?■??山东?ｍ?山西广西?ｓ州云甬重庄其他?■其ｆ??＊产１?（方啤＞??图１．３?２０１５年主要省份氧化铝产量以及产量占比??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ａｌｕｍｉｎａ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ?ｏｆ?ｃｈｉｎａ?ｉｎ?２０１５??２０１２年以来

Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｇｌｏｂａｌ?ａｌｕｍｉｎａ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ?ｉｎ?２０１５??ｌ．?ｌ锅土矿资源??ｌ．ｉ．ｉ世界铝土矿资源现状??世界铝土矿储藏量巨大（如图１．５），目前铝土矿年消费量约为０．９５？１亿吨，??按当前的消费速度，铝土矿的蕴藏量可以供几百年的开采。在所有的铝土矿床中，??大约９０％的矿床分布于近赤道地区，主要的出产地为澳大利亚、几内亚、巴西等??＋４ｊ。许多西方工业发达国家缺少铝土矿资源，但他们具有庞大数量的铝硅酸盐??（黏土，煤渣，钙长石）材料作炼铝原料，这些贫矿的含铝量约为１０％？２０％，??是未来炼铝的潜在资源。在目前炼铝技术水平上开发这些矿物是可行的，但是没??有经济效益。??
【参考文献】

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本文编号：2876193