Способ получения сульфида цинка

Способ получения сульфида цинка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к неорганической химии и позволяет получать ультрадисперсный порошок сульфида цинка с размером частиц d 0,15 мкм. Для этого синтез сульфида цинка производят в ламинарном диффузионном факеле паров цинка и серы при атмосферном давлении. Устройство для реализации способа содержит трубчатую нагревательную печь 1, реактор 2, поршневой дозатор 5 и уловитель порошг ка 8, Устройство может быть также выполнено в виде щелевого распылителя, поршневого дозатора, трубки-горелки, подвижной трубки, импульсной пропан-кислородной горелки и уловителя порошка. 1 з.п.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ 3 О

О (л

Ql

О (лЭ (21) 4907363/26 (22) 04.02.91 (46) 23,01.93. Бюл. № 3 (72) С.А.Киро, А.К.Безродных и А.Д.Агеев (73) С.А,Киро (56) Авторское свидетельство СССР ¹

1089050, кл, С 01 G 1/12, 1979.

Золотко А.Н. и др. Кинетика высокотемпературного реагирования смесевых газифицирующих систем на примере шихты.

Физика аэродисперсных систем, 1989, вып.

32, с . 65-69.

„„ Ы„„1790550 АЗ

s С 01 G 9/08//С 09 К 11/56 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУЛЬФИДА

ЦИНКА (57) Изобретение относится к неорганической химии и позволяет получать ультрадисперсный п рошок сульфида цинка с размером частиц б 0,15 мкм. Для этого синтез сульфида цинка производят в лами- нарном диффузионном факеле паров цинка и серы при атмосферном давлении. Устройство для реализации способа содержит трубчатую нагревательную печь 1, реактор

2, поршневой дозатор 5 и уловитель порошка 8, Устройство может быть также выполнено в виде щелевого распылителя, поршневого дозатора, трубки-горелки, подвижной трубки, импульсной пропан-кислородной горелки и уловителя порошка. 1 з.п.

1790550 Технологическими недостатками данного способа являются относительная протяженность процесса за счет длительного подготовительного периода по сравнению с временем синтеза (менее 1 с) и необходимость работы с высоким давлением и большими расходами инертного газа (аргон, Изобретение относится к неорганической химии, а именно к способам получения порошка сульфида цинка, и может найти применение в производстве фото-, катодои электролюминофоров, в изготовлении тонкоструктурных люминесцентных экранов методом сухого напыления. гелий). Принципиальные недостатки спосоИзвестен способ получения сульфидов, основанный на взаимодействии металлов с ба связаны с качеством конечного продукта серой при нагревании в инертной атмосфе- "0 — сульфида цинка. Целевой продукт предре, Данный способ имеет много модифика- . ставляет собой монолитный блок сульфида ций. Например, взаимодействие металла с цинка и для применения в производствелюэлементарной серой проводят в вакуумиро- минофоров требует помола, а следовательванной запаянной кварцевой ампуле при но, значительных энергетических и .температуре образования жидкой сульфид- "5 временных затрат. Целевой продукт содерной фазы с использованием высокочастот- жит все возможные кристаллические модиного нагрева, . фикации сульфида цинка, является

Недостатки этого и аналогичных спосо- псевдополикристаллом с большим количебов заключаются в длительности синтеза; ством примесей, ограниченности спектра получаемых суль- 20 Таким образом, существующие в настофидов только теми, у которых температура ящее время способы получения сульфида плавлейия ниже температуры размягчения цинка обладают недостатками либо технокварца (тугоплавкие сульфиды, в том числе логическими (экологически вредное произи сульфид цинка с Т = 2073 К, по этому водство с высокими временными и способу не могут быть получены); недостаточ- 25 энергетическими затратами), либо связанной гомогенности продукта. Способ преры- ., ными с качеством конечного продукта. вист по технологии, требует значительного Как известно, с расширением области подготовительного времени, использования применения люминофорных материалов на нагревательных устройств, Целевой продукт основе сульфида цинка потребность в качепредставляет собой монолитный блок суль- 0 ственном ультрадисперсном порошке сульфида массой 2-50 r.: фида цинка все более возрастает.

Наиболее близким к предлагаемому по Удовлетворению этой потребности и служит технической сущности является способ пол- предлагаемое изобретение, учения монолитных блоков сульфида цинка Цель изобретения — получение ультраметодом самораспространяющегося высо- Э5 дисперсного порошка сульфида цинка высокотемпературногосйнтеза,заключающийся кого качества со сферической формой в том, что шихту; состоящую из порошков . частиц (d 0,15 мкм) при высокой произвоцинка и серы, взятых в стехиометрическом: дительности процесса и повышение чистосоотношении, перемешивают и прессуют в ты продукта. таблетку. Таблетку помещают вкамеру,,ко- 40 Поставленная цель достигается тем, что . торую затем герметизируют и создают в ней образование ультрадисперсного порошка давление инертным газом. Высокое давле- сульфида цинка высокого качества происние инертного газа необходимо для предотв- - ходит путем факельного сжигания цинка в ращения выкипания серы из таблетки шихты сере при атмосферном давлении, . в процессе предпламенного разогрева не- 45 Целевой продукт — сульфид цинка мопрореагировавшей смеси цинка и серы, Ини- жет быть получена на двух типах устройств, циирование воспламенения таблетки шихты реализующих: производят электроспиралью, подведенной к а) ламинарный диффузионный факел патаблетке. Способ осуществляется без исполь- ров цинка и серы; зования нагревательных устройств, что 50 . б) ламинарный, предварительно перепозволяет значительно упростить технологи- мешанный факел газовзвеси цинка и серы. ческий регламент и удешевить продукт. Высо- . Первое устройство; реализующее ламикие температуры, необходимые для нарный диффузионный факел паров цинка и образования конечного продукта, развива- серы, показано схематично в продольном ются за счет собственных энергетических 55 разрезе на фиг.1, а второе — на фиг,2, возможностей и существуют лишь в волне Первоеустройствосостоитизтрубчатой горения, Время, необходимое для приготов-. электронагревательной печи 1 и реактора 2 ления шихты, прессования таблетки, загруз- в виде баллона с двумя трубками — входящей ки, синтеза и выгрузки готового продукта, 3 и выходящей 4. Кроме того, устройство составляет 1-2 ч. включает дозатор 5 (показан условно), кото1790550

50

55 рый трубкой 6 соединен с внутренним объемом трубчатой электронагревательной печи 7. Устройство также содержит уловитель ультрадисперсного порошка сульфида цинка 8.

Работает устройство следующим образом. Цинк в гранулах размером 0.05 м (или в виде порошка) засыпается через трубку 4 в реакторе 2 (объемом реактора 2 дм"), Затем реактор специальным, но не сложным устройством (не показано) опускается в трубчатую электронагревательную печь 1, в которой создается температура 1223 4- 5 К, При этом происходит прогрев реактора 2 до такой же температуры, вследствие чего цинк плавится и доводится до кипения (Т ип = 1183 К). Одновременно с опусканием в трубчатую электронагревательную печь 1 в реактор через трубку 3 начинают подавать слабый поток инертного газа (аргон, гелий), расход которого составляет 2-4 л/мин.

Инертный газ выполняет две функции, Вопервых, за счет его подачи происходит вытеснение воздуха из реактора 2, что исключает окисление расплава цинка и, соответственно, зарэстание его поверхности окисленной пленкой, которая может прекратить испарение цинка, Во-вторых, инертный гэз выносит пар цинка из реактора 2 через трубку 4 во внутренний обьем трубчатой электронагревательной печи 7 и в данной функции является транспортом.

Концентрация паров цинка в смеси с инертным газом составляет 60-90 об.% и регулируется расходом инертного газа, при этом массовый расход цинка равен 0,08-0,16 г/с.

После опускания реактора 2 в печь 1 и получения паров цинка с помощью поршневого дозатора 5 инертным газом (аргоном или гелием) через трубку 6 во внутренний объем печи 7 подается порошкообразная сера с массовым расходом 0,05-0,10 г/с. По мере прохождения по внутреннему объему

7, имею.цему температуру 1223+5 К, порошок серы испаряется (Тким = 723 К), За срезом трубки 4 происходит смешение паров цинка и серы, самовоспламенение образовавшейся смеси и установление самогюддерживающегося ламинарного диффузионного факела, который расположен в верхней части. внутреннего объема 7 трубчатой электронагревательной печи 1, что позволяет избежать попадания воздуха в зону горения. С целью обеспечения полного сульфидирования цинка, что необходимо для получения целе. вого продукта высокой чистоты, пары серы всегда подаются в избытке в сравнении со стехиометрическим количеством, равным

2,04 г Zn/r $.

Образующийся факел ультрадисперсный сульфид цинка в виде дыма потоком инертного газа выносится из внутреннего объема печи, смешивается с воздухом и по5 ступает в уловитель 8. Следует отметить, что поскольку процесс является стационарным, градиен ы температур в зоне горения факела и темпы естественного остывания продуктов одинаковы для всех частиц сульфида

10 цинка, что обусловливает стабильность структуры. При смешении с воздухом происходит догорание избытка серы с образованием серного ангидрида, Экологические вопросы, связанные с улавливанием серно15 ro ангидрида, решаются стандартными способами, Полученный таким образом порошок содержит 99,8% сульфида цинка; 100% частиц этого порошка имеют размер 0,02-0,10 мкм

20 сферической формы. Тип кристаллической модификации сульфида цинка зависит от температуры факела, которая регулируется концентрацией паров цинка и серы. Так, при постепенном изменении температуры

25 факела от 1700 до 2400 К кристаллическую модификацию сульфида цинка можно получать от гексагональной до кубической либо, заранее задавшись необходимым соотношением между ними, установить соответствую30 щую температуру, После сульфидировэния всего цинка реактор специальным устройством поднимается из печи, в него может быть засыпана следующая партия цинка, он готов к работе.

35. Время перегрузки реактора не превышает

3-5 мин.

Пример 1. Получение сульфида цинка.

80 г цинка в гранулах (марки "ХЧ") засыпают в реактор 2, который опускают в реак40 ционный объем трубчатой электропечи 7 с температурой 1223 + 5 К, Температура контролируется при помощи термопары ППР-1.

Одновременно с опусканием реактора 2 в трубчатую печь 1 в него начинают подавать аргон с объемным расходом всего около 2 л/мин. Прокачка через реактор 2 инертного газа осуществляется в течение всего процесса. Инертный газ выносит пары цинка из реактора 2, при этом массовый расход паров цинка составляет 0,08 r/с, Затем во внутренний объем печи 7 подают дозатором

5 порошкообразную коллоидную.техническую серу с массовым расходом 0,05 r/ñ. За срезом выходной трубки 4 реактора 2 происходит смешение пэров серы и цинка и самовоспламенение смеси (поджигающего устройства в данном случае не требуется).

Устанавливается самоподдерживающийся ламинарный диффузионный факел, Температура факела составляет 1700 К, Время су1790550 щестаования факела 18+-1 мин (время зависит от качества используемых компонентов и точности навески). Продукты сгорания улавливаются на фильтре уловителя 8 (артикул 56-306). Они представляют собой порошкообразный сульфид цинка чистоты

99,8% и содержат сферические частицы раз мером 0,02-0,10 мкм, Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что модификация ZnS — гексагональная.

Пример 2, Способ осуществляется по примеру 1, но массовый расход паров цинка составляет 0,12 г/с при расходе инертного газа 3 л/мин. Массовый расход серы 0,07

r/с. Температура факела 1980 К. Длительность существования факела 11 + 1 мин, Полученный в уловителе 8 продукт представляет собой порошок сульфида цинка чи-. стотой 99,8%, содержит сферические частицы размером 0,02-0,10 мкм, Данные рентгеноструктурного анализа продукта свидетельствует о наличии, наряду с гекса гональной, и кубической фазы ZnS.

Пример 3. Способ осуществляется по примеру 1, но в реактор засыпается 100 г цинка в гранулах, Массовый расход паров цинка составляет 0,16 г/с при расходе инертного газа 4 л/мин, Массовый расход серы

0,10 г/с, температура. факела 2240 К. Целевой продукт содержит порошок сульфида цинка чистотой 99,8% и состоит из сферических частиц размером 0,02-0,10 мкм. Сульфид цинка содержит две фазы: кубическую и гексагональную, Второе устройство, реализующее ламинарный, предварительно перемешанный факел газовзвеси цинка и серы, показанное на фиг.2, состоит из щелевого распылителя, выполненного в виде полого кольца 1 с щелью 2 шириной порядка 30 мкм, полость

3 кольца 1 соединена трубопроводом 4 с источником инертного газа (не rоказан), Внутри кольца 1 установлен поршневой дозатор 5, который с помощью электромеханической системы (не показана) имеет возможность возвратно-поступательного движения. Полость 3 кольца 1 соединена с трубкой-горелкой 6, коаксиально которой установлена подвижная труба 7, Полость 8, образованная трубками 6 и 7, соединена трубопроводом с источником инертного газа (не показан). Над трубкой 7 установлена импульсная пропан-кислородная горелка 9.

На выходе трубки 7 установлен уловитель ультрадисперсного порошка сульфида цинка 10, Устройство, изображенное на фиг,2, работает следующим образом. Равномерно перемешанная шихта, состоящая из порошгаза (аргона или гелия) в полость 3 он начи5 нает выходить из щели 2 со скоростью по10

25 ки-горелки 6 поджигается однократным

30 включением пропан-кислородной горелки 9, формы. Основной примесью (до 1,8%) целе50 вого продукта является окись цинка, содер55

20 ков цинка и серы (0.55-0,60 мас, ч. серы на 1 мас, ч. цинка). засыпается в полость поршневаго дозатора 5, При подаче инертного рядка 50 м/с. Такая высокоскоростная струя газа подхватывает частицы шихты, равномерно подаваемые поршневым дозатором

5, Образовавшаяся газовзвесь поступает в трубку-горелку 6, выбираемые параметры которой (длина и внутренний диаметр) позволяют сформировать на выходе из нее ламинарный профиль течения газовзвеси, В частности, для данного устройства они равны 0,7 м и 0,02 м соответственно. Ламинарность потока газовзвеси является необходимым условием, поскольку турбулентность потока газовзвеси приводит к получению целевого продукта, загрязненного цинком, что осложняет процесс, так кэк требуется дополнительная последующая очистка сульфида цинка. Одновременно с подачей инертного газа в полость 3 осуществляется также подача его в полость 8. При выходе из полости 8 кольцевой поток инертного газа экранирует поток газовзвеси цинка и серы от окружающего воздуха, Поток газовзвеси и серы при выходе из трубПри этом образуется пламя, которое перемещается к выходу трубки-горелки 6. Достигнув выхода трубки-горелки 6, оно формируется в виде стабильного ламинарного, предварительно перемешанного самоподдерживающегося факела -11. Как известно, факел состооит из трех основных зон; и редпламен ной, горения (реакции) и конденсации. В предпламенной зоче частицы цинка и серы испаряются зэ счет тепла, поступающего из зоны горения, Это тепло в зоне горения выделяется при реакции паров цинка с серой, Образовавшиеся в зоне конденсации продукты сгорания улавливаются на фил ьтре уловителя 10. Получен н ый таким способом порошок содержит не менее

98,0% сульфида цинка, 100% частиц его имеют размер 0,05-0,15 мкм сферической жащаяся в исходном порошке цинка.

Кристаллическая модификация сульфида цинка в этом способе гексагональная с примесью кубической фазы.

Пример 4, Получение сульфида цинка.

20 r коллоидной технической серы и 36

r порошкообразного цинка, имеющего размер частиц менее 15 мкм, тщательно перемешивают. Полученную шихту засыпают в емкость поршневого дозатора 5, Аргон, объ10

1790550

25 емным расходом 0,1 л/с. подают в целевой распылитель; туда же равномерно подают поршневым дозатором 5 порошок шихты с массовой скоростью 0,1 г/с. Образовавшаяся в щелевом распылителе газовзвесь с массовой концентрацией шихты 1,0 г/л выносится в трубку-горелку 6, параметры которой (внутренний диаметр 0,02 м и длина 0,7 м) позволяют получить на выходе горелки ламинарный поток газовзвеси. Одновременно для экранирования потока газовзвеси шихты от окружающего воздуха в полость

8 подается аргон с объемным расходом 0,2 л/с. После однократного поджига газовзвеси на выходе из трубки-горелки устанавливается стабильный ламинарный, предварительно перемешанный самоподдерживающийся факел . Стабильность факела обеспечивается собственным тепловыделением от экзотермической реакции взаимодействия цинка и серы. Анализ продуктов реакции, улавливаемых фильтром уловителя, показал, что они состоят из сульфида цинка чистотой 98,2

Размер частиц порошка находится в дйапаФормула изобретения

1. Способ получения сульфида цинка, включающий взаимодействие элементарных цинка и серы в режиме горения, о т л ич а ю щи и с я тем, что, с целью получения ультрадисперсного порошка сульфида цинка со сферической формой частиц и повышезоне 0,05-0,15 мкм, форма частиц сферическая. Кристаллическая модификация целевого продукта — гексагональная с примесью кубической фазы.

5 В отличие от способа получения сульфида цинка, реализованного в первом устройстве, где пары цинка и серы получают за счет внешнего источника тепла (электронагревательная печь), во втором устройстве.па10 ры цинка и серы получают за счет собственного тепловыделения от реакции образования конечного продукта 2nS, т.е. в этом случае не требуется постоянного внешнего источника тепла.

15 Таким образом, предлагаемые способы позволяют получать ультрадисперсйый порошок сульфида цинка высокой чистоты с высокой производительностью при использовании простого оборудования. Процесс

20 не требует значительных затрат энергии, так как поддерживается за счет собствен.ной энергии химической реакции взаимодействия цинка с серой. ния чистоты продукта, взаимодействие осуществляют в ламинарном диффузионном факеле паров цинка и серы при атмосферном давленйи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходные феагенты предварительно смешивают.

1790550

Корректор С.Шекмар

Заказ 364 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 м

Редактор Г. Бельская \

Составитель С.Киро

Техред M.Mîðlåíòàë