微波等离子体还原钛铁矿工艺研究

微波等离子体还原钛铁矿工艺研究
徐慢;张文波
【摘要】利用微波等离子体技术,在氢气和甲烷的气氛中,对钛铁矿进行了还原.通过XRD和SEM分析了不同的甲烷流量及微波功率对还原产物的组成及形貌的影响.研究结果表明,反应气体中碳浓度的增加或微波功率的提高,有利于纳米碳管的生长,并加快钛铁矿的还原速率.%Hmenite was reduced by microwave plasma technology in hydrogen and methane atmosphere. The effect of flow of methane and microwave power on the phase characteristics and morphology of reduction products was analyzed by XRD and SEM. The results showed that it was benefit to reduction of ilmenite and growth of carbon nanotubes by increasing the flow of methane or microwave power.【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2011(017)004
【总页数】5页(P209-212,223)
【关键词】纳米碳管;微波等离子体;化学气相沉积;钛铁矿
【作者】徐慢;张文波
【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】O539
1 引言
钛铁矿是铁和钛的氧化物矿物，其资源储量大，分布广，几乎遍布全世界。

我国已探明钛铁矿储量约为3000万吨，居世界储量之首［1，2］。

工业生产中，广泛用还原钛铁矿的方法制备钛白，采用不同的工艺条件还原钛铁矿，其还原产物也不相同。

Mohammad A.R.Dewan［3］研究了不同气氛下钛铁矿用碳粉还原，发现在氢气气氛还原下，还原速率高，并获得Ti2O3、TiOxCy等产物。

A.Calka［4］采用放电辅助机械球磨的方式用石墨还原钛铁矿，快速制备出TiC－Fe3C复合粉体。

汤爱涛［5］用碳热还原技术成功制备出含Fe－Ti(C，N)复合粉体，其粉体纯度高达97%。

Xinyi Hua［6］利用微波辅助还原技术分析了钛铁矿的碳热还原动力学过程，通过定量分析证实微波具有快速升温的特点，可以提高钛铁矿的还原速率。

本文采用低气压微波等离子体化学气相沉积法，在氢气和甲烷的气氛下还原钛铁矿，分析了不同的甲烷流量对还原产物的组成和形貌影响。

2 实验部分
实验主要设备为微波等离子体化学气相沉积装置［7，8］，球磨机。

实验所采用的还原气体为甲烷、氢气(纯度均大于99.9%)，原料为钛铁精矿(纯度大于97%)，主要成分为FeTiO3。

钛铁矿XRD如图1所示。

将钛铁矿进行球磨，降低粒径至5～10 μm。

取适量的钛铁精矿粉末置入微波等离子体化学气相沉积装置中，维持反应气压5.5 kPa，具体工艺条件如表1所列。

采用日本电子株式会社JSM－5510LV型扫描电子显微镜对样品表面形貌进行表征，用XD－5A型X射线衍射仪对样品进行物相分析。

图1 钛铁矿的XRD图
表1 钛铁矿还原工艺参数注:1 sccm≈1.7×10－3Pa·m3·S－1。

编号氢气流量
/sccm 甲烷流量/sccm 微波功率/W 反应时间/min A 55 0 600 40 B 55 0.5 600
40 C 55 2 600 40 D 55 3.3 600 40 E 55 3.3 500 40 F 55 3.3 600 40 G 55 3.3 700 40 H 55 3.3 800 40
3 实验结果与讨论
3.1 甲烷浓度的影响
图2为钛铁精矿还原产物的XRD图。

从图中可以看出，在纯氢气还原中，产物主要是铁和二氧化钛;当甲烷流量为0.5 sccm时，样品中少量铁被碳化成碳化铁，当甲烷流量升至2 sccm时，样品中铁完全被碳化成碳化铁;当甲烷流量为3.3 sccm 时，大量的纳米碳管形成。

此外，随着甲烷的通入，钛铁矿的峰值降低，说明通入甲烷有助于反应的进行。

这主要是由于在等离子体中，甲烷裂解产生CO、CO2
等中间产物［9］。

这些中间产物具有还原性，与钛铁矿发生反应
纳米碳管的生长与碳化铁的形成密切相关。

在等离子体的作用下，甲烷裂解产生的碳渗入到钛铁矿还原产生的铁中形成渗碳体。

当渗碳体中的碳已经饱和时，就会析出，在其表面生长为纳米碳管［10，11］。

图3分别为A、B、C、D条件下还原产物的SEM照片。

在纯氢气还原下，反应产物的颗粒同球磨后钛铁矿颗粒特征几乎完全相同。

当渗入少量甲烷后，有少量的短纳米碳管在颗粒表面生成。

随着甲烷流量的增加，纳米碳管数量增多。

当甲烷流量为3.3 sccm时，大量纳米碳管形成。

由于纳米碳管在颗粒内部生长的挤压作用，二氧化钛颗粒被破碎为纳米颗粒。

根据谢乐公式计算，A、B、C、D条件下，二
氧化钛的平均粒径分别为:80.7 nm、31.6 nm、27.8 nm、20.5 nm。

图2 不同甲烷流量下还原产物的XRD图
图3 不同工艺条件下还原产物的SEM图
3.2 微波功率对还原产物的影响
图4 显示出微波输入功率对还原产物的影响。

从图中可以看出，随着功率的提高，
钛铁矿的相对强度降低，反应产物的相对强度相应的增加。

在功率800 W，反应
时间为40 min后，没有钛铁矿特征峰，表明钛铁矿已经反应完全。

功率的提高，促进了氢气和甲烷的裂解，形成更多的活性基团及还原性中间产物。

图4 不同功率还原钛铁矿产物XRD图(图中符号意义同图1、图2)
图5 显示出不同功率下还原产物纳米碳管的SEM照片。

在500 W的功率下，纳
米碳管含量较少。

而在800 W的功率下，大量纳米碳管形成。

图5 不同工艺条件下还原产物的SEM图
4 结论
利用微波等离子体技术将钛铁矿还原，结果表明:在纯氢气还原条件下，还原产物
为铁和二氧化钛;随着甲烷的渗入，甲烷裂解的碳原子渗入到还原产物铁中，将铁
碳化，过量的活性碳原子以铁和碳化铁为催化剂，生长出纳米碳管;二氧化钛在纳
米碳管的挤压作用下破碎，粒径降低;提高微波功率可以有效地提高还原速率，促
进催化剂的形核，提高纳米碳管的生长速率。

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