硫酸镍煅烧的实验研究

马玉文，孔德绪，王 飞

（山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博255000）

硫酸镍在无机盐工业领域是制备氧化镍、碳酸镍等镍盐的重要原料，有原料来源多样的优点，其原料涉及金属镍、羰基镍、硫化镍、红土镍矿、电镀污泥、废旧锂离子电池、球形镍氧化物等，其生产工艺涉及酸法浸出、加压浸出、还原焙烧氨浸等多种类型［1-2］。

氧化镍（NiO）在很多领域有较为广阔的市场前景，由于其具有良好的热敏、气敏特性，对外界环境的变化十分敏感，可做气敏传感材料；在蓄电池领域广泛使用的铁镍、锌镍蓄电池表现出良好的充电性能；氧化镍电极材料具有较好的电容性能，在电化学电容器方面有重要的应用。 此外，氧化镍在食品、医药、催化、生物、能源、人工智能、信息领域等均具有广范的应用。 氧化镍的制备方法有化学沉淀法、电化学和溶胶-凝胶法、喷雾热解法、高分子网络法、醇溶剂法、PVP 前驱体法、水热法、低热固相反应合成法等多种方法［3-4］。

硫酸镍煅烧可以产生镍氧化物， 作为制备氧化镍的原料。笔者通过对六水硫酸镍煅烧过程的研究，考察了影响其煅烧过程的因素， 为氧化镍的制备提供理论支持。

1 实验部分

1.1 实验仪器

SK2-2-10 型管式电阻炉； 刚玉方舟；BSA124S型 分 析 天 平；试 验 筛（孔 径 分 别 为74、147、246、365 μm）；D8 Advance 多晶X 射线衍射仪；STA449C同步热分析仪。

1.2 实验方法

称取一定量六水硫酸镍，放入刚玉方舟中，在管式电阻炉中加热脱水，控制脱水温度和时间，保证结晶水全部脱除。 将无水硫酸镍在设定温度下加热一定的时间，煅烧完之后称其质量，计算硫酸镍的烧失率。

1.3 分析方法

采用同步热分析仪对六水硫酸镍进行热分析（升温速率为10 ℃/min，氮气流速为30 mL/min）；采用X 射线衍射仪对产物进行物相表征。

2 结果与讨论

2.1 六水硫酸镍的热分析

采用STA449C 型同步热分析仪对六水硫酸镍进行热分析，TG-DTA 曲线见图1［5］。从图1 看出，在DTA 曲线上，在27～250 ℃有2 个峰值，在250～600 ℃有1 个峰值，在600～900 ℃有1 个峰值，分别对应TG 曲线上相应的质量损失台阶。 第一阶段质量损失率约为33.8%， 该阶段与理论上失去5 个结晶水的质量损失率（34.2%）近似，说明在该阶段六水硫酸镍受热失去5 个结晶水；第二阶段质量损失率约为7.2%，近似于六水硫酸镍的1 个结晶水失去的理论值；第三阶段质量损失率为29.6%，近似于六水硫酸镍中三氧化硫失去的理论值（30.4%），硫酸镍实现完全煅烧。

图1 六水硫酸镍TG-DTA 曲线

2.2 煅烧温度对硫酸镍烧失率的影响

将硫酸镍分别在700、750、800、850、900 ℃煅烧一定的时间，计算硫酸镍的烧失率，实验结果见图2。从图2 看出，硫酸镍的烧失率随着煅烧温度的升高而逐渐增大。 因为温度升高，化学反应速率增大。 硫酸镍的煅烧过程是一个吸热过程，热量从颗粒外部向内部传递，使其逐步分解，形成产物层。升高温度促使反应向正反应方向进行， 温度升至850 ℃时， 硫酸镍烧失率达到最大值； 继续升高温度，硫酸镍的烧失率不再增加。 因此，选择煅烧温度为850 ℃。

图2 煅烧温度对硫酸镍烧失率的影响

2.3 煅烧时间对硫酸镍烧失率的影响

将硫酸镍分别煅烧10、20、30、40 min，在不同时间下考察硫酸镍的烧失率，实验结果见图3。 从图3看出，硫酸镍的烧失率随着热解时间的延长而增加。对于吸热反应来说，要实现最大程度的分解需要吸收足够的热量。在其他条件相同的情况下，延长反应时间会使物料得到更多的热量，促使其分解。当煅烧时间为30 min 时，分解率达到最大值；继续延长时间，分解率并没有继续增大。 因此，选择煅烧时间为30 min。

图3 煅烧时间对硫酸镍烧失率的影响

2.4 物料粒度对硫酸镍烧失率的影响

将硫酸镍用试验筛筛分成粒度范围分别为74～147、147～246、246～365、＞365 μm 的颗粒， 在不同粒度下考察硫酸镍的烧失率，实验结果见图4（图4 中的横坐标为粒度范围的下限）。 从图4 看出，硫酸镍的烧失率随着粒度的增大而逐渐减小，在74～147 μm时烧失率达到最大值。硫酸镍受热分解，热量从颗粒外部向颗粒内部传递，颗粒的大小影响传热、传质的效率［6］。 随着物料粒度的增大，其比表面积减小，降低了传热、传质的效率。 在同样条件下，适当地减小粒度，能够促使硫酸镍最大程度地分解。 因此，选择硫酸镍的粒度为74～147 μm。

图4 物料粒度对硫酸镍烧失率的影响

2.5 产物表征

取粒度为74～147 μm 的硫酸镍在850 ℃煅烧30 min，采用X 射线衍射仪对热解产物进行分析，结果见图5。从图5 看出，在2θ 为37.34、43.36、62.96°处出现衍射峰，而且峰形尖锐，未发现其他明显的杂质相，与氧化镍标准XRD 谱图较为一致。

图5 硫酸镍煅烧产物XRD 谱图

3 结论

1）六水硫酸镍煅烧过程分为3 个阶段：第一阶段（27～250 ℃）及第二阶段（250～600 ℃）为脱水阶段；第三阶段（600～900 ℃）为分解阶段。

2）硫酸镍煅烧过程受温度、时间、物料粒度等因素的影响。 合适的煅烧条件：温度为850 ℃，时间为30 min，物料粒度为74～147 μm。 在此条件下，所得产物为氧化镍。