Kalcynacja - Calcination
Kalcynacja odnosi się do ogrzewania ( do obróbki cieplnej o) stałego związku chemicznego (na przykład węglan rud ) do wysokiej temperatury w przypadku braku lub ograniczonego powietrza zasilającego lub tlenu (O 2 ), na ogół, w celu usunięcia zanieczyszczeń lub lotnych substancji, i / lub do zaciągania cieplnej rozkład .
Korzeń słowa kalcynacja odnosi się do jego najbardziej znanego zastosowania, które polega na usuwaniu węgla z wapienia poprzez spalanie w celu uzyskania tlenku wapnia (wapna palonego) . Ta reakcja kalcynacji to CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g). Tlenek wapnia jest kluczowym składnikiem nowoczesnego cementu i jest również stosowany jako topnik chemiczny w wytapianiu . Kalcynacja przemysłowa na ogół emituje dwutlenek węgla ( CO
2), co czyni go głównym czynnikiem przyczyniającym się do zmiany klimatu .
Kalcynator to stalowy cylinder, który obraca się w nagrzanym piecu i wykonuje pośrednią obróbkę w wysokiej temperaturze (550–1150 °C lub 1000–2100°F) w kontrolowanej atmosferze.
Procesy przemysłowe
Proces kalcynacji wywodzi swoją nazwę od łacińskiego calcinare (do spalania wapna) ze względu na jego najczęstsze zastosowanie, rozkład węglanu wapnia ( wapień ) na tlenek wapnia ( wapno ) i dwutlenek węgla , w celu wytworzenia cementu . Produkt kalcynacji jest zwykle określany ogólnie jako „kalcynacja”, niezależnie od rzeczywistych minerałów poddawanych obróbce termicznej. Kalcynację przeprowadza się w piecach lub reaktorów (czasami określane jako pieców lub kalcynatorów) różnych wzorów, w tym pieców szybowych, piece obrotowe , piece półkowe i reaktorach ze złożem fluidalnym .
Przykłady procesów kalcynacji obejmują:
- rozkład rud węglanowych, jak przy kalcynacji wapienia w celu usunięcia dwutlenku węgla ;
- rozkład uwodnionych minerałów, jak przy kalcynacji boksytu i gipsu , w celu usunięcia wody krystalizacyjnej w postaci pary wodnej;
- rozkład substancji lotnych zawartych w surowym koksie naftowym ;
- obróbce cieplnej skutek przemian fazowych, jak w konwersji anatazu do rutylu lub rekrystalizacji z szklanych materiałów;
- Usunięcie amoniowych jonów w syntezie z zeolitów ;
- odfluorowanie fluorku uranylu w celu wytworzenia dwutlenku uranu i gazowego kwasu fluorowodorowego .
Reakcje
Reakcje kalcynacji zwykle zachodzą w temperaturze lub powyżej temperatury rozkładu termicznego (w przypadku reakcji rozkładu i ulatniania) lub temperatury przejścia (w przypadku przemian fazowych). Temperatura ta jest zwykle definiowana jako temperatura, w której standardowa energia swobodna Gibbsa dla określonej reakcji kalcynacji jest równa zeru.
Kalcynacja wapienia
W kalcynacji wapienia, procesie rozkładu, który zachodzi w temperaturze od 900 do 1050 °C, reakcja chemiczna jest
- CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)
Dziś ta reakcja w dużej mierze zachodzi w piecu cementowym .
Standardowa energia swobodna reakcji Gibbsa jest przybliżona jako Δ G ° r ≈ 177 100 − 158 T (J/mol). Standardowa energia swobodna reakcji wynosi 0 w tym przypadku, gdy temperatura T jest równa 1121 K, czyli 848°C.
Utlenianie
W niektórych przypadkach kalcynacja metalu powoduje utlenienie metalu z wytworzeniem tlenku metalu . W XVII wieku Jean Rey zauważył, że ołów i cyna podczas kalcynacji zyskały na masie, przypuszczalnie w trakcie utleniania.
Alchemia
W alchemii uważano, że kalcynacja jest jednym z 12 procesów życiowych wymaganych do przekształcenia substancji.
Alchemicy wyróżnili dwa rodzaje kalcynacji, rzeczywiste i potencjalne . Rzeczywiste kalcynowanie jest powodowane przez rzeczywisty ogień z drewna, węgla lub innego paliwa, podniesiony do określonej temperatury. Potencjalna kalcynacja jest spowodowana potencjalnym pożarem, np. żrącymi chemikaliami; na przykład złoto kalcynowano w piecu rewerberacyjnym z rtęcią i amoniakiem sali ; srebro z solą pospolitą i solą alkaliczną ; miedź z solą i siarką ; żelazko z salami amoniakalnymi i octem ; cyna z antymonem ; ołów z siarką; i rtęci z aqua fortis .
Istniało także kalcynacja filozoficzna , o której mówiono, że ma miejsce, gdy rogi, kopyta itp. wiszą nad wrzącą wodą lub innym napojem, aż utraciły swój śluz i łatwo rozdrobniły się na proszek.