Mg-CO-CO2混合气体中冷凝金属镁的机理研究

Numerous attempts have been made to produce magnesium by carbothermal reduction method for years, Many public attentions have been brought up since its bright future application prospect. To solve the "bottleneck" of the chemical reaction between magnesium vapor and carbon monoxide CO in the mixed gas Mg-CO-CO2, this project proposes a new method to overcome this problem by using confirmed the mechanism of magnesium vapor condensation. The project will explore controlling magnesium vapor condensing, chemical reaction between magnesium vapor and CO Phase change of magnesium vapor under high temperature or low pressure. Moreover, this project will focus on the mechanism of reaction between magnesium and CO, condensation and crystallization of magnesium vapor, effect of magnesium partial pressure and system temperature on the magnesium vapor condensing. The aims are to obtain the certain condensing thermodynamics and dynamics conditions of lump condensates in order to gain finest crystals formed magnesium metal, and come with the theoretical basis for separating condensation of magnesium vapor from CO and CO2.

真空碳热还原法作为一种备受瞩目的炼镁新技术，多年来一直是研究的热点，具备良好的应用前景。针对Mg-CO-CO2混合气体中镁蒸气与CO发生化学反应这一"瓶颈"问题，研究金属镁蒸气的冷凝机理，实现金属镁蒸气在复杂气体组成体系下冷凝成块状金属镁的思路。围绕气相反应与金属镁蒸气的冷凝控制开展研究，研究镁蒸气在高温低压条件下的相变，重点研究金属镁蒸气与CO反应的机理、镁蒸气的冷凝与结晶、冷凝温度及气相组分对于金属镁蒸气冷凝过程的作用机制等科学问题，从而获得结晶形貌好的块状金属镁的冷凝热力学和动力学条件；形成镁蒸气的冷凝与CO、CO2分离的理论基础。

本项目针对Mg-CO-CO2混合气体中镁蒸气与CO发生化学反应这一“瓶颈”问题，研究了金属镁蒸气的冷凝机理，实现金属镁蒸气在复杂气体组成体系下冷凝成块状金属镁。在此基础上研究镁蒸气在高温低压条件下的相变，解释了镁蒸气的冷凝与结晶、冷凝温度及气相组分对于金属镁蒸气冷凝过程的作用机制等科学问题，从而获得结晶形貌好的块状金属镁的冷凝热力学和动力学条件。针对项目书所计划的研究要点和目标，获得的主要成果如下：. (1)首先从分子碰撞等角度描述了真空条件下可凝镁蒸气的形核与长大。分析了系统压力、冷凝区温度及温度梯度对镁蒸气冷凝的影响。采用多级冷凝设备，通过实验制备得到了块状镁和镁粉，控制冷凝盘温度在适宜的气液转变温度923-1062 K是提高蒸气冷凝冷凝率的关键所在；而控制温度梯度0.5 K/mm是抑制蒸气发生气固转变的主要途径。. (2) 探究了碳热还原过程不同CO浓度下，冷凝温度对镁蒸气冷凝的影响。通过分析及实验研究，表明金属镁蒸气在冷凝过程中与CO气体发生逆反应得到的产物不仅有MgO、C还有Mg2C3；真空条件下，影响碳热还原过程中镁蒸气冷凝的主要原因是镁蒸气的分压及CO的相对浓度，控制冷凝温度同样能达到降低逆反应率使镁蒸气有效成块的目的。. (3)在此基础上，研究了真空条件下CO2/CO分别对镁蒸气冷凝的影响， 真空下镁蒸气的冷凝是直接由气态变为固态的凝华过程；加热温度低于1273K时，CO2会使冷凝物表明结晶形貌不平整，但不会与镁蒸气发生化学反应；相同实验条件下CO会与镁发生化学反应得到的冷凝物含镁、氧、碳三种元素，阻碍镁蒸气的良好冷凝。. (4)通过对不同数量的CO分子在Mg(100)表面的吸附作用，结构优化和动力学模拟。三个CO分子被Mg(100)表面吸附时，CO分子中的C原子结合成-C-C-C-，并且脱掉O原子，O原子进入Mg中与Mg结合。实验研究发现，真空条件下，Mg蒸气与CO气体作用生成MgO和聚合态的碳。. (5)发表论文10篇，申请专利2项，博士后出站1人，培养博士1名，硕士2名，在读博士1名，硕士2名。