Кальцинирование — это термическая обработка твердого химического соединения (например, смешанных карбонатных руд ), при которой соединение нагревается до высокой температуры без плавления при ограниченном поступлении окружающего кислорода (т. е. газообразной фракции O 2 воздуха), как правило, с целью удаления примесей или летучих веществ. веществ и/или подвергаться термическому разложению . [1]
Корень слова «кальцинирование» относится к его наиболее известному использованию, которое заключается в удалении углерода из известняка (карбоната кальция) посредством сжигания с получением оксида кальция (негашеной извести) . Эта реакция прокаливания имеет вид CaCO 3 (тв) → CaO(тв) + CO 2 (г). Оксид кальция является важнейшим ингредиентом современного цемента , а также используется в качестве химического флюса при плавке . Промышленное кальцинирование обычно выделяет углекислый газ (CO 2 ), что делает его основным фактором изменения климата .
Кальцинатор представляет собой стальной цилиндр, который вращается внутри нагретой печи и выполняет непрямую высокотемпературную обработку (550–1150 °C или 1000–2100 °F) в контролируемой атмосфере . [2]
Процесс обжига получил свое название от латинского Calcinare «обжигать известь» [3] из-за его наиболее распространенного применения — разложения карбоната кальция ( известняка ) до оксида кальция ( извести ) и углекислого газа с целью создания цемента . Продукт обжига обычно называют «огаром», независимо от того, какие минералы подвергаются термической обработке. Обжиг осуществляется в печах или реакторах (иногда называемых печами или кальцинаторами) различных конструкций, включая шахтные печи, вращающиеся печи , многоподовые печи и реакторы с псевдоожиженным слоем .
Примеры процессов кальцинирования включают следующее:
Реакции прокаливания обычно протекают при температуре термического разложения (для реакций разложения и улетучивания) или температуре перехода (для фазовых переходов) или выше нее. Эту температуру обычно определяют как температуру, при которой стандартная свободная энергия Гиббса для конкретной реакции прокаливания равна нулю.
При обжиге известняка, процессе разложения, происходящем при температуре от 900 до 1050 °C, химическая реакция
Сегодня эта реакция в основном происходит в цементной печи .
Стандартная свободная энергия реакции Гиббса в [Дж/моль] аппроксимируется как Δ G ° r ≈ 177 100 Дж/моль - 158 Дж/(моль*К) * T . [4] Стандартная свободная энергия реакции в этом случае равна 0, когда температура T равна 1121 К или 848 °C.
В некоторых случаях прокаливание металла приводит к его окислению с образованием оксида металла . В своем эссе « Формальный ответ на вопрос, почему олово и свинец увеличиваются в весе при прокаливании » (1630 г.) Жан Рей отмечает, что «поместив два фунта шесть унций чистого английского олова в железный сосуд и сильно нагрев его на в открытой печи в течение шести часов при постоянном перемешивании и ничего не добавляя к ней, он получил два фунта тринадцать унций белой окалины». Он утверждал, что «это увеличение веса происходит из-за воздуха, который в сосуде стал более плотным, тяжелым и в некоторой степени липким из-за сильного и длительного нагрева печи: этот воздух смешивается с известью (часто способствующие взбалтыванию) и привязывается к мельчайшим его частицам: не иначе как вода утяжеляет песок, который вы бросаете в нее и перемешиваете, смачивая его и прилипая к мельчайшим его крупинкам», предположительно, металл прибавлял в весе по мере окисления . [5]
При комнатной температуре олово достаточно устойчиво к воздействию воздуха или воды, так как на поверхности металла образуется тонкая оксидная пленка. На воздухе олово начинает окисляться при температуре выше 150 °С: Sn + O 2 → SnO 2 . [6]
Антуан Лавуазье исследовал этот эксперимент некоторое время спустя и получил аналогичные результаты. [7]
В алхимии кальцинирование считалось одним из 12 жизненно важных процессов , необходимых для превращения вещества.
Алхимики различали два вида прокаливания: фактическое и потенциальное . Фактическое прокаливание — это прокаливание, вызванное настоящим огнем древесины, углей или другого топлива, доведенным до определенной температуры. Потенциальное кальцинирование – это возможное возгорание, например, от воздействия агрессивных химикатов; например, золото прокаливали в отражательной печи с ртутью и саламмонием ; серебро с поваренной и щелочной солью ; медь с солью и серой ; утюг с нашатырным спиртом и уксусом ; олово с сурьмой ; свинец с серой; и ртуть с азотной кислотой . [8]
Существовало также философское прокаливание , которое, как говорили, происходило, когда рога, копыта и т. д. подвешивали над кипящей водой или другим напитком до тех пор, пока они не теряли клейкость и не превращались в порошок. [8]
Согласно устаревшей теории флогистона , « окалиной » была истинная элементарная субстанция, оставшаяся после того, как флогистон был вытеснен из нее в процессе сгорания . [9]
Эта статья включает текст из публикации, которая сейчас находится в свободном доступе : Чемберс, Эфраим , изд. (1728). «Кальцинация». Циклопедия, или Универсальный словарь искусств и наук (1-е изд.). Джеймс и Джон Кнаптон и др.В начале 18 века Георг Шталь переименовал вещество во флогистон (от греческого «сожженный») и расширил теорию, включив в нее прокаливание (и коррозию) металлов. Так, считалось, что металлы состоят из окалины (порошкового остатка) и флогистона; при нагревании металла флогистон высвобождался, а окалина оставалась. Этот процесс можно было обратить вспять, нагрев металл над древесным углем (веществом, которое, как полагают, богато флогистоном, поскольку при горении оно почти полностью уничтожается). Калькс поглотит флогистон, выделяемый горящим углем, и снова станет металлическим.