Selvityksiä reaktiokalorimetrin soveltuvuudesta hydrometallurgiaan

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli reaktiokalorimetrin käyttöönotto sekä sen käyttökelpoisuuden selvittäminen hydrometallurgisten sovellusten ja erityisesti sinkkisulfidin liuotuksen tutkimiseen.

Työn kirjallisuusosassa on käsitelty yleisellä tasolla kalorimetrian ja reaktiokalorimetrian teoriaa, termodynamiikkaa sekä sinkkirikasteen liuotuksen kemiaa. Lisäksi työssä esitellään erilaisten kalorimetrien ja termoanalyyttisten mittauslaitteiden toimintaperiaatteita.

Työn kokeellisessa osassa selvitettiin reaktiokalorimetrin mittaustulosten tarkkuutta vesi- kokeiden avulla. Laitteistolla määritettiin myös reaktiolämmöt sinkkisulfidin liukenemisreaktiolle sekä elohopeasuolan saostusreaktiolle. Lisäksi tutkittiin sekoitusnopeuden, lämpötilan ja kiintoainepitoisuuden vaikutusta mittaustuloksiin.

Reaktiokalorimetrillä suoritettujen kokeiden perusteella havaittiin, että reaktiolämpöjen absoluuttisten arvojen määrittäminen laitteistolla on käytännössä vaikeaa. Koska reaktiokalorimetrillä pystytään määrittämään vain mittauksen aikana tapahtunut kokonaislämpömuutos, vaikuttavat mahdolliset faasimuutokset ja reaktorin lämpöhäviöt mittaustuloksiin. Näiden tekijöiden vaikutus on pyrittävä eliminoimaan tai niiden vaikutus on tunnettava tarkkaan, jos laitteella halutaan saada luotettavia reaktiolämpömittaustuloksia. Laitteiston mittaustarkkuus huononee huomattavasti, kun reaktorin lämpötila nousee yli 60 °C:een.

Laitteistolla mitatut reaktiolämmöt poikkeavat huomattavasti vastaavista kirjallisuuden arvoista. Vedelle määritetyt ominaislämpökapasiteetit poikkeavat kirjallisuuden arvoista enintään 5 alle 90 °C:een lämpötilassa.

The object of this master's thesis was to implement a reaction calorimeter and to investigate its applicability for hydrometallurgical applications, especially for direct dissolution of zinc sulphide using acidic ferric sulphate solution.

In the literature survey of this work, calorimetry, reaction calorimetry, thermodynamics and chemistry of direct dissolution of zinc sulfate are explained in general. Different kinds of thermoanalytic devices and calorimeters operating principles are also demonstrated.

In the experimental part the accuracy of measurement results from the reaction calorimeter were investigated by experiments with purified water. The heat of reaction of zinc dissolution reaction was determined. The effects of stirring rate, temperature and solid matter con- tent to measurement results were studied.

Based on the experiments, it was found that the determination of absolute values for reaction heat generation is difficult. Because the reaction calorimeter is only able to determine the total heat change during the measurement, possible phase chances and heat losses can cause a significant error in measured values of heat of reaction. These effects must be eliminated or determined accurately if the aim is to obtain reliable results. The measurement accuracy of reaction calorimeter decreases significantly when the measurement temperature rises to 60 °C. The determined heats of reactions did not agree with the literature values. The measured specific heat capacities of purified water differs maximum of 5 from the literature values below 90 °C temperature.