锰矿石非等温氢还原动力学分析：实验研究与化学反应 - 扩散耦合建模

《Scientific Reports》：Kinetic analysis of non-isothermal hydrogen reduction of manganese ores: experimental investigation and combined chemical reaction-diffusion modeling

　　

摘要

基于氢的锰矿还原为减少锰加工过程中的二氧化碳（CO₂）排放提供了一条有前景的途径；然而，非等温条件下的动力学行为尚缺乏充分了解。本研究利用热重分析，在 100% H₂气氛下，以 2.5 和 5 K min^??1 的升温速率，从室温 293 K（20 °C）升温至 973 K（700 °C），研究了两种工业锰矿（Gloria 和赞比亚锰矿）的非等温氢还原行为。煅烧显著改变了矿石的微观结构，使 Gloria 的孔隙率从 1.6% 增加到 32.66%，赞比亚锰矿的孔隙率从 19.12% 增加到 28.07%。根据升温速率的不同，Gloria 锰矿的还原起始温度在 611 至 689 K 之间，赞比亚锰矿在 625–653 K 之间，最终转化率约为 91%–97%。基于收缩核心模型框架，综合考虑界面化学反应和产物层扩散控制的混合非等温动力学模型，成功描述了该还原行为。该模型对 Gloria 锰矿表现出极好的吻合度（R²?=?0.997 和 0.994），对赞比亚锰矿则表现出合理的吻合度（R²?=?0.916 和 0.910）。Gloria 和赞比亚锰矿的表观活化能分别为 67.70 和 47.95 kJ mol^??1。这些结果揭示了氢气氛下锰矿的还原机理，并为氢基锰加工技术的发展提供了参考。