我国作为钴资源稀缺和消费大国,每年需要进口大量钴产品满足日益增长的需求。如何改善我国钴资源不足局面,降低对国外钴产品进口依赖程度，对我国钻行业持续发展具有重要意义。碳酸钴作为氧化钴、钴粉、陶瓷添加剂、有机钴化合物等产品的重要前驱体，其纯度决定了下游产品的性能。采用碳酸钠和尿素沉淀制备的产品主要以碱式碳酸钴形式存在,产品杂质含量高,形貌与粒度难以控制,最终影响产品性能。而碳酸氢铵沉淀制备产物主要以碳酸钴形式存在,且粒度分布均匀,杂质含量低。
制备方法
采用液相沉淀法制备碳酸钴，主要包括沉淀、过滤、洗涤和烘干等步骤。往反应器内加入适量的碳酸氢铵溶液，开启搅拌、升温至预定温度,采用反加方式将氯化钴溶液按0.75L/h泵入碳酸氢铵溶液进行沉淀，至终点pH=7.0~7.3停止反应,陈化30min,升温至85℃、保温10min后,将物料进行过滤、洗涤和烘干即可得到碳酸钴固体。
最佳工艺条件为:碳酸氢铵单耗量3.173g/g、碳酸氢铵浓度250g/L、保温时间10min、陈化时间30min、反应温度33℃,在该条件下进行了3次平行验证试验，在优化工艺条件下,母液钴浓度平均为0.045g/L,钴金属直收率平均为99.92%。在优化工艺条件下沉淀制备的碳酸钴主要化学成分如下表所示,由表可知,制备的碳酸钴粉末中钴含量达到46.5%以上，且杂质含量低,符合工业碳酸钴(HG/T4520-2013)质量标准要求[1]。
表征与分析[1]
1、粒径分析
下图1为优化工艺条件下制备的碳酸钴粒度分布曲线。由图1可知，碳酸钴粉末D50=1.428~1.488um,微分分布都在7%左右,粒度分布曲线峰形均为单一峰,因此,采用反加方式在该优化工艺条件下制备的碳酸钴具有良好的粒度均匀性和集中性。主要原因是,在碳酸氢铵体系中,碳酸氢馁发生双水解,NH4+及其水解产生的NH3·H2O先与Co2+进行络合反应,同时钴氨络合物与HCO3-及其水解产生的CO32-反应生成碳酸钴,钴离子从络合物中缓慢释放,从而促进晶核形成和晶体生长达到平衡,生成物对反应体系影响不大，保证了碳酸钴颗粒分布均匀性。
2、SEM表征
图2为在优化工艺条件下制备的碳酸钴粉末的SEM形貌。由图2可知,小颗粒球形碳酸钴团聚明显，这主要是由于反应过程包括络合与沉淀反应,溶液处于过饱和状态,沉淀过程能较好地促进小颗粒生成与生长。但反应器无挡板,细小晶粒难以生长，使得小颗粒碳酸钴团聚成型。同时采用抽滤、烘干易使碳酸钴团聚。但碳酸钴经超声分散或闪蒸后测定粒度分布可知,该优化工艺下制备的碳酸钴在外力作用下可破碎成小颗粒碳酸钴，其粒径在1.2~1.5um左右。
3、物相分析
图3为碳酸钴粉末的XRD谱。由图3可知,除极少数杂峰外,碳酸钻的衍射峰峰形尖锐,特征峰明显,且峰强和衍射峰与碳酸钴标准卡片PDF#78-0209基本相符合，具有较好的R-3c空间结构。说明在优化工艺条件下制备的碳酸钴物相纯度高,结晶度好。
参考文献
[1] 吴理觉,郭欢,文定强,等. 液相法制备碳酸钴及其结构表征[J]. 有色金属（冶炼部分）,2020(1):73-78. DOI:10.3969/j.issn.1007-7545.2020.01.015.