Kinetic Study of the Chlorination of Galena

Abstract

A study of the kinetics of chlorination of the mineral galena (PbS) was conducted using thermogravimetry (TG), supplemented by X-ray diffraction, optical microscopy of polished sections, and scanning electron microscopy. TG experiments were conducted both isothermally and non-isothermally in an assembly specially designed to handle corrosive atmospheres.

The results of the non-isothermal experiments indicated that, due to the highly exothermic nature of the reaction between galena and chlorine, parameters such as particle size, sample geometry, and heat transfer had a substantial influence on the reaction. The isothermal investigations were conducted from 250 to 400°C with an adequate heat sink in contact with the sample and under conditions chosen so that the rate of reaction was independent of gas flow rate. The results were examined on the basis of different kinetic models and were found to be consistent with the “shrinking core” model in which the reaction rate is controlled by diffusion through the PbCl₂ product layer. This model is supported by the relationship between the rate of chlorination and the particle size of the galena and by photomicrographs showing an increase in thickness of an adherent product layer as the degree of chlorination increased. The rate of reaction, at sufficiently high Cl₂ partial pressure, was independent of Cl₂ partial pressure. The activation energy was found to be 113 kJ/mol. A mechanism for the diffusion process is proposed.

Résumé

Une étude cinétique de la chloration du minéral de galéne (PbS) a été effectuée au moyen de la thermogravimétrie (TG), avec diffraction à rayons X, microscopie optique des sections polies et microscopie électronique à balayage comme méthodes supplémentaires. Des expériences thermogravimétriques ont été effectuées isothermiquement et non-isothermiquement dans un appareil destiné spécialement à des atmosphères corrosives.

Les résultats des expériences non-isothermiques ont démontré que puisque la reaction entre la galène et le chlore est très exothermique, des facteurs tels que la granulométrie, la disposition de l'echantillon et le transfert de chaleur avaient grandement influencé la réaction. Les investigations isothermiques ont été effectuées à des temperatures variant entre 250 et 400°C avec un récepteur de chaleur contigu à l'echantillon et à des conditions choisies afin que la vitesse de la réaction soit indépendante du débit de gaz. On a examiné les résultats par différents modèles cinétiques et on a trouve qu'ils étaient compatibles avec le modéle de “noyau rétrécissant” selon lequel la vitesse de réaction est contrô1ée par diffusion à travers une couche de produit PbCl₂. Ce modèle est appuyé par la relation entre la vitesse de chloration et la granulométrie de la galène et par des photomicrographies indiquant une augmentation de l'épaisseur d'une couche adherente du produit au noyau avec l'augmentation du degré de la chloration. A une pression partielle de Cl₂ suffisament élevée, la vitesse de la réaction était indépendante de la pression partielle de Cl₂. On a démontre qué l'energie d'activation était 113 kJ /mol. On propose un mécanisme de diffusion.