高强石膏前驱体的合成及其机理研究

发布时间：2020-04-28 08:42

【摘要】：化学石膏是一种工业固体废弃物,由于其种类多且不同类别化学石膏中的重金属离子、酸类、有机物等杂质的种类与含量不一,实际生产中缺乏高效的资源化利用方式,常以堆存的方式处理。大量堆存的化学石膏对周边的土壤、水源、空气等造成了严重的危害。高强石膏是一种新型绿色建筑材料,其在建材、医疗、军工、美术等领域有广泛应用。相对于传统的处理方法,将化学石膏通过常压盐溶液法合成高强石膏是一种低成本、高附加值的资源化利用方式。目前,常压盐溶液法合成高强石膏的研究主要集中在反应电解质、晶型调控剂对α半水硫酸钙晶体合成的影响上,原料对常压盐溶液反应影响的相关研究非常匮乏。针对以上问题,本文从常压盐溶液合成高强石膏的原料——高强石膏前驱体的研究出发,通过不同的合成方法制备高强石膏前驱体,并以现代测试方法对前驱体的微观性质进行量化研究。一方面寻找合成方式与前驱体性质的关联性,制备不同物化特性的高强石膏前驱体;另一方面制备不同微观性质与宏观性能的高强石膏,研究前驱体特性对高强石膏合成的影响。本文完成的研究工作和取得的相关成果如下:1.从化学反应动力学与热力学的角度分析了高强石膏前驱体合成的化学反应过程,说明反应温度是影响前驱体制备化学反应速率的主要因素,反应温度、溶液环境是影响前驱体溶解度的重要因素。从晶体成核与生长的角度分析了高强石膏前驱体晶体的形成过程,说明影响晶体成核的主导因素为成核温度、溶质过饱和度、晶体平均表面能和频率因子,影响晶体生长速率与生长机理的主导因素是溶质过饱和度和生长温度。2.利用场发射扫描电镜、马尔文激光粒度仪、S230电导率仪等现代测试手段测试并分析了不同反应条件下制备的高强石膏前驱体的微观形貌、粒径分布和溶解性质。实验证明,当前驱体制备反应温度在50~60℃时,形成的二水硫酸钙晶体之间容易产生聚结、粘附现象。随着反应时间的延长,晶体的粒径呈逐渐增大的趋势,但由于晶体间粘附作用也随着时间逐渐增强,在粒径分布的测试结果中,反应时间超过10h后晶体的粒径才会出现明显增大现象。晶体的溶解速率与晶体的粒径分布密切相关,随着反应物浓度从0.10mol·L~(-1)逐渐增加到1.10mol·L~(-1),晶体的粒径先减小后增大,对应的溶解速率先增大后减小。此外,酸性条件下晶体的溶解速率增大,且较高浓度下制备的前驱体在酸性溶液中溶解速率的变化更明显。前驱体制备反应中杂质离子的掺入不仅会影响化学反应过程还会影响晶体生长过程,从而对晶体的微观形貌、粒径分布和溶解速率也会产生影响。3.常压盐溶液的反应结果显示,前驱体的微观形貌与产物α半水硫酸钙晶体的形貌密切相关,前驱体粒径分布与产物α半水硫酸钙晶体的粒径分布呈正相关,而前驱体的溶解速率则是决定常压盐溶液反应能否正常发生的关键因素。
【图文】：

电导率仪,偏光显微镜

配置 150g 质量分数为 25%的氯化钙溶液，称取 0.022gNS 转晶剂并溶于配好的氯化钙溶液中，待转晶剂完全溶解后将氯化钙溶液加入到盛有二水硫酸钙粉末的三口烧瓶中，利用 1mol·L-1左右的盐酸溶液调节混合液的 pH 至 1.5 左右。搅拌并加热反应体系至 97℃，在该温度下反应 2.0~6.0h。将烧瓶中所得反应产物经热水真空抽滤，滤饼用酒精分散后于 80℃下烘干 5h，备用。2.3 测试方法与测试设备2.3.1 电导率测试利用分析天平称取 0.300g 自制二水硫酸钙晶体，，精确至 0.0001g，并将其缓慢加入至盛有 150g 去离子水的锥形瓶中，在室温条件下利用恒温加热磁力搅拌器（DF-101S）控制锥形瓶中搅拌子的搅拌速率为 150r/min，使二水硫酸钙晶体逐渐溶解。将 S230 Seven Compact 电导率仪测试电极在支架上固定好后插入锥形瓶中，实时测试并记录晶体溶解过程中溶液的电导率变化。

晶体结构,晶向

对固-液反应进行热力学分析的关键步骤，而化学反应速学反应进行动力学分析的核心。对于晶体合成的研究主两个过程分析，这两个过程中成核机理与生长机理是理。硫酸钙的晶体结构酸钙晶体属于单斜晶系，晶体结构中 SO42-组成的“S-O”，层与层之间由 Ca2+通过离子键连接，二水硫酸钙中的间（如图 3-1 所示）[40,52,53]。正因为这种晶体结构的存在明显的各向异性，且由于[010]晶向上的晶面之间依靠弱CaSO4·2H2O 在[010]晶向上拥有良好的解理特性。同样由间的作用力较弱，其他晶向上晶面之间的作用力较强，在二水硫酸钙晶体生长过程中，[010]晶向的生长状况也内在因素。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ177.3

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