Introducción
El análisis térmico de materias primas de cemento que contienen dióxido de silicio, carbonato cálcico, sulfato cálcico dihidratado e hidróxido cálcico es un enfoque clave para investigar las complejas transformaciones físicas y químicas que tienen lugar durante el calentamiento y que son decisivas para la formación del clínker.
Las mediciones simultáneas TGA-DSC proporcionan una visión combinada de los cambios de masa y los efectos térmicos asociados, ofreciendo una descripción completa del comportamiento térmico global del material en un amplio rango de temperaturas. Cuando se complementa con espectroscopia FT-IR, la técnica se amplía aún más al vincular los eventos térmicos con la composición de los gases liberados durante el calentamiento, aumentando así significativamente el valor interpretativo del análisis. En particular, el acoplamiento directo STA-FT-IR basado en el concepto PERSEUS®® proporciona claras ventajas, ya que el espectrómetro FT-IR se monta directamente en el horno STA, lo que da lugar a un recorrido de gas calentado muy corto con un volumen muerto mínimo y una excelente sincronización entre las señales térmicas y espectroscópicas, lo que resulta especialmente beneficioso para la investigación de sistemas minerales complejos. El espacio que ocupa el instrumento acoplado en small se adapta a la mayoría de los entornos de laboratorio.
Condiciones de medición
Las condiciones de medición se detallan en el cuadro 1.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | NETZSCH STA Jupiter®PERSEUS® |
|---|---|
| Programa de temperatura | RT a 1450°C |
| Velocidad de calentamiento | 20 K/min |
| Gas de purga | Aire sintético, 70 ml/min |
| Crisol | Platino, 85 μl, con tapa y arandela de Al2O3 entre el crisol y el sensor |
| Masa de la muestra | 24 mg |
Resultados y debate
En el diagrama TGA-DSC que se muestra en la figura 1, se puede identificar una secuencia de varios procesos térmicos que son típicos para el cemento y las materias primas relacionadas con el cemento y se extienden por todo el rango de temperaturas hasta aproximadamente 1400°C.
En el intervalo de temperaturas entre 100 y 200°C, se observa una pérdida de masa de aproximadamente el 7,5% en la señal TGA, acompañada de un mínimo DTG a 149°C y dos efectos DSC endotérmicos solapados con picos a 153°C y 168°C. Esta región es característica de la liberación de agua ligada físicamente, así como de la deshidratación del sulfato cálcico dihidratado a hemihidrato y/o anhidrita.
Entre 400°C y 600°C, se produce una pérdida de masa adicional de aproximadamente el 3,5%, asociada a una señal DTG en torno a 453°C y un pico DSC EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico con una temperatura pico de 457°C. Este comportamiento es típico de la deshidroxilación del hidróxido de calcio, durante la cual se libera agua ligada estructuralmente.
El efecto observado en la señal DSC a aproximadamente 575°C es característico de la transformación reversible de fase α-β del cuarzo (SiO₂).
Entre 700°C y 850°C, se detecta una pérdida de masa adicional del 5,9 %, correlacionada con un claro mínimo DTG a 779°C y una señal DSC endotérmica con una temperatura pico de 784°C. Este paso es característico de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica del carbonato cálcico, es decir, la descarbonatación acompañada de la liberación de CO₂.
El efecto DSC a 1216°C es un indicio de una Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase, que marca la formación de fases de silicato.
Por encima de aproximadamente 1250°C, se observa una pérdida de masa de alrededor del 17%, acompañada de varias señales DSC intensas con máximos en torno a 1318°C y 1386°C, así como picos DTG pronunciados a 1321°C y 1386°C. Entre otros procesos, la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de CaSO₄ en CaO y la liberación asociada de óxidos de azufre se producen en este rango de temperaturas. Además, estos efectos también marcan la transición de las Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. reacciones de descomposición puras a las transformaciones de fase inducidas por altas temperaturas y el inicio de los procesos de fusión, que son típicos del sistema relacionado con el cemento y el clínker.
Los datos IR completos se muestran en la figura 2 en un gráfico 3D dependiente de la temperatura y del número de onda. La curva TGA se representa en rojo en la parte posterior y muestra la correlación de la pérdida de masa con el aumento de la intensidad IR. Para una evaluación detallada de los datos IR, se tomaron espectros IR individuales a diferentes temperaturas y se compararon con la biblioteca EPA-NIST.
Esto reveló la liberación de agua durante los dos primeros pasos de pérdida de masa, lo que se correlaciona bien con la deshidratación del sulfato de calcio y la deshidroxilación del hidróxido de calcio. La liberación de dióxido de carbono se produjo entre 550°C y 800°C debido a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de los carbonatos. El último paso de pérdida de masa liberó SO2 procedente de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición del sulfato. Las trazas de liberación de gas pueden correlacionarse fácilmente con la curva TGA, véase la figura 3.
Resumen
El análisis STA-FT-IR del cemento y de las materias primas relacionadas con el cemento permite una caracterización exhaustiva de los procesos físicos y químicos que tienen lugar durante el calentamiento. Mediante la combinación de TGA y DSC, los cambios de masa y los efectos térmicos asociados se registran simultáneamente, mientras que el acoplamiento FT-IR permite la identificación inequívoca de los gases liberados durante estos procesos. Esto permite asignar claramente pasos de reacción individuales como la deshidratación, la deshidroxilación, la descarbonatación y la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de sulfatos. Una ventaja clave del método es la correlación directa entre la pérdida de masa, los efectos térmicos y la composición de los gases, lo que reduce significativamente la ambigüedad en la interpretación de reacciones que se solapan.
STA-FT-IR por lo tanto, representa una potente herramienta para el análisis y la optimización de las materias primas del cemento y los procesos de formación del clínker.