Johdanto
Piidioksidia, kalsiumkarbonaattia, kalsiumsulfaattidihydraattia ja kalsiumhydroksidia sisältävien sementtiraaka-aineiden lämpöanalyysi on keskeinen lähestymistapa niiden monimutkaisten fysikaalisten ja kemiallisten muutosten tutkimiseen, joita tapahtuu kuumentamisen aikana ja jotka ovat ratkaisevia klinkkerin muodostumiselle.
Samanaikaiset TGA-DSC-mittaukset antavat yhdistetyn kuvan massanmuutoksista ja niihin liittyvistä lämpövaikutuksista, jolloin saadaan kattava kuvaus materiaalin yleisestä lämpökäyttäytymisestä laajalla lämpötila-alueella. Kun tekniikkaa täydennetään FT-IR-spektroskopialla, se laajenee entisestään yhdistämällä lämpötapahtumat kuumentamisen aikana vapautuvien kaasujen koostumukseen, jolloin analyysin tulkinta-arvo kasvaa merkittävästi. Erityisesti PERSEUS®® -konseptiin perustuva suora STA-FT-IR kytkentä tarjoaa selkeitä etuja, koska FT-IR-spektrometri on asennettu suoraan STA-uuniin, jolloin saadaan hyvin lyhyt lämmitetty kaasupolku, jossa on mahdollisimman vähän kuollutta tilaa ja erinomainen synkronointi lämpö- ja spektroskooppisignaalien välillä, mikä on erityisen hyödyllistä monimutkaisten mineraalisysteemien tutkimisessa. small Kytketyn laiteasennuksen jalanjälki sopii useimpiin laboratorioympäristöihin.
Mittausolosuhteet
Mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | NETZSCH STA Jupiter® PERSEUS® |
|---|---|
| Lämpötilaohjelma | RT - 1450 °C |
| Lämmitysnopeus | 20 K/min |
| Puhdistuskaasu | Synteettinen ilma, 70 ml/min |
| Upokas | Platina, 85 μl, jossa on kansi ja Al2O3-levy upokkaan ja anturin välissä |
| Näytteen massa | 24 mg |
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 1 esitetyssä TGA-DSC-kaaviossa voidaan tunnistaa useita lämpöprosesseja, jotka ovat tyypillisiä sementille ja sementtiin liittyville raaka-aineille ja jotka ulottuvat koko lämpötila-alueelle noin 1400 °C:een asti.
Lämpötila-alueella 100-200 °C:n välillä TGA-signaalissa havaitaan noin 7,5 prosentin massahäviö, johon liittyy DTG-minimi 149 °C:ssa ja kaksi päällekkäistä endotermistä DSC-ilmiötä, joiden piikit ovat 153 °C:ssa ja 168 °C:ssa. Tämä alue on ominaista fysikaalisesti sitoutuneen veden vapautumiselle sekä kalsiumsulfaattidihydraatin dehydraatiolle hemihydraatiksi ja/tai anhydriitiksi.
400 °C:n ja 600 °C:n välillä tapahtuu vielä noin 3,5 %:n massahäviö, johon liittyy DTG-signaali noin 453 °C:ssa ja EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen DSC-piikki, jonka huippulämpötila on 457 °C:ssa. Tämä käyttäytyminen on tyypillistä kalsiumhydroksidin dehydroksylaatiolle, jonka aikana vapautuu rakenteellisesti sitoutunutta vettä.
Noin 575 °C:n DSC-signaalissa havaittu vaikutus on tyypillinen kvartsin (SiO₂) palautuvalle α-β-faasimuunnokselle.
Välillä 700°C-850°C havaitaan 5,9 prosentin lisämassahäviö, joka korreloi selkeän DTG-minimin kanssa 779°C:ssa ja endotermisen DSC-signaalin kanssa, jonka huippulämpötila on 784°C. Tämän jälkeen DSC-signaalissa on havaittavissa 5,9 prosentin lisämassahäviö. Tämä vaihe on ominaista kalsiumkarbonaatin termiselle hajoamiselle, toisin sanoen hiilen poistumiselle, johon liittyy CO₂:n vapautuminen.
DSC-vaikutus 1216 °C:ssa on vihje faasimuutoksesta, joka merkitsee silikaattifaasien muodostumista.
Noin 1250 °C:n lämpötilan yläpuolella havaitaan noin 17 %:n massahäviö, johon liittyy useita voimakkaita DSC-signaaleja, joiden maksimit ovat noin 1318 °C:ssa ja 1386 °C:ssa, sekä selvät DTG-piikit 1321 °C:ssa ja 1386 °C:ssa. Muiden prosessien ohella CaSO₄:n HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen CaO:ksi ja siihen liittyvä rikkioksidien vapautuminen tapahtuvat tällä lämpötila-alueella. Lisäksi nämä vaikutukset merkitsevät myös siirtymistä puhtaista hajoamisreaktioista korkean lämpötilan aiheuttamiin faasimuunnoksiin ja sulamisprosessien alkamiseen, jotka ovat tyypillisiä sementtiin ja klinkkereihin liittyville järjestelmille.
Täydelliset IR-tiedot esitetään kuvassa 2 lämpötilasta ja aaltoluvusta riippuvaisena 3D-kuvaajana. TGA-käyrä on piirretty punaisella takana, ja siitä käy ilmi massahäviön korrelaatio IR-intensiteetin kasvun kanssa. IR-tietojen yksityiskohtaista arviointia varten otettiin yksittäisiä IR-spektrejä eri lämpötiloissa ja niitä verrattiin EPA-NIST-kirjastoon.
Tämä paljasti veden vapautumisen kahden ensimmäisen massahäviövaiheen aikana, mikä korreloi hyvin kalsiumsulfaatin dehydraation ja kalsiumhydroksidin dehydroksylaation kanssa. Hiilidioksidia vapautui 550 °C:n ja 800 °C:n välillä karbonaattien hajoamisen seurauksena. Viimeisessä massahäviövaiheessa vapautui SO2 sulfaatin hajoamisesta. Kaasun vapautumisen jäljet voidaan helposti korreloida TGA-käyrän kanssa, ks. kuva 3.
Yhteenveto
Sementin ja sementtiin liittyvien raaka-aineiden STA-FT-IR analyysi mahdollistaa kuumentamisen aikana tapahtuvien fysikaalisten ja kemiallisten prosessien kattavan kuvauksen. Yhdistämällä TGA- ja DSC-analyysit massanmuutokset ja niihin liittyvät lämpövaikutukset rekisteröidään samanaikaisesti, kun taas FT-IR-kytkennän avulla voidaan yksiselitteisesti tunnistaa näiden prosessien aikana vapautuvat kaasut. Näin voidaan selkeästi määrittää yksittäiset reaktiovaiheet, kuten dehydraatio, dehydroksylaatio, dekarbonointi ja sulfaatin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen. Menetelmän keskeinen etu on massahäviön, lämpövaikutusten ja kaasujen koostumuksen suora korrelaatio, joka vähentää merkittävästi päällekkäisten reaktioiden tulkinnan epäselvyyttä.
STA-FT-IR edustaa siten tehokasta työkalua sementin raaka-aineiden ja klinkkerin muodostusprosessien analysointiin ja optimointiin.