Bevezetés
A szilícium-dioxidot, kalcium-karbonátot, kalcium-szulfát-dihidrátot és kalcium-hidroxidot tartalmazó cement-nyersanyagok termikus elemzése kulcsfontosságú megközelítés a hevítés során végbemenő, a klinkerképződés szempontjából meghatározó összetett fizikai és kémiai átalakulások vizsgálatához.
Az egyidejű TGA-DSC mérések kombinált képet adnak a tömegváltozásokról és a kapcsolódó termikus hatásokról, átfogó leírást nyújtva az anyag általános termikus viselkedéséről széles hőmérséklettartományban. FT-IR spektroszkópiával kiegészítve a technika tovább bővül azáltal, hogy a termikus eseményeket összekapcsolja a hevítés során felszabaduló gázok összetételével, ezáltal jelentősen megnövelve az elemzés értelmezési értékét. Különösen a PERSEUS®® koncepción alapuló közvetlen STA-FT-IR összekapcsolás nyújt egyértelmű előnyöket, mivel az FT-IR spektrométer közvetlenül az STA kemencére van szerelve, ami nagyon rövid, fűtött gázutat eredményez minimális holt térfogattal és kiváló szinkronizációt a termikus és spektroszkópiai jelek között, ami különösen előnyös az összetett ásványi rendszerek vizsgálatánál. A small A kapcsolt műszerösszeállítás lábnyoma a legtöbb laboratóriumi környezetbe illeszkedik.
Mérési feltételek
A mérési feltételeket az 1. táblázat részletezi.
Táblázat: Mérési feltételek
| Műszer | NETZSCH STA Jupiter® PERSEUS® |
|---|---|
| Hőmérséklet program | RT-től 1450°C-ig |
| Fűtési sebesség | 20 K/perc |
| Öblítőgáz | Szintetikus levegő, 70 ml/min |
| Tégely | Platina, 85 μl, fedéllel és Al2O3 alátéttel a tégely és az érzékelő között |
| A minta tömege | 24 mg |
Eredmények és vita
Az 1. ábrán látható TGA-DSC diagramon több termikus folyamat sorozata azonosítható, amelyek a cementre és a cementhez kapcsolódó nyersanyagokra jellemzőek, és a teljes hőmérséklettartományra kiterjednek, egészen körülbelül 1400 °C-ig.
A 100 és 200°C közötti hőmérséklet-tartományban a TGA-jelben körülbelül 7,5%-os tömegveszteség figyelhető meg, amelyet egy 149°C-os DTG-minimum és két egymást átfedő endoterm DSC-hatás kísér, 153°C-os és 168°C-os csúcsokkal. Ez a régió a fizikailag kötött víz felszabadulására, valamint a kalcium-szulfát-dihidrát félhidráttá és/vagy anhidritté történő dehidratálódására jellemző.
400°C és 600°C között további, körülbelül 3,5%-os tömegveszteség következik be, amelyhez egy 453°C körüli DTG-jel és egy 457°C-os csúcshőmérsékletű endoterm DSC-csúcs társul. Ez a viselkedés jellemző a kalcium-hidroxid dehidroxilációjára, amelynek során szerkezetileg kötött víz szabadul fel.
A DSC-jelben körülbelül 575°C-nál megfigyelhető hatás a kvarc (SiO₂) reverzibilis α-β fázisátalakulására jellemző.
700°C és 850°C között további 5,9%-os tömegveszteséget észlelünk, amely korrelál egy 779°C-os egyértelmű DTG-minimummal és egy 784°C-os csúcshőmérsékletű endoterm DSC-jelrel. Ez a lépés a kalcium-karbonát termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlására, azaz a CO₂ felszabadulásával járó dekarbonizációra jellemző.
Az 1216°C-nál jelentkező DSC-hatás fázisátalakulásra utal, amely a szilikátfázisok kialakulását jelzi.
Kb. 1250°C felett kb. 17%-os tömegvesztés figyelhető meg, amelyet több intenzív DSC jel kísér, 1318°C és 1386°C körüli maximumokkal, valamint 1321°C és 1386°C körüli kifejezett DTG csúcsokkal. Más folyamatok mellett a CaSO₄ CaO-ra történő bomlása és az ehhez kapcsolódó kén-oxidok felszabadulása is ebben a hőmérséklettartományban történik. Ezen kívül ezek a hatások jelzik az átmenetet a tiszta Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakciókról a magas hőmérsékleten indukált fázisátalakulásokra és az olvadási folyamatok kezdetére, amelyek a cementtel és klinkerrel kapcsolatos rendszerekre jellemzőek.
A teljes IR-adatokat a 2. ábra mutatja be hőmérséklet- és hullámszámfüggő 3D ábrán. A TGA-görbe hátul piros színnel van ábrázolva, és a tömegveszteségnek az IR-intenzitás növekedésével való korrelációját mutatja. Az IR-adatok részletes kiértékeléséhez egyedi IR-spektrumokat készítettünk különböző hőmérsékleteken, és összehasonlítottuk az EPA-NIST könyvtárral.
Ez kimutatta, hogy az első két tömegvesztési lépés során víz szabadul fel, ami jól korrelál a kalcium-szulfát dehidratációjával és a kalcium-hidroxid dehidroxilációjával. A szén-dioxid felszabadulását 550°C és 800°C között a karbonátok bomlása miatt tapasztaltuk. Az utolsó tömegvesztési lépésben SO2 szabadult fel a szulfát Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásából. A gázkibocsátás nyomai könnyen korrelálhatók a TGA-görbével, lásd a 3. ábrát.
Összefoglaló
A cement és a cementhez kapcsolódó nyersanyagok STA-FT-IR elemzése lehetővé teszi a hevítés során lejátszódó fizikai és kémiai folyamatok átfogó jellemzését. A TGA és a DSC kombinálásával a tömegváltozások és a kapcsolódó hőhatások egyidejűleg kerülnek rögzítésre, míg az FT-IR csatolás lehetővé teszi az e folyamatok során felszabaduló gázok egyértelmű azonosítását. Ez lehetővé teszi az egyes reakciólépések, például a dehidratálás, dehidroxilálás, dekarbonizáció és szulfátbontás egyértelmű hozzárendelését. A módszer egyik legfontosabb előnye a tömegveszteség, a termikus hatások és a gázösszetétel közötti közvetlen korreláció, ami jelentősen csökkenti az egymást átfedő reakciók értelmezésének kétértelműségét.
STA-FT-IR ezért hatékony eszközt jelent a cement alapanyagok és a klinkerképződési folyamatok elemzéséhez és optimalizálásához.