Pendahuluan
Analisis termal bahan baku semen yang mengandung silikon dioksida, kalsium karbonat, kalsium sulfat dihidrat, dan kalsium hidroksida merupakan pendekatan utama untuk menyelidiki transformasi fisik dan kimia yang kompleks yang terjadi selama pemanasan dan menentukan pembentukan klinker.
Pengukuran TGA-DSC secara simultan memberikan pandangan gabungan tentang perubahan massa dan efek termal terkait, menawarkan deskripsi komprehensif tentang perilaku termal material secara keseluruhan pada rentang suhu yang luas. Ketika dilengkapi dengan spektroskopi FT-IR, teknik ini diperluas lebih lanjut dengan menghubungkan peristiwa termal dengan komposisi gas yang dilepaskan selama pemanasan, sehingga secara signifikan meningkatkan nilai interpretatif analisis. Secara khusus, kopling STA-FT-IR langsung berdasarkan konsep PERSEUS®® memberikan keuntungan yang jelas, karena spektrometer FT-IR dipasang langsung pada tungku STA, menghasilkan jalur gas yang sangat pendek dan dipanaskan dengan volume mati minimal dan sinkronisasi yang sangat baik antara sinyal termal dan spektroskopi, yang sangat bermanfaat untuk investigasi sistem mineral yang kompleks. Jejak small dari pengaturan instrumen yang digabungkan cocok dengan sebagian besar lingkungan laboratorium.
Kondisi Pengukuran
Kondisi pengukuran dirinci dalam tabel1.
Tabel 1: Kondisi pengukuran
| Instrumen | NETZSCH STA Jupiter® PERSEUS® |
|---|---|
| Program suhu | RT hingga 1450 ° C |
| Laju pemanasan | 20 K / menit |
| Gas pembersih | Udara sintetis, 70 ml/menit |
| Wadah | Platinum, 85 μl, dengan tutup dan pencuci Al2O3 antara wadah dan sensor |
| Massa sampel | 24 mg |
Hasil dan Pembahasan
Dalam diagram TGA-DSC yang ditunjukkan pada gambar 1, urutan beberapa proses termal dapat diidentifikasi yang khas untuk semen dan bahan baku terkait semen dan meluas ke seluruh rentang suhu hingga sekitar 1400 ° C.
Pada kisaran suhu antara 100 dan 200°C, kehilangan massa sekitar 7,5% diamati pada sinyal TGA, disertai dengan DTG minimum pada suhu 149°C dan dua efek DSC EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik yang saling tumpang tindih dengan puncak pada suhu 153°C dan 168°C. Wilayah ini merupakan karakteristik untuk pelepasan air yang terikat secara fisik serta dehidrasi kalsium sulfat dihidrat menjadi hemihidrat dan/atau anhidrit.
Antara 400°C dan 600°C, kehilangan massa lebih lanjut sekitar 3,5% terjadi, terkait dengan sinyal DTG pada sekitar 453°C dan puncak DSC EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik dengan suhu puncak 457°C. Perilaku ini khas untuk dehidroksilasi kalsium hidroksida, di mana air yang terikat secara struktural dilepaskan.
Efek yang diamati dalam sinyal DSC pada sekitar 575°C adalah karakteristik untuk transformasi fase α-β kuarsa (SiO₂) yang dapat dibalik.
Antara 700°C dan 850°C, kehilangan massa tambahan sebesar 5,9% terdeteksi, berkorelasi dengan DTG minimum yang jelas pada suhu 779°C dan sinyal DSC EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik dengan suhu puncak 784°C. Langkah ini merupakan karakteristik untuk dekomposisi termal kalsium karbonat, yaitu dekarbonasi yang disertai dengan pelepasan CO₂.
Efek DSC pada suhu 1216°C merupakan petunjuk mengenai Transisi FaseIstilah transisi fase (atau perubahan fase) paling sering digunakan untuk menggambarkan transisi antara keadaan padat, cair dan gas.transisi fase, yang menandai pembentukan fase silikat.
Di atas sekitar 1250°C, kehilangan massa sekitar 17% diamati, disertai dengan beberapa sinyal DSC yang intens dengan maksimum sekitar 1318°C dan 1386°C, serta puncak DTG yang diucapkan pada 1321°C dan 1386°C. Di antara proses lainnya, Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian CaSO₄ menjadi CaO dan pelepasan sulfur oksida yang terkait terjadi pada kisaran suhu ini. Selain itu, efek ini juga menandai transisi dari reaksi dekomposisi murni ke transformasi fasa yang diinduksi suhu tinggi dan permulaan proses peleburan, yang merupakan ciri khas sistem terkait semen dan klinker.
Data IR lengkap ditunjukkan pada gambar 2 dalam plot 3D yang bergantung pada suhu dan gelombang. Kurva TGA diplot dengan warna merah di bagian belakang dan menunjukkan korelasi antara kehilangan massa dengan peningkatan intensitas IR. Untuk evaluasi terperinci dari data IR, spektrum IR tunggal diambil pada suhu yang berbeda dan dibandingkan dengan perpustakaan EPA-NIST.
Hal ini mengungkapkan pelepasan air selama dua langkah kehilangan massa pertama, yang berkorelasi baik dengan dehidrasi kalsium sulfat dan dehidroksilasi kalsium hidroksida. Pelepasan karbon dioksida ditemukan antara 550°C dan 800°C karena dekomposisi karbonat. Langkah kehilangan massa terakhir melepaskan SO2 dari dekomposisi sulfat. Jejak pelepasan gas dapat dengan mudah dikorelasikan dengan kurva TGA, lihat gambar 3.
Ringkasan
Analisis STA-FT-IR terhadap semen dan bahan baku terkait semen memungkinkan karakterisasi yang komprehensif terhadap proses fisika dan kimia yang terjadi selama pemanasan. Dengan menggabungkan TGA dan DSC, perubahan massa dan efek termal terkait dicatat secara bersamaan, sementara penggabungan FT-IR memungkinkan identifikasi gas yang dilepaskan selama proses ini secara jelas. Hal ini memungkinkan untuk menetapkan dengan jelas langkah-langkah reaksi individual seperti dehidrasi, dehidroksilasi, dekarbonasi, dan dekomposisi sulfat. Keuntungan utama dari metode ini adalah korelasi langsung antara kehilangan massa, efek termal, dan komposisi gas, yang secara signifikan mengurangi ambiguitas dalam interpretasi reaksi yang tumpang tindih.
STA-FT-IR oleh karena itu, metode ini merupakan alat yang ampuh untuk analisis dan optimalisasi bahan baku semen dan proses pembentukan klinker.