소개
이산화규소, 탄산칼슘, 황산칼슘 이수화물, 수산화칼슘이 포함된 시멘트 원료의 열 분석은 가열 중에 일어나는 복잡한 물리적 및 화학적 변화를 조사하고 클링커 형성에 결정적인 역할을 하는 핵심 접근 방식입니다.
동시 TGA-DSC 측정은 질량 변화 및 관련 열 효과에 대한 통합적인 시각을 제공하여 광범위한 온도 범위에서 재료의 전반적인 열 거동에 대한 포괄적인 설명을 제공합니다. FT-IR 분광법으로 보완하면 열 이벤트를 가열 중에 방출되는 가스의 구성과 연결하여 분석의 해석적 가치를 크게 향상시킴으로써 이 기술을 더욱 확장할 수 있습니다. 특히 PERSEUS®® 개념에 기반한 직접 STA-FT-IR 커플링은 FT-IR 분광기가 STA 퍼니스에 직접 장착되어 매우 짧고 가열된 가스 경로를 최소화하고 열 및 분광 신호 간의 동기화가 우수하여 복잡한 광물 시스템 조사에 특히 유용하다는 분명한 이점을 제공합니다. 결합된 기기 설정의 설치 공간( small )은 대부분의 실험실 환경에 적합합니다.
측정 조건
측정 조건은 표1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 기기 | NETZSCH STA Jupiter®PERSEUS® |
|---|---|
| 온도 프로그램 | RT ~ 1450°C |
| 가열 속도 | 20 K/min |
| 퍼지 가스 | 합성 공기, 70ml/min |
| 도가니 | 백금, 85 μl, 도가니와 센서 사이에 뚜껑과 Al2O3 와셔 포함 |
| 시료 질량 | 24 mg |
결과 및 토론
그림 1에 표시된 TGA-DSC 다이어그램에서 시멘트 및 시멘트 관련 원료에 일반적이며 최대 약 1400°C의 전체 온도 범위에 걸쳐 확장되는 여러 열 공정의 순서를 확인할 수 있습니다.
100~200°C 사이의 온도 범위에서 TGA 신호에서 약 7.5%의 질량 손실이 관찰되며, 149°C에서 DTG 최소값과 153°C 및 168°C에서 피크가 나타나는 두 개의 겹치는 흡열 DSC 효과가 동반됩니다. 이 영역은 물리적으로 결합된 물의 방출과 황산칼슘 이수화물이 반수화물 및/또는 무수화물로 탈수되는 특징이 있습니다.
400°C에서 600°C 사이에서는 약 3.5%의 추가 질량 손실이 발생하며, 이는 약 453°C의 DTG 신호와 457°C의 흡열 DSC 피크와 관련이 있습니다. 이 동작은 수산화칼슘의 탈수산화 과정에서 구조적으로 결합된 물이 방출되는 전형적인 현상입니다.
약 575°C에서 DSC 신호에서 관찰되는 효과는 석영(SiO₂)의 가역적인 α-β 상 변환에서 특징적으로 나타납니다.
700°C와 850°C 사이에서 5.9%의 추가 질량 손실이 감지되며, 이는 779°C의 명확한 DTG 최소값 및 784°C의 피크 온도를 가진 흡열 DSC 신호와 상관관계가 있습니다. 이 단계는 탄산칼슘의 열분해, 즉 CO₂ 방출을 수반하는 탈탄소의 특징적인 현상입니다.
1216°C에서의 DSC 효과는 상 전이에 대한 힌트로, 규산염 상이 형성되는 것을 나타냅니다.
약 1250°C 이상에서는 약 17%의 질량 손실이 관찰되며, 약 1318°C와 1386°C에서 최대치를 보이는 몇 가지 강렬한 DSC 신호와 함께 1321°C와 1386°C에서 뚜렷한 DTG 피크가 나타납니다. 여러 과정 중에서도 이 온도 범위에서 CaSO₄가 CaO로 분해되고 이와 관련된 황산화물이 방출되는 과정이 발생합니다. 또한 이러한 효과는 시멘트 및 클링커 관련 시스템에서 일반적으로 나타나는 순수 분해 반응에서 고온 유도 상변환 및 용융 공정의 시작을 나타냅니다.
전체 IR 데이터는 그림 2에 온도 및 파수에 따른 3D 플롯으로 표시되어 있습니다. TGA 곡선은 뒷면에 빨간색으로 표시되어 있으며 질량 손실과 IR 강도의 증가 사이의 상관관계를 보여줍니다. IR 데이터에 대한 자세한 평가를 위해 다양한 온도에서 단일 IR 스펙트럼을 촬영하고 EPA-NIST 라이브러리와 비교했습니다.
이를 통해 처음 두 번의 질량 손실 단계에서 물이 방출되는 것이 밝혀졌으며, 이는 황산칼슘의 탈수 및 수산화칼슘의 탈수산화와 잘 연관되어 있습니다. 이산화탄소의 방출은 탄산염의 분해로 인해 550°C에서 800°C 사이에서 발견되었습니다. 마지막 질량 손실 단계에서는 황산염 분해로 이산화탄소가 방출되었습니다. 가스 방출의 흔적은 TGA 곡선과 쉽게 연관시킬 수 있습니다(그림 3 참조).
요약
시멘트 및 시멘트 관련 원료에 대한 STA-FT-IR 분석을 통해 가열 중에 발생하는 물리적 및 화학적 공정에 대한 포괄적인 특성 분석이 가능합니다. TGA와 DSC를 결합하여 질량 변화와 관련 열 효과를 동시에 기록하는 동시에 FT-IR 결합을 통해 이러한 공정 중에 방출되는 가스를 명확하게 식별할 수 있습니다. 이를 통해 탈수, 탈수산화, 탈탄산화 및 황산염 분해와 같은 개별 반응 단계를 명확하게 할당할 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점은 질량 손실, 열 효과 및 가스 조성 간의 직접적인 상관관계로, 중복 반응 해석의 모호성을 크게 줄여줍니다.
STA-FT-IR 따라서 시멘트 원료 및 클링커 형성 공정의 분석과 최적화를 위한 강력한 도구가 될 수 있습니다.