Introducere
Analiza termică a materiilor prime de ciment care conțin dioxid de siliciu, carbonat de calciu, sulfat de calciu dihidrat și hidroxid de calciu este o abordare cheie pentru investigarea transformărilor fizice și chimice complexe care au loc în timpul încălzirii și care sunt decisive pentru formarea clincherului.
Măsurătorile simultane TGA-DSC oferă o imagine combinată a modificărilor de masă și a efectelor termice asociate, oferind o descriere completă a comportamentului termic general al materialului într-un interval larg de temperatură. Atunci când este completată de spectroscopia FT-IR, tehnica este extinsă și mai mult prin corelarea evenimentelor termice cu compoziția gazelor eliberate în timpul încălzirii, crescând astfel semnificativ valoarea interpretativă a analizei. În special, cuplarea directă STA-FT-IR bazată pe conceptul PERSEUS®® oferă avantaje clare, deoarece spectrometrul FT-IR este montat direct pe cuptorul STA, rezultând o cale foarte scurtă a gazelor încălzite, cu un volum mort minim și o sincronizare excelentă între semnalele termice și spectroscopice, ceea ce este deosebit de benefic pentru investigarea sistemelor minerale complexe. Amprenta small a setului de instrumente cuplate se potrivește în majoritatea spațiilor de laborator.
Condiții de măsurare
Condițiile de măsurare sunt detaliate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Instrument | NETZSCH STA Jupiter®PERSEUS® |
|---|---|
| Program de temperatură | RT până la 1450°C |
| Rata de încălzire | 20 K/min |
| Gaz de purjare | Aer sintetic, 70 ml/min |
| Creuzet | Platină, 85 μl, cu capac și șaibă de Al2O3 între creuzet și senzor |
| Masa probei | 24 mg |
Rezultate și discuții
În diagrama TGA-DSC prezentată în figura 1, se poate identifica o secvență de mai multe procese termice care sunt tipice pentru ciment și materiile prime legate de ciment și se extind pe întregul interval de temperatură până la aproximativ 1400°C.
În intervalul de temperatură cuprins între 100 și 200°C, se observă o pierdere de masă de aproximativ 7,5% în semnalul TGA, însoțită de un minim DTG la 149°C și de două efecte DSC EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice suprapuse cu vârfuri la 153°C și 168°C. Această regiune este caracteristică pentru eliberarea apei legate fizic, precum și pentru deshidratarea sulfatului de calciu dihidrat în hemihidrat și/sau anhidrit.
Între 400°C și 600°C, are loc o pierdere suplimentară de masă de aproximativ 3,5%, asociată cu un semnal DTG la aproximativ 453°C și un vârf DSC EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic cu o temperatură de vârf de 457°C. Acest comportament este tipic pentru dehidroxilarea hidroxidului de calciu, în timpul căreia apa legată structural este eliberată.
Efectul observat în semnalul DSC la aproximativ 575°C este caracteristic pentru transformarea reversibilă de fază α-β a cuarțului (SiO₂).
Între 700°C și 850°C, se detectează o pierdere suplimentară de masă de 5,9 %, în corelație cu un minim DTG clar la 779°C și un semnal DSC EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic cu o temperatură de vârf de 784°C. Această etapă este caracteristică pentru descompunerea termică a carbonatului de calciu, și anume, decarbonarea însoțită de eliberarea de CO₂.
Efectul DSC la 1216°C este un indiciu privind o tranziție de fază, marcând formarea fazelor de silicat.
Peste aproximativ 1250°C, se observă o pierdere de masă de aproximativ 17%, însoțită de mai multe semnale DSC intense cu maxime la aproximativ 1318°C și 1386°C, precum și vârfuri DTG pronunțate la 1321°C și 1386°C. Printre alte procese, descompunerea CaSO₄ în CaO și eliberarea asociată de oxizi de sulf au loc în acest interval de temperatură. În plus, aceste efecte marchează, de asemenea, tranziția de la reacțiile de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere pură la transformările de fază induse la temperaturi ridicate și debutul proceselor de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, care sunt tipice pentru sistemele legate de ciment și clincher.
Datele IR complete sunt prezentate în figura 2 în grafic 3D în funcție de temperatură și număr de undă. Curba TGA este reprezentată cu roșu în partea din spate și arată corelația dintre pierderea de masă și creșterea intensității IR. Pentru evaluarea detaliată a datelor IR, au fost prelevate spectre IR individuale la diferite temperaturi și comparate cu biblioteca EPA-NIST.
Acest lucru a evidențiat eliberarea de apă în timpul primelor două etape de pierdere de masă, care se corelează bine cu deshidratarea sulfatului de calciu și dehidroxilarea hidroxidului de calciu. Eliberarea de dioxid de carbon s-a constatat între 550°C și 800°C datorită descompunerii carbonaților. Ultima etapă de pierdere de masă a eliberat SO2 din descompunerea sulfaților. Urmele de eliberare a gazelor pot fi ușor corelate cu curba TGA, a se vedea figura 3.
Rezumat
Analiza STA-FT-IR a cimentului și a materiilor prime legate de ciment permite o caracterizare cuprinzătoare a proceselor fizice și chimice care au loc în timpul încălzirii. Prin combinarea TGA și DSC, schimbările de masă și efectele termice asociate sunt înregistrate simultan, în timp ce cuplarea FT-IR permite identificarea fără ambiguitate a gazelor eliberate în timpul acestor procese. Acest lucru face posibilă atribuirea clară a etapelor individuale de reacție, cum ar fi deshidratarea, dehidroxilarea, decarbonarea și descompunerea sulfatului. Un avantaj cheie al metodei este corelația directă între pierderea de masă, efectele termice și compoziția gazelor, ceea ce reduce semnificativ ambiguitatea în interpretarea reacțiilor care se suprapun.
STA-FT-IR prin urmare, reprezintă un instrument puternic pentru analiza și optimizarea materiilor prime de ciment și a proceselor de formare a clincherului.