Giriş
Silikon dioksit, kalsiyum karbonat, kalsiyum sülfat dihidrat ve kalsiyum hidroksit içeren çimento hammaddelerinin termal analizi, ısıtma sırasında meydana gelen ve klinker oluşumu için belirleyici olan karmaşık fiziksel ve kimyasal dönüşümleri araştırmak için önemli bir yaklaşımdır.
Eş zamanlı TGA-DSC ölçümleri, kütle değişimlerinin ve ilgili termal etkilerin birleşik bir görünümünü sağlayarak malzemenin geniş bir sıcaklık aralığındaki genel termal davranışının kapsamlı bir tanımını sunar. FT-IR spektroskopisi ile tamamlandığında, termal olayları ısıtma sırasında açığa çıkan gazların bileşimine bağlayarak teknik daha da genişletilir ve böylece analizin yorumlayıcı değeri önemli ölçüde artar. Özellikle, PERSEUS®® konseptine dayanan doğrudan STA-FT-IR bağlantısı, FT-IR spektrometresi doğrudan STA fırınına monte edildiğinden, minimum ölü hacim ve termal ve spektroskopik sinyaller arasında mükemmel senkronizasyon ile çok kısa, ısıtılmış bir gaz yolu ile sonuçlandığından, özellikle karmaşık mineral sistemlerinin araştırılması için faydalı olan açık avantajlar sağlar. Birleştirilmiş cihaz kurulumunun small ayak izi çoğu laboratuvar ortamına uyar.
Ölçüm Koşulları
Ölçüm koşulları tablo1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Enstrüman | NETZSCH STA Jupiter®PERSEUS® |
|---|---|
| Sıcaklık programı | RT ila 1450°C |
| Isıtma oranı | 20 K/dak |
| Tahliye gazı | Sentetik hava, 70 ml/dak |
| Pota | Platin, 85 μl, kapaklı ve kroze ile sensör arasında Al2O3 rondelalı |
| Örnek kütle | 24 mg |
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 1'de gösterilen TGA-DSC diyagramında, çimento ve çimento ile ilgili hammaddeler için tipik olan ve yaklaşık 1400°C'ye kadar tüm sıcaklık aralığına yayılan birkaç termal işlem dizisi tanımlanabilir.
100-200°C arasındaki sıcaklık aralığında, TGA sinyalinde yaklaşık %7,5'lik bir kütle kaybı gözlenirken, buna 149°C'de bir DTG minimum değeri ve 153°C ve 168°C'de pikleri olan iki örtüşen EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.endotermik DSC etkisi eşlik eder. Bu bölge, fiziksel olarak bağlı suyun salınmasının yanı sıra kalsiyum sülfat dihidratın hemihidrat ve/veya anhidrite dehidrasyonu için karakteristiktir.
400°C ile 600°C arasında, yaklaşık 453°C'de bir DTG sinyali ve 457°C tepe sıcaklığına sahip EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.endotermik bir DSC tepe noktası ile ilişkili olarak yaklaşık %3,5'lik bir kütle kaybı daha meydana gelir. Bu davranış, yapısal olarak bağlı suyun salındığı kalsiyum hidroksitin dehidroksilasyonu için tipiktir.
DSC sinyalinde yaklaşık 575°C'de gözlemlenen etki, kuvarsın (SiO₂) tersinir α-β faz dönüşümü için karakteristiktir.
700°C ile 850°C arasında, 779°C'de net bir minimum DTG ve 784°C tepe sıcaklığına sahip EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.endotermik bir DSC sinyali ile korelasyon gösteren %5,9'luk ek bir kütle kaybı tespit edilmiştir. Bu adım, kalsiyum karbonatın termal ayrışması, yani CO₂ salınımının eşlik ettiği dekarbonasyon için karakteristiktir.
1216°C'deki DSC Etkisi, silikat fazlarının oluşumunu işaret eden bir faz geçişine dair bir ipucudur.
Yaklaşık 1250°C'nin üzerinde, yaklaşık 1318°C ve 1386°C'de maksimumları olan birkaç yoğun DSC sinyalinin yanı sıra 1321°C ve 1386°C'de belirgin DTG zirvelerinin eşlik ettiği yaklaşık %17'lik bir kütle kaybı gözlenir. Diğer süreçlerin yanı sıra, CaSO₄'nun CaO'ya ayrışması ve buna bağlı olarak sülfür oksitlerin salınması bu sıcaklık aralığında gerçekleşir. Ayrıca bu etkiler, saf Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma reaksiyonlarından yüksek sıcaklığa bağlı faz dönüşümlerine geçişi ve çimento ve klinker ile ilgili sistemler için tipik olan Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime süreçlerinin başlangıcını da işaret etmektedir.
IR verilerinin tamamı Şekil 2'de sıcaklık ve dalga sayısına bağlı 3D grafiğinde gösterilmiştir. TGA eğrisi arkada kırmızı renkte çizilmiştir ve IR yoğunluğundaki artışla kütle kaybının korelasyonunu göstermektedir. IR verilerinin ayrıntılı değerlendirilmesi için farklı sıcaklıklarda tek IR spektrumları alınmış ve EPA-NIST kütüphanesi ile karşılaştırılmıştır.
Bu, kalsiyum sülfatın dehidrasyonu ve kalsiyum hidroksitin dehidroksilasyonu ile iyi korelasyon gösteren ilk iki kütle kaybı adımı sırasında su salınımını ortaya çıkarmıştır. Karbonatların ayrışması nedeniyle 550°C ile 800°C arasında karbondioksit salınımı tespit edilmiştir. Son kütle kaybı adımı sülfat ayrışmasından SO2 açığa çıkarmıştır. Gaz salınımı izleri TGA eğrisi ile kolayca ilişkilendirilebilir, bkz. şekil 3.
Özet
Çimento ve çimento ile ilgili hammaddelerin STA-FT-IR analizi, ısıtma sırasında meydana gelen fiziksel ve kimyasal süreçlerin kapsamlı bir şekilde karakterize edilmesini sağlar. TGA ve DSC'nin birleştirilmesiyle, kütle değişimleri ve ilgili termal etkiler eş zamanlı olarak kaydedilirken, FT-IR bağlantısı bu işlemler sırasında açığa çıkan gazların kesin olarak tanımlanmasını sağlar. Bu da dehidrasyon, dehidroksilasyon, dekarbonasyon ve sülfat ayrışması gibi münferit reaksiyon adımlarının net bir şekilde belirlenmesini mümkün kılmaktadır. Yöntemin önemli bir avantajı kütle kaybı, termal etkiler ve gaz bileşimi arasındaki doğrudan korelasyondur; bu da örtüşen reaksiyonların yorumlanmasındaki belirsizliği önemli ölçüde azaltır.
STA-FT-IR bu nedenle çimento hammaddelerinin ve klinker oluşum süreçlerinin analizi ve optimizasyonu için güçlü bir araçtır.