發(fā)布時(shí)間：2020-04-28 08:42

【摘要】：化學(xué)石膏是一種工業(yè)固體廢棄物,由于其種類多且不同類別化學(xué)石膏中的重金屬離子、酸類、有機(jī)物等雜質(zhì)的種類與含量不一,實(shí)際生產(chǎn)中缺乏高效的資源化利用方式,常以堆存的方式處理。大量堆存的化學(xué)石膏對(duì)周邊的土壤、水源、空氣等造成了嚴(yán)重的危害。高強(qiáng)石膏是一種新型綠色建筑材料,其在建材、醫(yī)療、軍工、美術(shù)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的處理方法,將化學(xué)石膏通過(guò)常壓鹽溶液法合成高強(qiáng)石膏是一種低成本、高附加值的資源化利用方式。目前,常壓鹽溶液法合成高強(qiáng)石膏的研究主要集中在反應(yīng)電解質(zhì)、晶型調(diào)控劑對(duì)α半水硫酸鈣晶體合成的影響上,原料對(duì)常壓鹽溶液反應(yīng)影響的相關(guān)研究非常匱乏。針對(duì)以上問(wèn)題,本文從常壓鹽溶液合成高強(qiáng)石膏的原料——高強(qiáng)石膏前驅(qū)體的研究出發(fā),通過(guò)不同的合成方法制備高強(qiáng)石膏前驅(qū)體,并以現(xiàn)代測(cè)試方法對(duì)前驅(qū)體的微觀性質(zhì)進(jìn)行量化研究。一方面尋找合成方式與前驅(qū)體性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性,制備不同物化特性的高強(qiáng)石膏前驅(qū)體;另一方面制備不同微觀性質(zhì)與宏觀性能的高強(qiáng)石膏,研究前驅(qū)體特性對(duì)高強(qiáng)石膏合成的影響。本文完成的研究工作和取得的相關(guān)成果如下:1.從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)的角度分析了高強(qiáng)石膏前驅(qū)體合成的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,說(shuō)明反應(yīng)溫度是影響前驅(qū)體制備化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素,反應(yīng)溫度、溶液環(huán)境是影響前驅(qū)體溶解度的重要因素。從晶體成核與生長(zhǎng)的角度分析了高強(qiáng)石膏前驅(qū)體晶體的形成過(guò)程,說(shuō)明影響晶體成核的主導(dǎo)因素為成核溫度、溶質(zhì)過(guò)飽和度、晶體平均表面能和頻率因子,影響晶體生長(zhǎng)速率與生長(zhǎng)機(jī)理的主導(dǎo)因素是溶質(zhì)過(guò)飽和度和生長(zhǎng)溫度。2.利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、馬爾文激光粒度儀、S230電導(dǎo)率儀等現(xiàn)代測(cè)試手段測(cè)試并分析了不同反應(yīng)條件下制備的高強(qiáng)石膏前驅(qū)體的微觀形貌、粒徑分布和溶解性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)前驅(qū)體制備反應(yīng)溫度在50~60℃時(shí),形成的二水硫酸鈣晶體之間容易產(chǎn)生聚結(jié)、粘附現(xiàn)象。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),晶體的粒徑呈逐漸增大的趨勢(shì),但由于晶體間粘附作用也隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng),在粒徑分布的測(cè)試結(jié)果中,反應(yīng)時(shí)間超過(guò)10h后晶體的粒徑才會(huì)出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象。晶體的溶解速率與晶體的粒徑分布密切相關(guān),隨著反應(yīng)物濃度從0.10mol·L~(-1)逐漸增加到1.10mol·L~(-1),晶體的粒徑先減小后增大,對(duì)應(yīng)的溶解速率先增大后減小。此外,酸性條件下晶體的溶解速率增大,且較高濃度下制備的前驅(qū)體在酸性溶液中溶解速率的變化更明顯。前驅(qū)體制備反應(yīng)中雜質(zhì)離子的摻入不僅會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)過(guò)程還會(huì)影響晶體生長(zhǎng)過(guò)程,從而對(duì)晶體的微觀形貌、粒徑分布和溶解速率也會(huì)產(chǎn)生影響。3.常壓鹽溶液的反應(yīng)結(jié)果顯示,前驅(qū)體的微觀形貌與產(chǎn)物α半水硫酸鈣晶體的形貌密切相關(guān),前驅(qū)體粒徑分布與產(chǎn)物α半水硫酸鈣晶體的粒徑分布呈正相關(guān),而前驅(qū)體的溶解速率則是決定常壓鹽溶液反應(yīng)能否正常發(fā)生的關(guān)鍵因素。
【圖文】：

配置 150g 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25%的氯化鈣溶液，稱取 0.022gNS 轉(zhuǎn)晶劑并溶于配好的氯化鈣溶液中，待轉(zhuǎn)晶劑完全溶解后將氯化鈣溶液加入到盛有二水硫酸鈣粉末的三口燒瓶中，利用 1mol·L-1左右的鹽酸溶液調(diào)節(jié)混合液的 pH 至 1.5 左右。攪拌并加熱反應(yīng)體系至 97℃，在該溫度下反應(yīng) 2.0~6.0h。將燒瓶中所得反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)熱水真空抽濾，濾餅用酒精分散后于 80℃下烘干 5h，備用。2.3 測(cè)試方法與測(cè)試設(shè)備2.3.1 電導(dǎo)率測(cè)試?yán)梅治鎏炱椒Q取 0.300g 自制二水硫酸鈣晶體，，精確至 0.0001g，并將其緩慢加入至盛有 150g 去離子水的錐形瓶中，在室溫條件下利用恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S）控制錐形瓶中攪拌子的攪拌速率為 150r/min，使二水硫酸鈣晶體逐漸溶解。將 S230 Seven Compact 電導(dǎo)率儀測(cè)試電極在支架上固定好后插入錐形瓶中，實(shí)時(shí)測(cè)試并記錄晶體溶解過(guò)程中溶液的電導(dǎo)率變化。

對(duì)固-液反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析的關(guān)鍵步驟，而化學(xué)反應(yīng)速學(xué)反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的核心。對(duì)于晶體合成的研究主兩個(gè)過(guò)程分析，這兩個(gè)過(guò)程中成核機(jī)理與生長(zhǎng)機(jī)理是理。硫酸鈣的晶體結(jié)構(gòu)酸鈣晶體屬于單斜晶系，晶體結(jié)構(gòu)中 SO42-組成的“S-O”，層與層之間由 Ca2+通過(guò)離子鍵連接，二水硫酸鈣中的間（如圖 3-1 所示）[40,52,53]。正因?yàn)檫@種晶體結(jié)構(gòu)的存在明顯的各向異性，且由于[010]晶向上的晶面之間依靠弱CaSO4·2H2O 在[010]晶向上擁有良好的解理特性。同樣由間的作用力較弱，其他晶向上晶面之間的作用力較強(qiáng)，在二水硫酸鈣晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，[010]晶向的生長(zhǎng)狀況也內(nèi)在因素。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ177.3

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