傳統(tǒng)實驗方法往往存在難以捕捉介穩(wěn)中間體的問題,而介穩(wěn)中間體的研究是解開多晶型物質(zhì)晶體形成和晶型轉(zhuǎn)變機理的關(guān)鍵,且揭示這些機理對于新材料的開發(fā)和制備都具有重要的意義。本文借助微流體技術(shù),從晶體生長的環(huán)境相角度,通過搭建微流體結(jié)晶實驗平臺,探究無定型碳酸鈣(ACC)在此環(huán)境相中的形成規(guī)律和轉(zhuǎn)變機制,采用實驗輔以COMSOL模擬計算的方法建立起擴散離子在微通道中的分布模型,并通過在線監(jiān)測結(jié)合離線表征分析,解析微流體環(huán)境相的特性及其對ACC的影響機制。首先,搭建了微流體結(jié)晶實驗平臺,設(shè)計了兩種類型芯片-可逆芯片和不可逆芯片,芯片微通道結(jié)構(gòu)為“Y字型”,尺寸統(tǒng)一為寬200μm,深100μm。通過模擬軟件COMSOL中微流體模塊,建立了擴散離子在微通道中不同流速時濃度分布模型。計算結(jié)果表明,低流速下(0.1μl/min)流體流動方向上,擴散系數(shù)較小的CO_3~(2-)在微通道兩側(cè)存在較高的濃度梯度,而Ca~(2+)基本擴散均勻,微通道兩端濃度梯度很小,由此導(dǎo)致微通道內(nèi)CO_3~(2-)一側(cè)溶液過飽和度明顯較Ca~(2+)一側(cè)大,然而隨著流速增大這種過飽和度的差異逐漸變小。不同流速下的碳酸鈣微流體結(jié)晶實驗也表明低流速下(0.1μl/min)晶體會偏向CO_3~(2-)一側(cè)結(jié)晶析出,而當流速增大時(5μl/min、10μl/min)碳酸鈣晶體主要在兩相流體接觸界面處結(jié)晶析出。對微通道內(nèi)ACC結(jié)晶過程不同位置處的產(chǎn)物進行離線SEM、拉曼光譜表征,結(jié)果表明結(jié)晶產(chǎn)物為霰石、球霰石和方解石三種晶型的混晶。在靠近Y字芯片通道交匯處,結(jié)晶產(chǎn)物為以球霰石晶型為主的混晶,而在中部則為球霰石與方解石比例大約為1:1的混晶,但是在靠近流體出口的地方,則產(chǎn)物為以方解石為主晶型的混晶。這從時間和空間上展示了受擴散控制的結(jié)晶過程對中間體ACC結(jié)晶的影響,是一種以空間換時間的影響機制。微流體中環(huán)境相對ACC的影響規(guī)律研究表明,ACC不總是在碳酸鈣的反應(yīng)結(jié)晶過程中出現(xiàn)。實驗發(fā)現(xiàn)當反應(yīng)物CaCl_2和Na_2CO_3的濃度大于6 mmol/L時,碳酸鈣反應(yīng)結(jié)晶過程通過介穩(wěn)中間體ACC間接結(jié)晶析出碳酸鈣晶體,而當反應(yīng)物的濃度介于2.0 mmol/L與6.0 mmol/L之間時,結(jié)晶過程將不會出現(xiàn)介穩(wěn)中間體ACC,而是經(jīng)過一段時間的結(jié)晶誘導(dǎo)期之后析出碳酸鈣晶體。微流體中ACC的轉(zhuǎn)變機制研究表明,中間體ACC通過溶解-再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變機制,不僅維持著碳酸鈣晶體附近溶液的濃度,促進晶體的長大,ACC最終也轉(zhuǎn)變?yōu)榱司w,同時從碳酸鈣晶體長大的速率可以判斷ACC的溶解速率。這些內(nèi)容的研究不僅為多晶型物質(zhì)介穩(wěn)中間體的研究提供了新方法,而且也為多晶型物質(zhì)的一步成核和多步成核機制提供實驗支撐。
【學(xué)位單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ132.32;O78
【部分圖文】：

(a)微流控芯片實驗室；(b)各式各樣的微流控芯片

圖 1-2 微流控芯片的發(fā)展歷程 結(jié)晶過程介穩(wěn)中間體的研究現(xiàn)狀.1 介穩(wěn)中間體的捕捉介穩(wěn)中間體由于其介穩(wěn)特性，自然狀態(tài)下通常來說其存在時間比較短暫對無機鹽體系，熱力學(xué)和動力學(xué)上都較易進行轉(zhuǎn)變，所以這對介穩(wěn)中間帶來一定的困難。隨著在線檢測技術(shù)的發(fā)展和實驗方法的改進，對介穩(wěn)捕捉已不再是難題。(a) (b)

圖 1-2 微流控芯片的發(fā)展歷程1.3 結(jié)晶過程介穩(wěn)中間體的研究現(xiàn)狀1.3.1 介穩(wěn)中間體的捕捉介穩(wěn)中間體由于其介穩(wěn)特性，自然狀態(tài)下通常來說其存在時間比較短暫，尤其是對無機鹽體系，熱力學(xué)和動力學(xué)上都較易進行轉(zhuǎn)變，所以這對介穩(wěn)中間體的研究帶來一定的困難。隨著在線檢測技術(shù)的發(fā)展和實驗方法的改進，對介穩(wěn)中間體的捕捉已不再是難題。(a) (b)

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號：2814282