文献类型：学位论文

中文题名：电渗析法合成钙巩石晶体研究

作者：李妤茜[1];

机构：[1]华东理工大学;

导师：乔秀臣;华东理工大学|黄旭峰;华东理工大学

授予学位：硕士

语种：中文

中文关键词：钙矾石;电渗析;离子浓度;AlO2-浓度;形貌

摘要：钙矾石是高硫高钙型胶凝材料的主要水化产物之一,如硫铝酸盐水泥、循环流化床灰渣等。由于钙矾石的形成机理尚无定论,进而导致钙矾石晶体生长过程无法有效调控,从而在实际应用中出现膨胀开裂现象。本文以电渗析法合成钙矾石并研究其形成机理,在外加电场的作用下增加反应离子的迁移速率,使AlO2-、Ca2+和SO42-离子高效定向地迁移至结晶室;同时借助离子交换膜的选择透过性,阻挡杂质离子,得到高纯度的钙矾石晶体。本文主要研究成果如下:(1)热力学计算表明:电渗析体系中以Al(OH)4-、Ca2+、SO42-和OH-离子反应生成钙矾石的趋势最大,温度升高促进钙矾石晶体的生成。此外还可能发生Ca(OH)2、CaCO3和CaSO4等副反应。通过实验测试了三种离子的迁移速率,其中Ca2+离子的迁移速率最大,其次是SO42-离子。由于AlO2-离子水合半径较大,导致透过效率最低。设计了不同温度条件下电渗析体系中钙矾石晶体的合成实验,温度升高能够促进钙矾石晶体的生成、抑制碳酸钙的形成,确定了 45℃为最佳电渗析反应温度。(2)在低离子浓度条件下(SO42-0.3165 g/L;AlO2-0.0708 g/L;Ca2+ 0.1701 g/L),钙矾石晶体生长速率大于成核速率,(0001)晶面比(1010)面具有更大的生长速率,长径比增大;体系中相对过量SO42-离子吸附在含Ca2+离子的(1010)晶面上,抑制ab轴向上的生长,促进晶体沿c轴向伸长,平均长度为55.89 μm;在高离子浓度条件下(SO42-0.5564 g/L;AlO2-0.0890 g/L;Ca2+0.6346 g/L),钙矾石晶体成核速率大于生长速率。(1010)面的生长速率和(0001)晶面差距减小,晶胞参数(a0=1.1108nm、c0=2.1467 nm)比低浓度条件下(a0=1.1178 nm,c0=2.2588 nm)略微收缩。晶体均匀性较差,呈短棒状,平均长度为33.74 μm。(3)提升AlO2-离子浓度以接近水泥体系中的反应环境,在此基础上研究钙矾石晶体的形成机理。结果发现:大量AlO2-、Ca2+、SO42-和OH-离子,在电场力及搅拌作用条件下相互碰撞键合形成线晶,增至一定限度时靠拢形成晶面;在强Ca-O和Al-O键能下,(0001)晶面优先形成、快速生长、逐渐缩小至消失。{1010}晶面族生长速率缓慢,为钙矾石晶体的主要显露面。新的微晶依附已形成的晶体表面生长,呈现纵向纤丝,多个纤丝横向堆叠,依附/包围形成钙矾石晶体。(4)在电渗析及水泥体系的养护初期,由于低AlO2-、高Ca2+离子的迁移速率,使得体系倾向于先生成氢氧化钙。随着AlO2-离子浓度的增加,转化为热力学更稳定的钙矾石。若溶液受到CO2污染,会与体系中Ca2+离子反应生成碳酸钙,形成放射状集合体形貌。