鋁酸鈣粉礦物相紅外光譜及鋁溶出率分析*

黃志剛 ，章興華 ，陸 洋 ，胡 智 ，楊鴻波 ，舒海霞 ，朱守平

（1.貴州省冶金科學(xué)研究室，貴州貴陽 550002；2.貴州省黔新企業(yè)集團(tuán)有限公司；3.貴州省理化檢測研究中心；4.貴州省復(fù)合物改性聚合材料工程技術(shù)研究中心）

鋁酸鈣粉礦物相紅外光譜及鋁溶出率分析*

黃志剛1，章興華2，陸 洋3，胡 智4，楊鴻波3，舒海霞3，朱守平2

（1.貴州省冶金科學(xué)研究室，貴州貴陽 550002；2.貴州省黔新企業(yè)集團(tuán)有限公司；3.貴州省理化檢測研究中心；4.貴州省復(fù)合物改性聚合材料工程技術(shù)研究中心）

鋁酸鈣粉的結(jié)構(gòu)會受到原料變化的強(qiáng)烈影響。對加入活化劑與未加入活化劑生產(chǎn)的鋁酸鈣粉進(jìn)行了相關(guān)的結(jié)構(gòu)鑒定與溶出率測定。X射線衍射及熱重分析證實，加入活化劑的鋁酸鈣粉礦物相中含有鹵化物，其中礦物相CaAl3XO7可能部分水解形成類弗雷德鹽的雙羥合結(jié)構(gòu)體，這種鋁酸鈣粉存在2 116 cm-1及1 981 cm-1兩個紅外光譜特征峰。礦物相不同，鋁酸鈣粉的三氧化二鋁溶出率有較大差異。

鋁酸鈣粉；中紅外光譜；結(jié)構(gòu)鑒定；溶出率

以鋁酸鈣粉為原料的加工產(chǎn)物——含鈣聚合氯化鋁（PACCa）是中國凈水劑市場占主導(dǎo)地位的絮凝劑［1］。由于PACCa結(jié)構(gòu)會受到鋁酸鈣粉溶解產(chǎn)物的強(qiáng)烈影響，因此有必要對因原料差異、制備工藝不同而得到的鋁酸鈣粉進(jìn)行研究，探討它們在結(jié)構(gòu)上的差別。加入活化劑與未加入活化劑生產(chǎn)的鋁酸鈣粉在結(jié)構(gòu)上有差異［2］，為此，選擇了貴州及廣西生產(chǎn)的鋁酸鈣粉作研究對象，并以河南產(chǎn)紅粉作比較，分別測定它們的紅外光譜并進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定及溶出實驗，研究它們的結(jié)構(gòu)變化對鋁溶出率的影響，以期對全國絮凝劑生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)提供結(jié)構(gòu)比較參考。

1 實驗部分

1.1 樣品物性及化學(xué)成分

鋁酸鈣粉樣品分別取自貴州2個企業(yè)和廣西某企業(yè)，還選取了河南某企業(yè)生產(chǎn)的紅粉及優(yōu)級純氧化鈣作為對比，按HG 3746—2004《水處理劑用鋁酸鈣》檢測方法測定了4個樣品鋁的溶出率。鋁酸鈣粉、紅粉及優(yōu)級純氧化鈣物性和化學(xué)成分見表1。

表1 鋁酸鈣粉、紅粉及優(yōu)級純氧化鈣物性及化學(xué)成分

1.2 樣品檢測儀器

采用D/max 2000型全自動X射線衍射儀對干燥樣進(jìn)行X射線衍射（XRD）檢測。測試條件：Cu靶，電壓40 kV，電流20 mA，連續(xù)掃描，掃描速度6～8（°）/min，掃描范圍 2～90°。 樣品在 80 ℃干燥，然后研磨至粒徑小于75 μm，置于樣品座上用玻片壓平。

采用NICOLET MAGNA IR-750型傅里葉變換紅外光譜儀對干燥樣進(jìn)行紅外光譜（FT-IR）檢測。測試條件：中紅外光譜的掃描范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1。樣品在80℃干燥，然后于室溫下與KBr共同研磨壓片。

采用SETARAM TGA-92型熱分析儀對80℃干燥樣進(jìn)行熱分析，升溫速率為10℃/min，氮氣流。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為樣品XRD檢測結(jié)果。由圖1可以看出，廣西樣礦物主相是Ca3Al10O18，次相是Ca1.8Al12O4.8；貴州2號樣與廣西樣十分相似，但次相為CaAl3XO7；加入活化劑的貴州1號樣主要礦物相是CaAl3XO7，次相是 Ca12Al14O33和 Ca2Al（OH）6（Cl，OH ）·2H2O；紅粉主要呈現(xiàn)高嶺石結(jié)構(gòu)特征［3］。

2.2 熱重分析

圖2為各樣品熱重分析結(jié)果。由圖2可以看出，貴州1號樣、貴州2號樣、廣西樣、紅粉中總含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.70%、3.65%、1.67%和2.97%。貴州2號樣和廣西樣失重曲線非常相似，與2個樣X射線衍射花樣相近的情況相吻合。按照相關(guān)吸附水、晶格水或羥基水的脫水溫度劃分［4-6］，貴州1號樣吸附水為1.276%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），與其他樣品相當(dāng)，但該樣品在450～500℃的快速質(zhì)量損失表明這應(yīng)該是氯化物升華所致［7］。貴州1號、2號樣的晶格水或羥基水遠(yuǎn)高于廣西樣。紅粉的含水情況最為簡單，其吸附水與層間結(jié)晶水分別為1.473%和1.498%。

2.3 FT－IR 分析

圖3為各樣品FT－IR分析結(jié)果。由圖3可以看出，廣西樣與貴州2號樣FT－IR譜圖十分相似，但二者與貴州1號樣相差很大，與河南紅粉樣也有明顯區(qū)別。比較樣CaO在3 640 cm-1處的肩峰在3個鋁酸鈣粉樣品中均未出現(xiàn)。對各峰的指認(rèn)見表2。

表2 鋁酸鈣粉、紅粉及優(yōu)級純氧化鈣FT－IR解析

結(jié)合XRD檢測及熱重分析結(jié)果，對組合峰區(qū)及指紋峰區(qū)的紅外光譜特征峰進(jìn)行詳細(xì)分析與討論。圖4為各樣品紅外光譜指紋區(qū)細(xì)部特征。

在伸縮振動區(qū)，貴州1號樣在2 994 cm-1和2 912 cm-1振動雙峰峰強(qiáng)接近3 435 cm-1主峰，鄭懷禮指認(rèn)這是加入活化劑后三水鋁石中γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)?α-Al2O3的反映［2］；該樣在組合峰區(qū)的 2 116 cm-1及1 981 cm-1兩峰十分突出，極具特征。筆者指認(rèn)，前者是1 063 cm-1的倍頻，后者為964 cm-1的倍頻再加上層間水的L自由振動與δ彎曲振動 （L+δ）組合峰的貢獻(xiàn)［9］。

在指紋區(qū)，廣西樣與貴州2號樣均有代表CaCO3的800 cm-1吸收主峰，而貴州1號樣中該峰消失，說明活化劑的加入使得CaCO3的分解趨向完全［2］；貴州 1 號樣顯示了 1 063、964、684、570 cm-14 個極強(qiáng)吸收峰，這與XRD及熱重分析測定其含有鹵化物和羥基水相對應(yīng)。由XRD檢測可知，加入活化劑的貴州1號樣主要礦物相是CaAl3XO7，這表明其中氯離子參與了結(jié)構(gòu)。由于含水量較高，并具備Ca—Al—O—H2O—Cl體系的堿性環(huán)境，推測其中礦物相CaAl3XO7在這樣的條件下有可能部分水解，形成類弗雷德鹽雙羥合結(jié)構(gòu)體［Ca2Al（OH）6（Cl，OH）·2H2O］。 由于弗雷德鹽特殊的層狀結(jié)構(gòu)［15］，使得貴州1號樣比廣西樣與貴州2號樣含有更多的吸附水、晶格水或羥基水，造成受強(qiáng)氫鍵影響的1 063 cm-1處的Al—OH的δ彎曲振動和570 cm-1處H—OH層間水的L自由振動等極強(qiáng)吸收峰得以出現(xiàn)。河南紅粉樣的主要成分是高嶺土，它只呈現(xiàn)較弱的三水鋁石Al—OH的δ彎曲振動與高嶺石的Si—O振動。

3 結(jié)論

1）XRD及熱重分析證實，加入活化劑后鋁酸鈣粉結(jié)構(gòu)中含有鹵化物，其中礦物相CaAl3XO7在堿性環(huán)境下可能部分水解形成類弗雷德鹽的雙羥合結(jié)構(gòu)體，紅外光譜分析顯示活化劑的加入會促進(jìn)其中CaCO3的分解。2）含類弗雷德鹽雙羥合結(jié)構(gòu)體的鋁酸鈣粉具有2 116 cm-1及1 981 cm-12個紅外光譜特征峰。3）由于礦物相不同，使得鋁酸鈣粉的Al2O3溶出率也有差異。

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［2］鄭懷禮，劉君玉，李林濤，等.提高鋁酸鈣粉性能的有關(guān)機(jī)理研究［C］//2008年全國鋁鹽行業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)交流會論文集.天津：全國無機(jī)鹽信息總站，2008：28-31.

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Analysis on infra-red spectrum of mineral phase of calcium aluminate powder and Al2O3dissolution rate

Huang Zhigang1，Zhang Xinghua2，Lu Yang3，Hu Zhi4，Yang Hongbo3，Shu Haixia3，Zhu Shouping2

（1.Guizhou Metallurgical Science Research Office，Guiyang 550002，China；2.Guizhou Qian-Xin Enterprise Group Limited Company；3.Physics Test and Chemistry Analysis Research Center of Guizhou Province；4.Guizhou Engineering Research Center for Modified Polymer Material）

The structure of calcium aluminate powder will be strongly affected by the changes of raw materials.The structure and dissolution rate of calcium aluminates，which were produced with activator and without activator，were identified and measured.XRD and TGA analysis showed that after adding activator，the mineral phase of calcium aluminate powder contained halide，in which the mineral phase CaAl3XO7may be partially hydrolyzed to form Friedel′s salt double hydroxide phases.Furthermore，this calcium aluminate powder had two IR spectral feature peaks at 2 116 cm-1and 1 981 cm-1.Different mineral phases，dissolution rates of Al2O3in the calcium aluminate powder were quite different.

calcium aluminate powder；mid-FT-IR；structure identification；dissolution rate

TQ133.1

A

1006-4990（2012）09-0017-04

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目（黔科合J字［2008］2231號）；貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項資金項目（黔省專合字［2009］72號）；貴州省高層次人才科研條件特助經(jīng)費項目（TZJF-2009年18號）。

2012-03-17

黃志剛（1964— ），碩士，工程師，主要研究方向為金屬材料及熱處理。

聯(lián) 系 人：章興華

聯(lián)系方式：xiuwaz@163.com