热处理过程中层状铝硅酸盐矿物中铝的结构变化及酸溶行为研究

论文摘要

层状铝硅酸盐矿物是一类非常重要的非金属矿物，由于其特殊的晶体结构特点，具有可塑性、耐火性、化学稳定性等多种工艺性能，它广泛应用于陶瓷、橡胶、涂料、耐火材料等领域。随着非金属矿物材料在功能材料应用领域的快速扩展，以层状铝硅酸盐矿物为原料采用热处理制备高性能的陶瓷、耐高温的特种耐火材料以及纳米多孔材料的研究在国内外已见报导。本文选择了三种具有代表性的层状铝硅酸盐矿物：高岭石、叶蜡石和伊利石作为研究对象，综合运用热分析、X-射线衍射、红外光谱、固体核磁共振等分析方法，研究了这三种矿物中的铝在热处理过程中结构变化及在酸中的溶解行为。为以层状铝硅酸盐矿物为原材料制备多孔材料、高性能陶瓷和耐火材料等提供了理论指导，论文的主要结论如下：1)层状铝硅酸盐矿物中铝的热行为研究高岭石：低于450℃时为高岭石阶段，结构为铝氧八面体，只存在AlⅥ；450～550℃范围内发生脱羟基反应，高岭石中结构水被脱除，物相为高岭石和偏高岭石，存在AlⅣ，AlⅤ，AlⅥ3种配位结构；550～991℃范围内为偏高岭石阶段，铝的3种配位结构依然存在；高于991℃时，逐渐生成γ-Al2O3和莫来石，AlⅤ消失，只存在AlⅣ和AlⅥ。叶蜡石：低于500℃时，主要物相为叶蜡石，只存在AlⅥ；500-932℃之间，叶蜡石脱水，铝的物相为脱水叶蜡石和叶蜡石，且存在三种配位结构的铝：AlⅣ、AlⅤ和AlⅥ；932-1141℃温度段，铝的物相主要为脱水叶蜡石和少量的初晶莫来石阶段；高于1141℃时，铝的物相为莫来石，只存在两种配位的铝：AlⅣ和AlⅥ。伊利石：低于543℃时，物相为伊利石，由于存在四面体中的Al3+替代Si4+的影响，原矿中存在AlⅥ和AlⅣ，543-1001℃期间，伊利石脱除羟基，物相为伊利石和脱水伊利石，存在AlⅤ、AlⅥ和AlⅣ，其中AlⅤ的数量很少；1001-1181℃时，铝的主要物相为脱水伊利石；高于1181℃时，铝的主要物相为莫来石，铝的配位为AlⅥ和AlⅣ。2)热活化后层状铝硅酸盐矿物中铝的酸溶行为研究经热处理高岭石比叶蜡石和伊利石中的铝在酸中的溶解性能均要好。高岭石：未经热活化的高岭石中AlⅥ在酸中的溶解能力差；经过热活化后生成偏高岭石（AlⅣ、AlⅤ和AlⅥ），其中AlⅤ在酸中的溶解最好，AlⅣ和AlⅥ在酸中能力较差；继续升高温度偏高岭石生成不溶于酸的γ-Al2O3和莫来石（AlⅣ和AlⅥ），AlⅣ和AlⅥ在酸中的溶解很差。酸溶试验结果表明高岭石在活化温度为900℃，活化时间为15min，溶出温度为120℃，HCl质量分数为20％，溶出时间为120min，L／S为10时，Al2O3的溶出率可以达到最大值为97％。酸溶后，高岭石的比表面积由22．42 m2／g上升到304．84m2／g。叶蜡石：未经过热活化的叶蜡石中铝在酸中的溶解能力差；经过热活化后，在750℃时，叶蜡石中铝在酸中的溶解能力相比整个热处理过程是最好的；脱水叶蜡石在酸中的溶解能力很差；到高温生成的莫来石中AlⅣ和AlⅥ不溶于酸。酸溶试验表明在活化温度为750℃，活化时间为15min，H28O4质量分数为20％，溶出温度为150℃，溶出时间为120min，L／S为5时，叶蜡石中Al2O3溶出率达到最大值为20．38％。伊利石：相比高岭石和叶蜡石来说，伊利石中的铝在酸中的溶解性能最差。在650℃时，伊利石中铝在酸中的溶解能力在整个热处理过程中是最好的，脱水伊利石只有少量的铝溶于酸；到高温度生成的莫来石中AlⅣ和AlⅥ不溶于酸。酸溶试验的结果表明在活化温度为650min，活化时间为15min，H2SO4质量分数为20％，溶出温度为150℃，溶出时间为120 min，液固比（L／S）为10时，伊利石中Al2O3溶出率达到最大值为16．13％。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 层状铝硅酸盐矿物结构特点
• 1.2 层状铝硅酸盐矿物的应用现状
• 1.2.1 非金属填料
• 1.2.2 陶瓷和耐火材料
• 1.2.3 多孔材料
• 1.3 多孔材料的合成方法
• 1.3.1 传统多孔材料的合成方法
• 1.3.2 层状铝硅酸盐矿物制备多孔材料的方法
• 1.4 层状铝硅酸盐矿物的热活化行为
• 1.4.1 高岭石的热活化行为
• 1.4.2 叶蜡石的热活化行为
• 1.4.3 伊利石的热活化行为
• 1.5 本研究的目的和意义
• 第二章 原料及研究方法
• 2.1 矿物原料和试剂
• 2.1.1 矿物原料
• 2.1.2 主要试剂
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 研究方案
• 2.2.2 试验方法与设备
• 2.2.3 分析检测方法
• 第三章 热处理过程中层状铝硅酸盐矿物中铝的行为
• 3.1 高岭石中铝的热行为
• 3.1.1 热分析
• 3.1.2 红外光谱分析
• 3.1.3 X-射线衍射分析
• 3.1.4 固体核磁共振分析
• 3.2 叶蜡石中铝的热行为
• 3.2.1 热分析
• 3.2.2 红外光谱分析
• 3.2.3 X-射线衍射分析
• 3.2.4 固体核磁共振分析
• 3.3 伊利石中铝的热行为
• 3.3.1 热分析
• 3.3.2 红外光谱分析
• 3.3.3 X-射线衍射分析
• 3.3.4 固体核磁共振分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 热活化后层状铝硅酸盐矿物中铝的酸溶行为
• 4.1 热活化高岭石中铝的酸溶行为
• 4.1.1 热活化条件的影响
• 4.1.2 溶出条件的影响
• 4.1.3 热活化高岭石中铝的酸溶特性
• 4.2 热活化叶蜡石中铝的酸溶行为
• 4.2.1 热活化条件的影响
• 4.2.2 溶出条件的影响
• 4.2.3 热活化叶蜡石中铝的酸溶特性
• 4.3 热活化伊利石中铝的酸溶行为
• 4.3.1 热活化条件的影响
• 4.3.2 溶出条件的影响
• 4.3.3 热活化伊利石中铝的酸溶特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 读硕士期间的主要研究成果