稀土硝酸盐对高岭石分解动力学和偏高岭石碱溶特性的影响

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高岭土作为工业用途极广的硅酸盐矿物在我国拥有较为丰富的储量,关于高岭石热处理活化及其在地聚合物材料中的应用一直是研究的热点课题。稀土元素的特殊性质决定了其可以催化某些化学反应的进行,提高化学反应的速率。本文在充分调研国内外相关研究的基础上,通过高岭石热分解动力学和碱溶特性试验研究明确稀土硝酸盐对高岭石的活化作用。将制备好的稀土硝酸盐掺量为n(Al)/n(RE)=100的高岭石进行综合热分析测试(TGDTG-DTA),利用Coats-Redfern积分法、Achar微分法和Ozawa法对热分析实验的数据进行动力学计算,通过对比掺入五种不同种类稀土硝酸盐[Er(NO33、La(NO33、Nd(NO33、Pr(NO33、Y(NO33]的高岭石的动力学参数,研究稀土硝酸盐对高岭石热分解过程的影响。结果表明:高岭石脱羟基反应过程符合化学反应模型F3机理,其机理函数的积分和微分表达式分别为:g(α)=(1-α)-2-1和f(α)=1/2(1-α)3,掺入Pr(NO33的高岭石脱羟基反应机理函数与高岭石相同。掺入Er(NO33、La(NO33、Nd(NO33和Y(NO33的高岭石脱羟基过程机理函数发生改变,符合化学反应模型F2机理,其机理函数的积分和微分表达式分别为:g(α)=(1-α)-1-1和f(α)=(1-α)2。不同的稀土硝酸盐对于高岭石脱羟基过程动力学参数的影响程度不同,与未掺入稀土硝酸盐的高岭石活化能和指前因子相比,Er(NO33、La(NO33、Nd(NO33以及Y(NO33对于高岭石脱羟基反应过程的活化能和指前因子的值降幅均较为显著,有助于脱羟基反应的进行。其中,掺入Er(NO33后活化能和指前因子的值降低幅度最大,分别为37.57%和38.88%;掺入Pr(NO33后二者的值降低幅度最小,分别为8.14%和7.78%。随着Er(NO33掺量的增加,高岭石脱羟基反应活化能快速降低随后趋于平缓。分别在不同的碱溶液浓度以及碱溶温度条件下研究Er(NO33掺量n(Al)/n(RE)=100时对偏高岭石碱溶特性的影响。采用XRD、SEM和FTIR对碱溶产物进行表征,结果表明:碱溶温度的提高可以显著加快碱溶反应的进行,碱溶浓度对于碱溶反应产物的物相组成有较大影响。同时得到偏高岭石的碱溶过程为:偏高岭石中的活性硅铝首先溶解于NaOH溶液中;溶液中的硅铝组分进一步反应形成胶凝相和沸石相前驱体;根据碱溶液浓度的不同,沸石相前驱体会转变成4A沸石相或方钠石相;4A沸石相随着碱溶过程的进行最终会转变成方钠石相。Er(NO33的掺入促进了偏高岭石碱溶过程中沸石相及方钠石相的形成,同时有利于4A沸石相向方钠石相的进一步转变。
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