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《中国地质大学(北京)》 2006年
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利用钾长石合成雪硅钙石粉体的反应机理研究

刘贺  
【摘要】:本项研究是“河南卢氏县钾长石制取碳酸钾和硅酸钙纳米粉体实验研究”项目的一部分。采用CaO为助剂,在水热条件下分解钾长石,进而合成雪硅钙石。通过对合成雪硅钙石粉体的性能和结构表征,分析了材料微观结构与合成条件之间的关系。结合前人的研究成果,对钾长石的分解机理与雪硅钙石的晶化机理进行了研究。 卢氏县钾长石矿是一种白云母正长岩。X射线粉晶衍射分析结果表明,矿石中主要矿物为微斜长石,含量约为85.5%;次要矿物为高铁白云母,含量为7.6%;副矿物磁铁矿、榍石,含量分别为2.4%与1.1%。化学分析结果表明,SiO_2、Al2O3和K_2O为原矿石的主要成分。K_2O含量高达14.69%,SiO_2、Al2O3为合成雪硅钙石的有效组分;在水热分解钾长石、合成雪硅钙石过程中,原矿中的K_2O进入共存的液相中,为后续提钾奠定了物质基础。 采用CaO为助剂,在水热条件下分解钾长石,进而合成雪硅钙石。影响反应的主要因素为:nCaO/n(SiO_2+AlO_(1.5))摩尔比、晶化温度和晶化时间等。在nCaO/n(SiO_2+AlO_(1.5))为0.75~1.00,晶化温度230~250℃,晶化时间5~8h的条件下,可以合成结晶良好的雪硅钙石粉体,K_2O的溶出率达84.8%以上。 Al~(3+)对雪硅钙石的合成具有重要影响。采用SiO_2作为添加剂,在其它反应条件不变的情况下,改变反应物体系中AlO_(1.5)/(SiO_2+AlO_(1.5))的摩尔比,分析实验所得固相产物,结果表明:要得到单一物相的雪硅钙石,反应体系中nAlO_(1.5)/n(SiO_2+AlO_(1.5))值应小于或等于0.13。对合成雪硅钙石粉体的热稳定性的研究结果表明,与不含铝的雪硅钙石相比,含铝雪硅钙石的热稳定性明显提高。 对雪硅钙石粉体进行了性能和结构表征。采用化学分析、XRD、IR、SEM、NMR、TG-DTA等方法对合成的雪硅钙石粉体进行了表征。结果表明,合成的雪硅钙石单个晶体呈针状,长度为3~10μm,宽度0.5~1.0μm,厚度小于100nm,晶形发育完好。这些针状晶体交织成直径约为100μm的空心球形团聚体。 研究了钾长石的分解机理与雪硅钙石的晶化机理。在250℃、水固质量比20、nCaO/n(SiO_2+AlO_(1.5))为0.83、搅拌速度400r/min条件下,对反应不同阶段的固相产物进行了实验,分析了钾长石的分解机理与雪硅钙石的晶化机理。结果表明,在钾长石—氧化钙的水热体系中,钾长石的分解并不是简单的离子交换作用或铝硅酸盐解聚作用,而是在OH-离子作用下,首先形成表面富硅贫铝的前驱聚合体(SiO_2·nH_2O);继而这些前驱聚合体发生分解,与溶液中的Ca~(2+)作用,生成C-S-H凝胶和水钙铝榴石;随着反应时间的延长,C-S-H凝胶和水钙铝榴石进一步转变为雪硅钙石。 原矿中含有的稀土元素,主要是La、Ce、Nd等,稀土元素总量达到800-1000μg/g,如果按氧化物含量计则约为1500μg/g,达到了稀土元素矿床的边界品位,因而具有一定的综合利用价值。原矿中的副矿物榍石可能是含有稀土元素的重要物相,但由于榍石含量少,颗粒细小,通过物理选矿方法很难将稀土元素分离富集。 采用LCA技术对合成雪硅钙石过程对环境的影响进行了评价。以钾长石粉体为主要原料,生产雪硅钙石粉体,同时提取K_2O的技术,基本可达到“资源利用率100%”、“三废零排放”的高效节能和清洁生产的现代工业要求,符合国家有关的环保政策,其工艺技术是完全可行的。
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB383.3

【引证文献】
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