高红外辐射无机非金属晶体材料的制备及其碱液蒸发应用研究

【摘要】：高红外辐射无机非金属晶体材料在工业加热与干燥领域有着广泛的应用。掺杂是一种改善材料性能行之有效的方法,通过掺杂可有效提高材料的红外辐射性能。目前,以MgO-Al2O3-SiO2体系和CoFe2O4为基体的高红外辐射无机非金属晶体材料的研究尚处于初级阶段,而将其应用于碱液蒸发研究工作更是鲜有报道。鉴于此,本论文研究了高红外辐射无机非金属晶体材料的制备方法、材料组成、晶体结构对其红外辐射性能的影响以及该材料在碱液蒸发中的应用。在红外辐射材料的研究中,分别以MgO-Al2O3-SiO2体系和CoFe2O4为基体材料,通过掺杂提高材料的红外辐射性能,寻找不同体系高红外辐射无机非金属晶体材料的最佳制备条件,并探讨影响材料红外辐射性能的关键因素。 对MgO-Al2O3-SiO2体系材料的研究结果表明,采用固相合成法制备Ce4+掺杂的MgO-Al2O3-SiO2材料时,当Ce4+掺杂的质量分数为0.08%,经1200℃烧结2h后所得产物在8～141μm波段的红外发射率为0.92±0.01；CuFe2O4掺杂MgO-Al2O3-SiO2体系时,当CuFe2O4掺杂的质量分数为7.5%,经1150℃烧结2h后所得产物在8～141μm波段的红外发射率为0.91±0.01；Fe2O3/Co3O4共掺杂MgO-Al2O3-SiO2体系时,当Fe203加入量为30wt%, Co3O4加入量为20wt%时,经1100℃烧结2h后所得产物在8～14μm波段的红外发射率为0.92±0.01。在MgO-Al2O3-SiO2体系材料的研究中,材料制备要求较高的烧结温度,能耗较大。经掺杂后,材料最佳红外发射率为0.92±0.01,该发射率有待进一步提高。 在研究稀土元素(Ce、La、Y)掺杂对CoFe2O4材料红外辐射性能的影响中,采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备铁氧体粉末。该方法与常规的固相合成法相比,可将烧结温度由1000℃以上降至600℃,是一种高效节能的铁氧体材料制备方法。采用溶胶-凝胶法的制备CoFe2O4粉末,金属硝酸盐为初始原料,柠檬酸为络合剂,以滴加氨水的方式调节所得初始混合溶液pH值。当初始混合溶液pH值为5时,CoFe2O4粉末在8～14μm波段的红外发射率可以达到0.91左右。 研究表明,稀土元素(Ce、La、Y)掺杂量与烧结温度是影响CoFe2-xRExO4材料红外辐射性能的两个重要因素。对于CoFe2-xCexO4材料,当Ce掺杂量不超过0.05且烧结温度不超过600℃时,可有效抑制CeO2的形成,其中,CoFel.95Ce0.0504经600℃烧结后具有最高的红外发射率,其值为0.92±0.01。对于CoFe2-xLaxO4材料,当La掺杂量不超过0.10且烧结温度不超过600℃时,可有效抑制La3+与Fe3+的反应,避免FeLaO3的形成。CoFe1.90Lao.10O4经600℃烧结后具有最高的红外发射率,其值为0.94±0.01。对于CoFe2-xYxO4材料,当Y掺杂量不超过0.20且烧结温度不超过600℃时,可有效抑制YFeO3的形成,其中,CoFe1.80Y0.20O4经600℃烧结后的具有最高的红外发射率,其值为0.95±0.01。 针对高红外辐射无机非金属材料在碱液蒸发中的应用,本论文设计了竖管降膜蒸发装置,并将具有高红外辐射性能的钻铁氧体材料应用于碱液蒸发。以PTFE为粘结剂,通过辊压技术将粉末状材料制成薄膜后应用于竖管降膜蒸发装置。该装置由蒸发竖管、液体循环系统、加热及温度控制系统组成。通过实验测试,对运行温度、碱液流量、碱液浓度以及PTFE加入比例等参数进行优化,并考察了稀土元素掺杂的钴铁氧体材料的应用效果。以CoFe1.80Y0.20O4为红外辐射材料,PTFE加入比例为1：1.5,运行温度为350℃,初始碱液浓度30g/L,流量80L/h时,运行60min后的蒸发效率可达17%左右。 本论文研究中开发出具有高红外辐射性能的无机非金属晶体材料,并将其应用于竖管降膜蒸发装置,进行了实验室模拟研究。本论文的碱液蒸发应用研究填补了高红外辐射无机非金属晶体材料在碱液蒸发应用方面的空白,具有一定学术价值,对实际工程应用及后续研究具有指导意义。