铝酸钙粉矿物相红外光谱及铝溶出率分析*

黄志刚 ，章兴华 ，陆 洋 ，胡 智 ，杨鸿波 ，舒海霞 ，朱守平

（1.贵州省冶金科学研究室，贵州贵阳 550002；2.贵州省黔新企业集团有限公司；3.贵州省理化检测研究中心；4.贵州省复合物改性聚合材料工程技术研究中心）

铝酸钙粉矿物相红外光谱及铝溶出率分析*

黄志刚1，章兴华2，陆 洋3，胡 智4，杨鸿波3，舒海霞3，朱守平2

（1.贵州省冶金科学研究室，贵州贵阳 550002；2.贵州省黔新企业集团有限公司；3.贵州省理化检测研究中心；4.贵州省复合物改性聚合材料工程技术研究中心）

铝酸钙粉的结构会受到原料变化的强烈影响。对加入活化剂与未加入活化剂生产的铝酸钙粉进行了相关的结构鉴定与溶出率测定。X射线衍射及热重分析证实，加入活化剂的铝酸钙粉矿物相中含有卤化物，其中矿物相CaAl3XO7可能部分水解形成类弗雷德盐的双羟合结构体，这种铝酸钙粉存在2 116 cm-1及1 981 cm-1两个红外光谱特征峰。矿物相不同，铝酸钙粉的三氧化二铝溶出率有较大差异。

铝酸钙粉；中红外光谱；结构鉴定；溶出率

以铝酸钙粉为原料的加工产物——含钙聚合氯化铝（PACCa）是中国净水剂市场占主导地位的絮凝剂［1］。由于PACCa结构会受到铝酸钙粉溶解产物的强烈影响，因此有必要对因原料差异、制备工艺不同而得到的铝酸钙粉进行研究，探讨它们在结构上的差别。加入活化剂与未加入活化剂生产的铝酸钙粉在结构上有差异［2］，为此，选择了贵州及广西生产的铝酸钙粉作研究对象，并以河南产红粉作比较，分别测定它们的红外光谱并进行结构鉴定及溶出实验，研究它们的结构变化对铝溶出率的影响，以期对全国絮凝剂生产厂家的生产提供结构比较参考。

1 实验部分

1.1 样品物性及化学成分

铝酸钙粉样品分别取自贵州2个企业和广西某企业，还选取了河南某企业生产的红粉及优级纯氧化钙作为对比，按HG 3746—2004《水处理剂用铝酸钙》检测方法测定了4个样品铝的溶出率。铝酸钙粉、红粉及优级纯氧化钙物性和化学成分见表1。

表1 铝酸钙粉、红粉及优级纯氧化钙物性及化学成分

1.2 样品检测仪器

采用D/max 2000型全自动X射线衍射仪对干燥样进行X射线衍射（XRD）检测。测试条件：Cu靶，电压40 kV，电流20 mA，连续扫描，扫描速度6～8（°）/min，扫描范围 2～90°。 样品在 80 ℃干燥，然后研磨至粒径小于75 μm，置于样品座上用玻片压平。

采用NICOLET MAGNA IR-750型傅里叶变换红外光谱仪对干燥样进行红外光谱（FT-IR）检测。测试条件：中红外光谱的扫描范围为4 000～400 cm-1，扫描次数32次，分辨率4 cm-1。样品在80℃干燥，然后于室温下与KBr共同研磨压片。

采用SETARAM TGA-92型热分析仪对80℃干燥样进行热分析，升温速率为10℃/min，氮气流。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为样品XRD检测结果。由图1可以看出，广西样矿物主相是Ca3Al10O18，次相是Ca1.8Al12O4.8；贵州2号样与广西样十分相似，但次相为CaAl3XO7；加入活化剂的贵州1号样主要矿物相是CaAl3XO7，次相是 Ca12Al14O33和 Ca2Al（OH）6（Cl，OH ）·2H2O；红粉主要呈现高岭石结构特征［3］。

2.2 热重分析

图2为各样品热重分析结果。由图2可以看出，贵州1号样、贵州2号样、广西样、红粉中总含水质量分数分别为5.70%、3.65%、1.67%和2.97%。贵州2号样和广西样失重曲线非常相似，与2个样X射线衍射花样相近的情况相吻合。按照相关吸附水、晶格水或羟基水的脱水温度划分［4-6］，贵州1号样吸附水为1.276%（质量分数），与其他样品相当，但该样品在450～500℃的快速质量损失表明这应该是氯化物升华所致［7］。贵州1号、2号样的晶格水或羟基水远高于广西样。红粉的含水情况最为简单，其吸附水与层间结晶水分别为1.473%和1.498%。

2.3 FT－IR 分析

图3为各样品FT－IR分析结果。由图3可以看出，广西样与贵州2号样FT－IR谱图十分相似，但二者与贵州1号样相差很大，与河南红粉样也有明显区别。比较样CaO在3 640 cm-1处的肩峰在3个铝酸钙粉样品中均未出现。对各峰的指认见表2。

表2 铝酸钙粉、红粉及优级纯氧化钙FT－IR解析

结合XRD检测及热重分析结果，对组合峰区及指纹峰区的红外光谱特征峰进行详细分析与讨论。图4为各样品红外光谱指纹区细部特征。

在伸缩振动区，贵州1号样在2 994 cm-1和2 912 cm-1振动双峰峰强接近3 435 cm-1主峰，郑怀礼指认这是加入活化剂后三水铝石中γ-Al2O3转变为 α-Al2O3的反映［2］；该样在组合峰区的 2 116 cm-1及1 981 cm-1两峰十分突出，极具特征。笔者指认，前者是1 063 cm-1的倍频，后者为964 cm-1的倍频再加上层间水的L自由振动与δ弯曲振动 （L+δ）组合峰的贡献［9］。

在指纹区，广西样与贵州2号样均有代表CaCO3的800 cm-1吸收主峰，而贵州1号样中该峰消失，说明活化剂的加入使得CaCO3的分解趋向完全［2］；贵州 1 号样显示了 1 063、964、684、570 cm-14 个极强吸收峰，这与XRD及热重分析测定其含有卤化物和羟基水相对应。由XRD检测可知，加入活化剂的贵州1号样主要矿物相是CaAl3XO7，这表明其中氯离子参与了结构。由于含水量较高，并具备Ca—Al—O—H2O—Cl体系的碱性环境，推测其中矿物相CaAl3XO7在这样的条件下有可能部分水解，形成类弗雷德盐双羟合结构体［Ca2Al（OH）6（Cl，OH）·2H2O］。 由于弗雷德盐特殊的层状结构［15］，使得贵州1号样比广西样与贵州2号样含有更多的吸附水、晶格水或羟基水，造成受强氢键影响的1 063 cm-1处的Al—OH的δ弯曲振动和570 cm-1处H—OH层间水的L自由振动等极强吸收峰得以出现。河南红粉样的主要成分是高岭土，它只呈现较弱的三水铝石Al—OH的δ弯曲振动与高岭石的Si—O振动。

3 结论

1）XRD及热重分析证实，加入活化剂后铝酸钙粉结构中含有卤化物，其中矿物相CaAl3XO7在碱性环境下可能部分水解形成类弗雷德盐的双羟合结构体，红外光谱分析显示活化剂的加入会促进其中CaCO3的分解。2）含类弗雷德盐双羟合结构体的铝酸钙粉具有2 116 cm-1及1 981 cm-12个红外光谱特征峰。3）由于矿物相不同，使得铝酸钙粉的Al2O3溶出率也有差异。

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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

贵州省科学技术基金项目（黔科合J字［2008］2231号）；贵州省优秀科技教育人才省长专项资金项目（黔省专合字［2009］72号）；贵州省高层次人才科研条件特助经费项目（TZJF-2009年18号）。

2012-03-17

黄志刚（1964— ），硕士，工程师，主要研究方向为金属材料及热处理。

联 系 人：章兴华

联系方式：xiuwaz@163.com