表面活性剂在β-2CaO•SiO2界面吸附行为热力学与电化学研究

摘要

表面活性剂加入到氧化铝烧结熟料的溶出系统中，可显著降低因二次反应造成的氧化铝损失，但对其作用机理的研究尚缺乏深入探索。本文选取可用于工业生产的聚丙烯酸钠（PAAS）和聚乙二醇(PEG)为研究对象，探讨了β-2CaO·SiO2对PAAS、PEG和两者1∶1混合添加剂的吸附行为，同时根据Gibbs吸附公式计算吸附对界面张力的影响，并通过电性变化规律探讨PAAS和PEG的界面吸附行为，为表面活性剂的筛选提供理论指导。
　　PAAS在β-2CaO·SiO2上的吸附等温线呈“L”型，发生饱和吸附，符合Langmuir单分子层吸附模型，原因在于PAAS中-COO基团间的静电斥力导致分子舒展结构导致β-2CaO·SiO2表面发生单分子层吸附。PEG在β-2CaO·SiO2的吸附等温线呈典型的“S”型，符合Freundlich方程，发生多分子层饱和吸附，分子通过醚氧键（-O-）形成氢键吸附在β-2CaO·SiO2颗粒上同时PEG分子链尾端-OH可形成分子间氢键相连，高浓度时吸附量急剧上升可归因于分子间的氢键作用导致分子发生聚集。PAAS与PEG为1∶1混合使用时，吸附等温线和吸附模型均不改变，但由于PAAS配位键形成对PEG吸附的增强作用，导致Freundlich方程中Kf较单组份相比明显增大。同时，由于分子间作用导致等温线向原点方向萎缩，也呈现饱和吸附的特点。
　　由Gibbs吸附膜公式得出β-2CaO·SiO2界面的π-σ曲线，表明活性剂可降低2CaO·SiO2的界面张力，且π-σ曲线变化趋势与吸附等温线呈现一致的对应关系，饱和吸附时界面张力趋于稳定，分子间占据面积得到最大压缩。
　　PAAS在β-2CaO·SiO2上吸附导致ζ-电位和吸附颗粒等电点(pHIEP)均降低，这与2CaO·SiO2表面-COOCa配位键形成有关，同时分解产物XPS发现Ca2p、Si2p和O1s结合能变化绝对值均大于分析误差(±0.2eV)，因而PAAS在β-2CaO·SiO2上发生化学吸附，吸附产物为内层络合物。PEG的吸附作用对ζ-电位和吸附颗粒pHIEP不发生影响，即对2CaO·SiO2的性质没有影响，同时XPS分析分解产物的原子结合能也基本不变，发生氢键和范德华力在内的物理吸附，吸附产物为外层络合物。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 碱石灰烧结法生产氧化铝技术及其应用

1．2 二次反应

1．2．1 2CaO·SiO2结构

1．2．2 二次反应实质

1．2．3 二次反应的抑制

1．3 表面活性剂

1．3．1 聚乙二醇

1．3．2 聚丙烯酸钠

1．4 溶液中的矿物

1．4．1 双电层理论

1．4．2 表面电荷与电荷表征

1．4．3 2CaO·SiO2的电性

1．5 液固界面吸附理论

1．5．1 吸附基本概念

1．5．2 吸附等温式

1．5．3 吸附等温线及其类型

1．5．4 吸附机理

1．6 本文的研究意义和内容

第2章 试验及分析方法

2．1 试验原料和设备

2．1．1 β-2CaO·SiO2

2．1．2 调整液

2．1．3 表面活性剂

2．1．4 仪器和设备

2．2 分析方法

2．2．1 硅含量分析

2．2．2 硅标准曲线

第3章 表面活性剂吸附热力学研究

3．1 试验方法

3．1．1 吸附试验

3．1．2 分解试验

3．1．3 液相色谱法

3．2 理论基础

3．2．1 Gibbs公式推导

3．2．2 吸附膜公式

3．3 结果与讨论

3．3．1 吸附等温线

3．3．2 吸附模型的拟合

3．3．3 界面吸附膜

3．3．4 分解产物成分和晶体结构分析

3．4 小结

第4章 表面活性剂吸附电化学研究

4．1 试验方法

4．1．1 悬浮液的配制和ζ-电位测定

4．1．2 等电点的测定

4．2 操作条件对ζ-电位的影响

4．2．1 测前搅拌

4．2．2 搅动时间

4．2．3 取样时间

4．3 结果与分析

4．3．1 ζ-电位表征

4．3．2 表面活性剂官能团与表面作用形式

4．3 小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文