一種快速制備多晶鐵鋁酸四鈣的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬建筑材料領域，具體涉及一種快速制備多晶鐵鋁酸四鈣的方法。
【背景技術】
[0002]鐵鋁酸鈣是鐵鋁酸鹽的固溶體系列之一，其化學式通式為Ca2(AlxFei x)205，當x =0時，為鐵酸鈣Ca0.Fe203；^ x = 1時，為鋁酸二鈣2Ca0.A1 203;當x = 0.5時，為鐵鋁酸四鈣 4Ca0.A1203.Fe203。
[0003]鐵鋁酸四鈣(4Ca0.Α1203 *Fe203，簡稱C4AF)是硅酸鹽水泥熟料的主要礦物成分之一，是硅酸鹽水泥的顯色礦物，其含量對硅酸鹽水泥的顏色有重要影響，一般含量越高，硅酸鹽水泥的顏色越深。鐵鋁酸四鈣具有較強的水化能力，遇水后可迅速反應生成水化鐵酸鈣和水化鋁酸鈣，并放出大量的熱。鐵鋁酸四鈣的水化產物具有較強的S042結合能力，可去除水體中S042凈化水質。鐵鋁酸四鈣含量較高的硅酸鹽水泥具有較強的抗硫酸鹽腐蝕能力。
[0004]現有合成多晶鐵鋁酸四鈣的方法主要是固相燒結法和溶膠凝膠法。固相燒結法是以鈣、鋁、鐵的氧化物或氫氧化物等粉末為原料，按化學計量比進行精確稱量后煅燒，煅燒溫度一般為(1250-1450) V，煅燒時間一般為10小時左右，有的甚至長達25小時，且要反復進行(2-3)次煅燒才能保證較高的純度。溶膠凝膠法是以鈣、鋁、鐵的水合硝酸鹽為原料制成溶液，加入一水檸檬酸、乙二醇等螯合劑，乙酰丙酮等水解控制劑，酰胺類干燥開裂控制劑，然后經過幾小時甚至幾十個小時的長時間攪拌和陳化之后才形成凝膠。固相燒結法對煅燒溫度要求較高，能耗較大，且合成產物的均勻度難以保證；而溶膠凝膠法的合成工藝復雜，制備周期較長，不利于工業規模的生產和應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種適用于工業規模的、快速的多晶鐵鋁酸四鈣制備方法。
[0006]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0007]—種快速制備多晶鐵鋁酸四鈣的方法，該制備方法包含以下步驟:
[0008]—:計算四水硝酸鈣的需要量
[0009]a.根據欲制備的多晶鐵鋁酸四鈣的質量，按多晶鐵鋁酸四鈣中Ca0、Al203和Fe 203的含量分別為46.1580%、20.9814%和32.8606%計算出其中含CaO的質量；
[0010]b.根據Ca元素守恒，按CaO質量的4.2111倍計算出四水硝酸鈣Ca(N03)2.4H20的需要量；
[0011]二:制備分散液
[0012]a.按質量比1.0000:0.7942:0.8554精確稱量四水硝酸鈣Ca(N03)2.4H20、九水硝酸鋁A1 (N03) 3.9H20和九水硝酸鐵Fe (N03) 3.9H20，備用；
[0013]b.按四水硝酸鈣Ca(N03)2.4Η20質量的(2.0413-2.1923)倍稱量相應質量的尿素C0(NH2)2，備用；
[0014]c.將a和b中原料混合并加入去離子水，得到混合液；
[0015]所述混合液中，四水硝酸鈣Ca (N03) 2.4H20、九水硝酸鋁Α1 (Ν03) 3.9H20和九水硝酸鐵Fe (Ν03)3.9H20三者的摩爾濃度之和為(0.5-0.8)mol/L ;
[0016]d.將上步所得混合液在25°C溫度下攪拌，直至四水硝酸鈣Ca(N03)2.4Η20、九水硝酸鋁A1 (Ν03) 3.9Η20、九水硝酸鐵Fe (N03) 3.9H20和尿素CO (NH2) 2完全溶解，得到分散液；
[0017]三、制備前驅體
[0018]a.將上步所得分散液倒入敞口的耐高溫容器內，然后移入高溫爐中進行熱處理；
[0019]所述的熱處理方法為在空氣氣氛中以10°C /min的升溫速率加熱至(500-510) V后，恒溫2小時，得到干燥、蓬松的棕色固體；
[0020]b.把上步得到的固體磨細成粒徑小于0.15mm的微粒，真空防潮封裝后作為前驅體待用；
[0021]四、煅燒前驅體
[0022]a.稱取適量的前驅體在(25-30) MP壓力下制成直徑為35mm，厚度不超過5mm的薄片;
[0023]b.將薄片置于坩禍內，在空氣氣氛中以10°C /min的升溫速率加熱至(650-950) °C，在該溫度下持續恒溫7小時；然后取出在空氣中急冷至室溫，再磨細即得到具有水化活性的多晶鐵鋁酸四鈣粉末。
[0024]所述的四水硝酸鈣Ca (N03) 2.4H20、九水硝酸鋁Α1 (Ν03) 3.9H20和九水硝酸鐵Fe (N03) 3.9H20和尿素CO (NH2) 2均為分析純化學試劑。
[0025]所述的尿素C0(NH2)2的添加質量是由化學熱力學參數，反應前后鍵能的變化以及鐵鋁酸四鈣晶體的生成溫度計算得到。根據尿素C0(NH2)2的添加質量的不同，步驟三中a中反應物的理論溫度為(1350-1496) °C，達到或超過傳統固相燒結法的溫度。
[0026]所述的原材料在溶液中分散均勻后，溶液無需再經過長時間的靜置、陳化或干燥，而是直接移入高溫爐內進行脫水和熱處理。
[0027]所述的敞口的耐高溫的容器，其容積至少應為所盛溶液體積的3倍，這是由于在高溫下分散液會迅速脫水，然后劇烈的燃燒并釋放出大量氣體，導致坩禍內物質的體積急劇膨脹，最終的體積約為原溶液體積的2.5倍。
[0028]所述的敞口的耐高溫的容器為圓柱形剛玉杯，其化學成分主要是A1203，在前驅體制備的過程中不會對樣品造成污染。
[0029]所述的急冷至室溫的步驟，其具體方法是將陶瓷坩禍從高溫爐取出后，立即將樣品倒入另一常溫狀態的瓷盤內，置于通風環境處冷卻降至室溫，整個過程皆在空氣氣氛中進行。
[0030]與現有技術相比，本方法具有以下優點:
[0031](1)制備溫度低，消耗電能少。本方法較傳統的固相燒結法在煅燒溫度方面低(300-600) °C ;較溶膠凝膠法低(100-200) °C，降低了制備條件，減少了能耗。
[0032](2)簡化了合成工藝，縮短了制備周期，提高了合成效率。本方法較固相燒結法能減少煅燒時間(3-7)小時，且無需反復多次煅燒；較溶膠凝膠法減少了試劑和原材料的數量，操作步驟簡單，且取消了溶液靜置、溶膠陳化和凝膠干燥等程序，合成周期大大縮短。
[0033](3)合成效果好，產物純度高，各元素分散均勻。本方法利用溶液中混合，原材料的接觸水平達到分子、原子級別，各元素的分散性好，克服了固相燒結法中粉末原料混合困難的不足，且合成產物的純度較高，CaO、A1203和Fe 203的含量極低。
【附圖說明】
[0034]圖1為用本方法在煅燒溫度為650°C下制備產物的X射線衍射圖譜；
[0035]圖2為用本方法在煅燒溫度為650°C下制備產物的FT-1R圖譜；
[0036]圖3為用本方法在煅燒溫度為650°C下制備產物的水化放熱曲線；
[0037]圖4為用本方法在煅燒溫度為950°C下制備產物的X射線衍射圖譜；
[0038]圖5為用本方法在煅燒溫度為950°C下制備產物的FT-1R圖譜；
[0039]圖6為用本方法在煅燒溫度為950°C下制備產物的水化放熱曲線；
[0040]圖7為用本方法在煅燒溫度為850°C下制備產物的X射線衍射圖譜；
[0041]圖8為用本方法在煅燒溫度為850°C下制備產物的FT-1R圖譜；
[0042]圖9為用本方法在煅燒溫度為850°C下制備產物的水化放熱曲線。
【具體實施方式】
[0043]下面結合具體實施例對本發明進行詳細的說明。
[0044]實施例1
[0045]目的:制備20g多晶鐵鋁酸四鈣
[0046]根據鐵鋁酸四鈣化學式4Ca0.A1203.Fe203計算出其中CaO含量為46.1580%,八1203的含量為20.9814%，？。03的含量為32.8606%。根據欲制備鐵鋁酸四鈣的質量為20g，計算出樣品中CaO的含量為20.0X46.1580%= 9.2316g。
[0047]根據Ca元素質量守恒，計算出所需的分析純四水硝酸鈣Ca(N03)2.4H20的質量為9.2316X4.2111 = 38.8752g
[0048]按分析純四水硝酸鈣Ca (N03) 2.4H20質量的0.7942倍和0.8554倍計算分析純九水硝酸鋁Α1 (Ν03)3.9Η20、分析純九水硝酸鐵Fe (Ν03) 3.9Η20的質量分別為38.8752X0.7942=30.8747g、38.8752X0.8554 = 33.2538g。
[0049]按分析純四水硝酸鈣Ca(N03)2.4H20質量的2.1923倍計算應添加分析純尿素C0(NH2)2的質量為 38.8752X2.1923 = 85.2261g。
[0050]將上述原材料依次倒入燒杯，加入適量去離子水，制成按四水硝酸鈣Ca(N03)2.4H20、九水硝酸鋁Α1 (Ν03)3.9H20和九水硝酸鐵Fe (Ν03)3.9H20三者的摩爾濃度之和為0.5mol/L的溶液；
[0051]將上述溶液在25°C溫度下以轉速(200-300) rpm磁力攪拌2小時，然后等量倒入3只500ml的圓柱形剛玉杯中，置于電阻爐內，在空氣氣氛中以10°C /min的升溫