粉石英的物相结构及成分分析要点.docx
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粉石英的物相结构及成分分析要点
绵阳师范学院
本科生毕业论文
题目酸浸粉石英的物相、结构及成分分析
专业应用化学
院部化学与化学工程学院
学号0910020119
姓名罗亮
指导教师何登良副教授
答辩时间二○一三年五月
论文工作时间：
2013年12月至2013年5月
论文题目来源：
国家自然科学基金项目
编号：
四川省自然科学研究项目
编号：
校级自然科学研究项目
编号：
酸浸粉石英的物相、结构及成分分析
学生罗亮
指导教师何登良
摘要：
本文采用简单酸浸的方法对粉石英进行提纯，分别利用X射线衍射、X射线荧光光谱仪、热重分析仪等测试研究了酸浸粉石英的物相、结构及成分。
研究结果表明：
草酸可以把粉石英中Ca和Fe杂质的部分除去，同时又有新的物质草酸钙生成，除杂效果不理想;盐酸可以有效的把粉石英中的Ca和Fe杂质去除，盐酸处理之后的粉石英SiO2含量可达99.9%；混酸中随着盐酸浓度的增加可以有效的除去粉石英中的Ca和Fe杂质。
关键词：
酸浸粉石英；X射线衍射分析；X射线荧光光谱分析；热重分析
StudyonPhase,StructureandCompositionofPowderQuartzLeachedbyAcid
UndergraduateLuoLiang
SupervisorHeDenLiang
Abstract：
Thispaperintroducesasimplemethodofpurifyingthepowderquartzacidleachingprocess.X-raydiffraction,X-ray fluorescence spectrometer,TGA（ThermoGravimetricAnalyzer）andothertestsareusedrespectivelytostudythephase,structureandcompositionofpickingpowderquartz.Theresearchresultsshowthat:
theoxalicacidcanremoveCaandFeimpuritiesinpowderquartz,butatthesametime,generateanewmaterialcalciumoxalate,whichleadstoanunsatisfactorypurifyingeffect.hydrochloricacidcaneffectivelyremoveCaandFeimpuritiesinquartzpowder,andthecontentofSiO2whichhasbeentreatedwithhydrochloricacidcanriseupto99.9%.CaandFeimpuritiesinpowderquartzcanbeeffectivelyremovedwiththeincreaseofconcentrationofhydrochloricacid.
Keywords:
Acidleachingofquartzpowder;Xraydiffractionanalysis;Xrayfluorescenceanalysis;Thermogravimetricanalysis
前言
粉石英是自然界中广泛存在的一种天然矿物，具有优良的物理化学性质，和传统的石英晶体相比，其纯度、粒度、可加工性等方面都具有一定的优势，可用于制备超细二氧化硅微粉或无定形二氧化硅的原料，已在橡胶、电子材料、化纤材料、陶瓷、塑料、医药、农药、精细化工等领域应用，且应用范围越来越广，用量越来越大，具有广阔的市场前景[1-6]。
本文对贵州所产粉石英矿进行酸浸，采用X射线衍射仪测粉石英处理前后的物相、结构变化，通过热分析测试处理前后的质量变化，X射线荧光光谱分析观察反应前后化学成分变化，研究不同酸处理对粉石英的物相成分及结构的影响，为贵州黔南粉石英的开发应用奠定理论基础。
1国内外研究现状
1.1粉石英的简介
粉石英是一种天然的非金属矿，是由古石炭重叠在石英母岩上风化而形成的。
受杂质影响呈灰白色或淡黄色，提纯后呈白色、白度高、能吸水，吸水后呈浑浊疏散的水样。
粉石英矿体主要分为硅粉和硅屑两部分，主要化学式SiO2，还含有少量铁、铝、钙、钾、钠等金属的化合形式。
1.2X射线衍射（XRD）的简介
X射线照射晶体，电子受迫而振动产生相干散射，同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波。
由于晶体内各原子周期排列，所以发生相长干涉，衍射的本质即晶体中各原子相干散射波叠加的结果。
可用于：
物相分析（物相定性分析、物相定量分析）晶体结构分析（点阵常数的精确测定、宏观应力测定、晶体取向的测定）[7-10]。
1.3X射线荧光光谱（XRF）的简介
X荧光光谱仪（XRF）由激发源（X射线管）和探测系统构成。
X射线管产生入射X射线（一次X射线），激发被测样品。
受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。
探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量。
然后，仪器软件将探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量。
XRF用于：
定性分析（广泛应用于地质、冶金、矿山、电子机械、石油、化工、航空航天材料、农业、生态环境、建筑材料、商检等领域的材料化学成分分析。
）、定量分析法、进行半定量分析[11-15]。
1.4热重法（TG）的简介
物质在温度作用下，随温度的升高，会产生相应的变化，例如水分蒸发，失去结晶水，低分子易挥发物的逸出，物质的分解氧化等。
将物质的质量变化和温度变化的信息记录下来，就得到了物质的质量温度曲线，既热重曲线。
TG用于：
物质熔点、沸点测定，热分解反应过程分析与脱水量测定多种热力学和动力学参数，如比热、反应热、转变热、反应速率和高聚物结晶度等[16-20]。
1.5研究目的、意义
自从人类进入电子时代和信息时代以来，SiO2材料的使用越来越多。
目前SiO2的应用主要体现在：
通过SiO2的冶炼制备多晶硅、单晶硅用于太阳能、电子元器件、集成电路片；二是通过提纯、粉碎等工艺制成各种规格的石英砂、石英粉，应用于光纤、封装材料、涂料、橡胶、塑料、化工等领域。
SiO2是现代电子工业和信息产业最重要和最关键的材料，未来将有极大发展空间。
但是这些领域的应用，对SiO2的纯度要求较高，目前对二氧化硅提纯方法主要有物理方法和化学方法。
物理法：
水洗和分级脱泥、擦洗、磁选、浮选和超声波法等。
化学法：
单酸浸法、混合酸浸法、络合法等。
本文对贵州所产粉石英矿进行酸浸，采用X射线衍射仪测粉石英处理前后的物相、结构变化，通过热分析测试处理前后的质量变化，X射线荧光光谱分析反应前后化学成分变化，研究不同酸处理对粉石英的物相、成分及结构的影响，为贵州黔南粉石英的开发应用奠定理论基础。
2实验部分
2.1仪器
TD-3500型X射线衍射仪（丹东通达）
Axios型X射线荧光光谱仪（荷兰）
SDTA851e型热重分析仪（Mettler）
2.2试剂
贵州粉石英样品
草酸（分析纯GR，成都市科龙化工试剂厂）
盐酸（分析纯GR，成都市科龙化工试剂厂）
实验用水为二次蒸馏水
2.3溶液配制
5％、10％、15％、20％的盐酸（质量分数）
5％、10％、15％、20％的草酸（质量分数）
20％草酸和20％盐酸混合比列为1:
11:
21:
31:
4的混合酸（体积比）
2.4样品制备
（1）取粉石英样品用玛瑙研钵磨碎，产品用蒸馏水清洗，100℃完全干燥；研磨制的石英粉体。
称取4g粉石英放入锥形瓶中，加入20ml的蒸馏水溶液置于50℃震荡摇床中，反应2h，所得样品离心分离后，将清夜用试管接收，粉体用蒸馏水洗涤5次后在真空干燥箱100℃下干燥，研磨后收集，得到原固体样品。
（2）采用5％、10％、15％、20％的盐酸对粉石英原矿进行酸浸处理。
称取4g粉石英放入锥形瓶中，分别加入20ml5％、10％、15％、20％的盐酸溶液置于50℃震荡摇床中，反应2h，所得样品离心分离后，将清夜用试管接收，粉体用蒸馏水洗涤5次后在真空干燥箱100℃下干燥，研磨后收集，得到固体样品1号2号3号4号。
（3）采用5％、10％、15％、20％的草酸对粉石英原矿进行酸浸处理。
称取4g粉石英放入锥形瓶中，分别加入20ml5％、10％、15％、20％的草酸溶液置于50℃震荡摇床中，反应2h，所得样品离心分离后，将清夜用试管接收，粉体用蒸馏水洗涤5次后在真空干燥箱100℃下干燥，研磨后收集，得到固体样品5号6号7号8号。
（4）采用1:
1、1:
2、1:
3、1:
4的草酸/盐酸混合溶液对粉石英原矿进行酸浸处理。
称取4g粉石英放入锥形瓶中，分别加入20ml1:
1、1:
2、1:
3、1:
4的草酸/盐酸溶液置于50℃震荡摇床中，反应2h，所得样品离心分离后，将清夜用试管接收，粉体用蒸馏水洗涤5次后在真空干燥箱100℃下干燥，研磨后收集，9号10号11号12号。
2.5X射线衍射测量
物相分析在丹东通达公司的TD-3500粉晶X射线衍射仪上完成。
2.6X射线荧光光谱的测量
成分分析在成分测试在荷兰帕纳科仪器公司Axios型波长色散型X射线荧光光谱仪上完成。
2.7热重分析的测量
热重分析在MettlerSDTA851e热重分析仪上完成。
3结果讨论
3.1提纯后粉石英的物相分析
图3-1为草酸提纯粉石英产品的X射线衍射测试图，结果明：
草酸对粉石英的物相影响明显，加入草酸处理2小时之后，29.261°处的衍射峰有所减弱，说明该处代表的杂质化合物部分被去除，但是从图3-1可以看到，在24.427°、27.94°出现了新的衍射峰，即草酸处理之后在粉石英中出现了新的物相，该物质可能为草酸钙[21]。
图3-1不同浓度草酸酸浸取粉石英的X射线衍射图
图3-2为盐酸提纯粉石英产品的X射线衍射测试图，结果表明：
盐酸对粉石英的物相影响明显，加入盐酸处理2小时之后，29.261°处的衍射峰完全消失，说明该处代表的杂质化合物已经被去除，同时经过盐酸处理之后的粉石英中没有出现新的物相，测试结果表明盐酸具有较好的除杂效果。
图3-2不同浓度盐酸酸浸取粉石英的X射线衍射图
图3-3为1:
1混酸浓度提纯粉石英产品的X射线衍射测试图，结果表明：
1:
1混酸对粉石英的物相影响明显，加入1:
1混酸处理2小时之后，29.261°处的衍射峰有所减弱，说明该处代表的杂质化合物部分被去除，但是从图3-3可以看到，在24.427°出现了新的衍射峰，即1:
1混酸处理之后在粉石英中出现了新的物相，该物质可能为草酸钙。
图图3-31:
1混酸酸浸取粉石英的X射线衍射图
图3-4为1:
2混酸浓度提纯粉石英产品的X射线衍射测试图，结果表明：
1:
2混酸对粉石英的物相影响明显，加入1:
2混酸处理2小时之后，29.261°处的衍射峰有所减弱，说明该处代表的杂质化合物部分被去除，但是从图3-4可以看到，在24.427°出现了新的衍射峰，即1:
2混酸处理之后在粉石英中出现了新的物相，该物质可能为草酸钙。
图3-41:
2混酸酸浸取粉石英的X射线衍射图
图3-5为1:
3混酸提纯粉石英产品的X射线衍射测试图，结果表明：
1:
3混酸对粉石英的物相影响明显，加入1:
3混酸处理2小时之后，29.261°处的衍射峰完全消失，说明该处代表的杂质化合物已经被去除，同时经过1:
3混酸处理之后的粉石英中没有出现新的物相，测试结果表明1:
3混酸具有较好的除杂效果。
图3-51:
3混酸酸浸取粉石英的X射线衍射图
图3-6为1:
4混酸提纯粉石英产品的X射线衍射测试图，结果表明：
1:
4混酸对粉石英的物相影响明显，加入1:
4混酸处理2小时之后，29.261°处的衍射峰完全消失，说明该处代表的杂质化合物已经被去除，同时经过1:
4混酸处理之后的粉石英中没有出现新的物相，测试结果表明1:
4混酸具有较好的除杂效果。
图3-61:
4混酸酸浸取粉石英的X射线衍射图
3.2提纯后粉石英的成分分析
采用X射线荧光光谱测试了粉石英提纯后的化学成分，结果见表3-1，测试结果表明草酸、混合酸、盐酸对粉石英中的Fe杂质具有一定的溶出性，提纯之后均未检出Fe；但是不同的是草酸对钙杂质的溶出性较差，提纯之后钙的含量仍达2.61%；混合酸与盐酸对钙杂质具有优异的溶出能力，提纯之后均未检出钙杂质。
因此综合来说，混合酸和盐酸均可作为该地粉石英提纯的溶出剂进行使用，1:
4混合酸提纯的粉石英的SiO2为99.83%，20%盐酸提纯之后SiO2含量达到了99.9%。
表3-1粉石英提纯前后化学成分变化
名称
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
K2O
Na2O
TiO2
BaO
SUM
粉石英矿
95.64
0.1
0.47
3.73
/
/
/
/
/
99.94
20%草酸
97.15
0.07
/
2.61
0.05
0.08
/
/
/
0.04
100
20%盐酸
99.9
0.1
/
/
/
/
/
/
/
/
100
1:
4混酸
99.83
0.08
/
/
/
0.09
/
/
/
/
100
3.3提纯后粉石英的热重分析
图3-7为20﹪草酸酸浸粉石英的热重分析图、图3-8为20﹪盐酸酸浸粉石英的热重分析图、图3-9为1:
4混酸酸浸粉石英的热重分析图，由图3-7可以看出，加入20﹪草酸酸浸的粉石英主要在100℃到200℃、400℃到500℃、600℃到700℃进行热分解反应，查资料可得，这些温度范围与CaC2O4·H2O、CaC2O4、CaCO3热重分解温度相吻合。
由图3-8可以看出加入20﹪盐酸酸浸的粉石英失重量很少，这跟物质中含有少量H2O相吻合。
由图3-9可以看出加入1:
4混酸酸浸的粉石英失重量也很少，这跟物质中含有少量H2O相吻合。
测试结果表明20﹪草酸酸浸的粉石英有CaC2O4·H2O生成，加入20﹪盐酸、1:
4混酸酸浸的粉石英提纯效果较好。
图3-7为20﹪草酸酸浸粉石英的热重分析图
图3-8为20﹪盐酸酸浸粉石英的热重分析图
图3-9为1:
4混酸酸浸粉石英的热重分析图
结论
本文采用简单酸浸的方法对粉石英进行提纯，分别利用X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪、热重分析仪等测试研究了酸浸粉石英的物相、结构及成分。
研究结果表明：
草酸可以把粉石英中Ca和Fe杂质的部分除去，同时又有新的物质草酸钙生成，除杂效果不理想。
盐酸可以有效的把粉石英中的Ca和Fe杂质去除，盐酸处理之后的粉石英SiO2含量可达99.9%。
混酸中随着盐酸浓度的增加可以有效的除去粉石英中的Ca和Fe杂质。
三种不同酸中盐酸对粉石英的除杂效果最好，研究结果可为贵州的粉石英的开发与利用提供一定的参考。
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致谢
历时将近六个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。
尤其要强烈感谢我的论文指导老师—何老师，谢谢他对我的指导和帮助，不管是从开始试验到最后的论文修改他一直默默的帮助着我。
这是我第一个要感谢的，谢谢你了何老师。
另外就是我的父母了，从小学到大学的学费和生活费都要花很多钱，尤其是像这样农村出来的孩子，这样一笔开销没有爸爸妈妈的勤勤恳恳辛苦的劳作，哪里来的钱供我上学，我又如何能完成自己的大学学业。
我还要感谢和我一起生活四年的室友，回望大学四年生活无数的情景都是你们。
我的室友们，是你们让我的寝室生活充满快乐与温馨。
希望我们将来都能找个好工作，有个好前程，在今后的日子里希望你们过的好。
一首周华健的朋友，其实这些年风风雨雨，那些我们一起走过的日子你还记得吗？
那些我们一起哭一起笑的朋友们。
感谢你们在我失意时给我鼓励，在失落时给我支持，我只想对你们说：
“一句话，一辈子，一生情，一杯酒”。
人生是一个漫长的过程，是一个终生学习的过程。
虽然四年大学生活我学会了很多东西，领悟了很多的人生道理。
但是我们来到社会，像新生儿一样，。
但是面对未来我一定要积极学习，充满信心，勇敢拼搏。
罗亮
2012年05月
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