试析钛酸钾晶须制备过程的热力学和动力学研究

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1、南京工业大学博士学位论文钛酸钾晶须制备过程的热力学和动力学研究姓名：刘畅申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：陆小华20030601壹主壬些苎堂堡主兰竺丝墨————摘要随着科学技术发展的需要，各种具有特定结构和功能的微米至纳米材料已被材料科学家在实验室里不断研制出来，但都面临着规模化降低成本的问题，而这正是化学工程的强项。然而从化学工程的角度来说，以往它的研究对象主要是流体，过程的控制指标一般为温度、压力以及溶液组成等。若用传统的化工方法能否解决制备这些结构复杂的固相高新技术材料时出现的问题?工艺过程中控制指标将发生什么变化?如何找到宏观控制指标与产品微观结构之间的关

2、系?这些都已成为化学工程研究的前沿课题。钛基晶须(K20·nTi02)是一利，尺寸在微米级，具有复杂结构的高性能先进材料。要实现钛基晶须规模化制备的关键和难点所在是其水台过程，这是一个复杂的、影响因素繁多的固液离子交换过程，随水合工艺条件的改变，将得到一系列组成、结构和性能各不相同的衍生物如K2弛09、K2Ti6013、K2nol7和H2Ti409晶须。本课题组以前的工作中，已经发现这种微米级固体的组成和结构与宏观的溶液组成之阐存在对应关系，而且圃相的组成与结构，可通过控制溶液组成来实现。但固相组成结构与溶液组成之问的这种对应关系能否转变为化工过程的可操作量，以及这种对应

3、关系是否存在现实可操作性．尚未进行研究。针对上述问题．本文建立了钛基晶须水合过程的热力学和动力学模型，对水合过程进行了定量描述。对于水合过程的热力学研究，本文从化工角度出发，采用相平衡的概念，将水合过程视为由固相热力学平衡及圃液间物料平衡所构成的固液相平衡过程。在本课题组以前的工作中，已建立了钛基晶须固相热力学平衡模型。但由于缺乏固液相问的物料平衡计算模型，对溶液组成的控制无法转变为化工过程的易控指标。经本文研究发现，固液相问的物料平衡与化工无机盐结晶过程具有相似性，因此，若将本课题组建立的计算无枫盐结晶过程的最新成果——圃液平衡级算法用于水台过程有望解决这一难题。，本文

4、在严格验证周液平衡级算法的正确性基础上，将其与钛基晶须固褶热力学平衡模型结台，建立了完整的水合过程热力学模型，对水台热力学平衡规律进行了完整描述。通过对模型的分析，发现可用化工易控的溶液的pH值和水量来准确控制水合过程，其中溶液的pH值对水合过程的影响更大。初始水合原料中的Ti02／KzO摩尔比对最优承合工艺指标影响不大，而滴加盐酸的浓度以O．1M为宜a制备99％的K2Ti60i3和K2Ti8017晶须的最优工艺指标为pH=9．3．9．9、水量摘要为10ml／g和pH=6．6⋯70水量为10ml／g。在上述建立的模型基础上，本文进一步建立了自然浸出条件下的水合热力学模型，

5、计算得到自然浸出制备纯K2Ti409晶须的条件为O．2M的KOH溶液10ml／g。并建立了H2Ti409和K2Ti6013晶须联产的工艺。对于水台过程的动力学，本文利用钾离子选择性电极和统计速率理论对其进行了实验测定和理论分析。通过钾离子选择性电极在线测定了K2SO．晶体的溶解动力学，并用统计速率理论进行关联和解释，表明该实验方法和理论模型可用于表达钾离子在圆液界面的传质过程。钛基晶须水合动力学实验数据和理论分析表明，该过程的控制步骤是固相表面反应过程，酸性溶液中的水合速率比碱性溶液中的要快；减小溶液的pH值和增大初始水量比都可使水合反应速率增加，但pH值的影响比水量比的

6、影响大得多。pH值是控制钛基晶须固相组成(TiO册(20摩尔比)的敏感变量，在pH值较低的区域水合反应速率远高于pH值较高区域，固相Ti02／K20摩尔比组成变化剧烈；而将溶液pH值控制在水合热力学平衡区域时，固相组成的变化较为平缓，有利于化工过程的控制．因此水合制备Kffi6013和K2Ti8017晶须过程中，溶液的pH值应采用经上述热力学计算得出的指标(分别为pH=9．3．9．3和pH=6．6-7．0)。初始水量比则可根据最小废液量和尽量短的水合时间，根据实际需要来选取(10一100ml／g的范围)．这样既可使水合过程能在对时间不敏感，化工易控的区域内进行，又可有效缩

7、短水合时间。因此，通过对钛基晶须水台热力学和动力学过程的分析表明，为了实现钛基晶须的低成本规模化制各，应将溶液的pH值控制在热力学计算得到的区域，而水量则应根据动力学关系按照操作时间和生产成本来优化选取。为实现钛基晶须的低成本的快速合成，本文初步研究了微波条件下钛基晶须的合成及其晶须生长机理。通过对微波加热介质、加热时间和起始物料Ti02／K20比对产物结构和形貌的分析，表明利用微波圊相合成法可快速出各种钛酸钾晶须，微波场下晶须的生长仍符合常规烧结过程的“熔体诱导生长模型”。关键词：钛酸钾晶须水合平衡级热力学动力学微波Il壹室