Kalsinointi on prosessi, jossa kiinteä näyte altistetaan korkeat lämpötilat läsnä ollessa tai ilman happea. Analyyttisessä kemiassa se on yksi gravimetrisen analyysin viimeisistä vaiheista. Näyte voi siten olla minkä tahansa luonteenomainen, epäorgaaninen tai orgaaninen; mutta etenkin kyse on mineraaleista, savista tai hyytelöllisistä oksidista.
Kun kalsinointi suoritetaan ilmavirtojen alaisena, sen sanotaan tapahtuvan hapetetussa ilmakehässä; kuten yksinkertaisesti kuumentamalla kiinteä aine palavalla palamistuotteella avoimissa tiloissa tai uuneissa, joihin ei voida käyttää tyhjiötä.
Rudimentary tai alkeeminen kalsinointi avoimen taivaan alla. Lähde: Pixabay.
Jos happi korvataan typellä tai jalokaasulla, kalsinoinnin sanotaan tapahtuvan inertissä ilmakehässä. Kuumennetun kiinteän aineen kanssa vuorovaikutuksessa olevien ilmakehän ero riippuu sen herkkyydestä hapettumiselle; toisin sanoen reagoida hapen kanssa muuntuakseen toiseksi hapettuneemmaksi yhdisteeksi.
Kalsinoinnilla halutaan olla vain kiinteän aineen sulattaminen, mutta sen modifiointi kemiallisesti tai fysikaalisesti vastaamaan sovelluksensa vaatimuksia. Tunnetuin esimerkki on kalkkikiven, CaCO 3, kalsinointi sen muuntamiseksi betonin kannalta välttämättömäksi kalkiksi, CaO.
Prosessi
Kalkkikiven lämpökäsittelyn ja kalsinoinnin välinen suhde on niin läheinen, että itse asiassa ei ole harvinaista olettaa, että tämä menetelmä koskee vain kalsiumyhdisteitä; Tämä ei kuitenkaan ole totta.
Kaikki kiinteät aineet, epäorgaaniset tai orgaaniset, voivat kalsinoida niin kauan kuin ne eivät sula. Siksi kuumennusprosessin on tapahduttava näytteen sulamispisteen alapuolella; Ellei se ole seos, jossa yksi sen komponenteista sulaa, kun taas muut pysyvät kiinteinä.
Kalsinointiprosessi vaihtelee näytteen, asteikkojen, tavoitteen ja kiinteän aineen laadun mukaan sen lämpökäsittelyn jälkeen. Tämä voidaan jakaa globaalisti kahteen tyyppiin: analyyttinen ja teollisuus.
analyyttinen
Kun kalsinointiprosessi on analyyttinen, se on yleensä yksi viimeisistä välttämättömistä vaiheista gravimetriseen analyysiin.
Esimerkiksi kemiallisten reaktioiden sarjan jälkeen on saatu sakka, joka muodostumisensa aikana ei näytä puhdasta kiinteää ainetta; ilmeisesti olettaen, että yhdiste tunnetaan etukäteen.
Puhdistustekniikoista riippumatta saostumassa on edelleen vettä, joka on poistettava. Jos tällaisia vesimolekyylejä on pinnalla, niiden poistamiseksi ei tarvita korkeita lämpötiloja; mutta jos ne "jäävät kiinni" kiteiden sisään, uunin lämpötilan on ehkä oltava yli 700-1000ºC.
Tämä varmistaa, että sakka on kuiva ja vesihöyryt poistetaan; sen seurauksena sen koostumus tulee selväksi.
Lisäksi, jos saostuma hajoaa termisesti, lämpötilan, jossa se on kalsinoitava, on oltava riittävän korkea sen varmistamiseksi, että reaktio on täydellinen; muuten sinulla olisi vankka määrittelemätön koostumus.
Seuraavat yhtälöt tekevät yhteenvedon kahdesta edellisestä kohdasta:
A nH 2 O => A + nH 2 O (höyry)
A + Q (lämpö) => B
Määrittelemätön kiinteät aineet olisi seoksia A / A · nH 2 O ja A / B, kun ihanteellisesti niiden tulisi olla puhdasta yhdistettä A ja B, vastaavasti.
teollinen
Teollisessa kalsinointiprosessissa kalsinoinnin laatu on yhtä tärkeä kuin gravimetrisessä analyysissä; mutta ero on kokoonpanossa, menetelmässä ja valmistetuissa määrissä.
Analyyttisessä tutkimuksessa pyritään tutkimaan reaktion suorituskykyä tai kalsinoidun ominaisuuksia; kun taas teollisuudessa, on tärkeämpää, kuinka paljon tuotetaan ja kuinka kauan.
Paras esitys teollisesta kalsinointiprosessista on kalkkikiven lämpökäsittely siten, että se läpikäy seuraavan reaktion:
CaCO 3 => CaO + CO 2
Kalsiumoksidi, CaO, on kalkki, jota tarvitaan sementin valmistukseen. Jos ensimmäinen reaktio täydennetään näillä kahdella:
CaO + H 2 O => Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO 2 => CaCO 3
Tuloksena CaCO 3 kiteet voivat olla valmistettu ja mitoitettu vahvasta massojen samaa yhdistettä. Näin ollen, ei vain CaO on tuotettu, mutta myös CaCO 3 microcrystals saadaan, tarvittavat suodattimet ja muut puhdistettu kemiallisia prosesseja.
Kaikki metalliset karbonaatit hajoavat samalla tavalla, mutta eri lämpötiloissa; ts. niiden teolliset kalsinointiprosessit voivat olla hyvin erilaisia.
Kalsinointityypit
Sinänsä ei ole tapaa luokitella kalsinointia, ellemme perusta itsemme prosessille ja muutoksille, jotka kiinteät aineet läpikäyvät lämpötilan noustessa. Tästä viimeisestä näkökulmasta voidaan sanoa, että kalsinointia on kahta tyyppiä: yksi kemiallinen ja toinen fysikaalinen.
Kemia
Kemiallinen kalsinointi on sellainen, jossa näyte, kiinteä aine tai sakka läpäisee lämpöhajoamisen. Tämä selitettiin CaCO 3: n tapauksessa. Yhdiste ei ole sama korkeiden lämpötilojen jälkeen.
fyysinen
Fysikaalinen kalsinointi on sellainen, jossa näytteen luonne ei muutu lopulta, kun se on vapauttanut vesihöyryä tai muita kaasuja.
Esimerkki on sakan kuivaus kokonaan ilman reaktiota. Kiteiden koko voi myös muuttua lämpötilasta riippuen; korkeammissa lämpötiloissa kiteillä on taipumus olla suurempia ja seurauksena rakenne voi "paisua" tai halkeilla.
Tätä viimeistä kalsinoinnin näkökohtaa: kiteiden koon hallintaa ei ole käsitelty yksityiskohtaisesti, mutta se on syytä mainita.
Sovellukset
Lopuksi luetellaan joukko yleisiä ja erityisiä kalsinointisovelluksia:
-Metallisten karbonaattien hajoaminen vastaavissa oksidissa. Sama koskee oksalaatteja.
-Mineraalien, hyytelömäisten oksidien tai minkä tahansa muun näytteen kuivaus gravimetristä analyysiä varten.
-Lähetä kiinteän aineen faasimuutokselle, joka voi olla metastabiili huoneenlämpötilassa; ts. vaikka uudet kiteesi jäähtyisivät, niiden ottaminen takaisin kalsinointiin vie aikaa.
-Aktivoi alumiinioksidin tai hiilen lisäämään sen huokosten kokoa ja käyttäytymään samoin kuin imukykyiset kiinteät aineet.
-Modifioi mineraalien nanohiukkasten, kuten Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4, rakenteelliset, värähtely- tai magneettiset ominaisuudet; ts. ne käyvät läpi fyysisen kalsinoinnin, jossa lämpö vaikuttaa kiteiden kokoon tai muotoihin.
-The sama edellinen vaikutus voidaan havaita yksinkertaisempi kiinteät aineet, kuten SnO 2 nanohiukkasia, joka kasvaa kooltaan, kun ne joutuvat agglomeraatin korkeiden lämpötilojen; tai epäorgaanisissa pigmenteissä tai orgaanisissa väriaineissa, joissa lämpötila ja jyvät vaikuttavat niiden väriin.
-Ja rikkiöljystä poistetaan rikinäytteet koksista, kuten myös muista haihtuvista yhdisteistä.
Viitteet
- Day, R., ja Underwood, A. (1989). Kvantitatiivinen analyyttinen kemia (viides painos). PEARSON Prentice Hall.
- Wikipedia. (2019). Kalsinointi. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
- Elsevier. (2019). Kalsinointi. ScienceDirect. Palautettu osoitteesta: sciencedirect.com
- Hubbe Martin. (SF). Paperinvalmistuksen märkäpääkemian mini-tietosanakirja. Palautettu osoitteesta projekti.ncsu.edu
- Indrayana, IPT, Siregar, N., Suharyadi, E., Kato, T. & Iwata, S. (2016). Nanokiteisen Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4: n mikrorakenteisten, värähtelyspektrien ja magneettisten ominaisuuksien kalsinointilämpötilariippuvuus. Journal of Physics: Konferenssisarja, osa 776, numero 1, artikkelin tunnus. 012021.
- FEECO International, Inc. (2019). Kalsinointi. Palautettu osoitteesta: feeco.com
- Gaber, MA Abdel-Rahim, AY Abdel-Latief, Mahmoud. N. Abdel-Salam. (2014). Kalsinointilämpötilan vaikutus tavanomaisella saostusmenetelmällä syntetisoidun nanokiteisen SnO 2: n rakenteeseen ja huokoisuuteen. Kansainvälinen sähkökemiallisen tieteen lehti.