高分子聚合物在硅酸二钙/铝酸钠溶液界面反应机理的研究

我国铝土矿主要是低铝硅比的一水硬铝石型，多采用烧结法或联合法生产。因此，抑制烧结法熟料溶出过程中的二次反应对提产、节能和减排有重要的意义。在熟料溶出过程中加入微量的高分子聚合物（聚烯酸化合物AY+聚醇化合物PEG）是近年开发的一种抑制二次反应发生的新途径。本项目拟通过理论、实验和计算机分子模拟三方面对高分子聚合物的界面吸附行为展开研究。采用Monte Carlo方法模拟高分子聚合物在铝酸钠溶液-硅酸二钙液固界面的吸附，引用Gibbs-Duhem方程推导AY和PEG在界面上的摩尔组成并确定它们交互作用类型，利用XPS、XAFS等技术从微观分子水平上研究AY和PEG高分子聚合物在铝酸钠溶液-硅酸二钙固液界面上的吸附反应机理，进一步对其吸附过程宏观动力学和热力学性质给予微观解释，揭示AY和PEG高分子聚合物混合使用具有协同效应的机理，为优化添加剂配方和进一步强化抑制二次反应的效果提供理论

本项目通过具体试验、理论分析和分子动力学模拟研究了高分子聚合物聚丙烯酸钠(PAAS)和聚乙二醇(PEG)在硅酸二钙(C2S)-铝酸钠溶液的界面吸附行为。聚合物能够抑制硅酸二钙在铝酸钠溶液中的分解，降低溶液中SiO2的浓度，使分解后残渣中钙硅渣含量减少，硅酸二钙含量增加，聚丙烯酸钠和聚乙二醇与聚丙烯酸钠的混合物抑制硅酸二钙分解的效果优于聚乙二醇。. PAAS在C2S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；PEG的吸附等温线呈“S”型，符合Freundlich方程，发生多分子层饱和吸附；PAAS与PEG为1:1混合时，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较单组份明显增大，分子间作用导致等温线向原点方向萎缩，呈现饱和吸附。由Gibbs吸附膜公式得出C2S界面的π-σ曲线表明活性剂可降低C2S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C2S的吸附导致ζ-电位和吸附颗粒等电点降低，同时分解产物XPS分析Ca2p、Si2p和O1s结合能变化表明PAAS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，同时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。. 不同环境下聚合物与C2S不同晶面的单位面积吸附能不同。在真空环境下，PEG和PAAS与C2S不同晶面的相互作用均以与(110)面的吸附能最大，吸附作用最强，各晶面吸附强弱顺序依次为：(110)＞(010)＞(011)＞(001)≈(101)＞(100)，且PAAS与晶面的作用能大于PEG与晶面的作用能；在溶液环境下，PAAS与C2S(011)面吸附能最大，PEG与(010)面吸附能最大。在343K~363K范围内，温度对聚合物与晶面的吸附几乎不产生影响。在低聚合度下，聚合物链数越长，可吸附性链节越多，吸附能越大。径向分布函数分析表明，水分子在C2S晶体表面是多分子层吸附，聚合物与水分子之间的作用力以氢键作用为主，Na+离子对水分子中的O原子分子作用力大于与H原子的作用。