升温速率对矿物热分解反应动力学之影响-主导曲线模型应用初步研究.PDF

升溫速率對礦物熱分解反應動力學之影響- 主導曲線模型應用初步研究 林書弘、鄧茂華 國立台灣大學地質科學所 摘要 本研究中，我們採用一種全新的主導曲線模型(Master Curve Model)分析三種 礦物合成粉體的熱分解反應，並嘗試擬合出各反應之主導曲線以描述其反應過程 之溫度、時間與反應歷程。主導曲線模型(Master Curve Model)是一個可以準確預 測各種動力學反應變化的全新模型，只要由實際的實驗數據得到其反應的主導曲 線，即可用來預測此種動力學反應變化的過程。實驗設計上，將方解石、膽礬和 石膏等三種礦物合成粉體以幾組不同升溫速率加熱，並以主導曲線模型(MCM) 擬合熱重分析資料而得出諸反應的主導曲線。根據主導曲線分析的結果，進一步 探討主導曲線模型在預測礦物熱分解反應歷程上的準確性與其限制。理論上，主 導曲線模型(MCM)應可以描述方解石、膽礬與石膏等合成粉體的熱分解反應之 溫度、時間與反應變化量的函數關係，並預測這些熱分解反應之反應過程，然而 實際上各種變因如升溫速率或顆粒徑大小均可能造成反應機制的差異以致於造 成誤差。本研究初步結果顯示，石膏與方解石熱分解反應均無法得到較好的擬合 曲線。膽礬三個階段的結晶水脫水反應擬合結果中，第一階段與第二階段反應無 法得到較好的擬合結果；第三階段結晶水脫水反應則有較好的擬合結果；膽礬於 570℃時發生的熱分解反應也顯示出無法得到較好的擬合結果。初步結果顯示， 熱分解反應可能受溫度、時間以外的因素影響而導致其無法得到較好的擬合曲 線。本研究為一初步研究，未來將針對其它礦物的動力學反應進一步探討主導曲 線模型的適用性，並設計新的實驗方法以得到更好的擬合結果。 前言 主導曲線(MCM)是一個由一般化學反應動力學所推導出來的模型。同時主 導曲線模型(MCM) 也是本研究小組所發展出可能可以被廣泛應用到所有化學 動力學反應的簡單模型。主導曲線模型已證實可以適用在微米級以及奈米級陶瓷 燒結緻密化過程之描述。本研究中將討論主導曲線模型在礦物熱分解反應上的適 用性以及其限制。在將 MCM 運用來分析更為複雜的反應之前，本研究先針對 三種礦物的熱分解動力學反應來進行初步之可行性分析研究。透過熱分析以及主 導曲線模型(MCM)擬合結果，進一步討論是否可以用主導曲線模型來描述其反 應歷程以及其限制因素。實驗中礦物粉體之加熱分解反應之變化量則可以採用熱 重分析儀(TGA)來記錄樣品之重量變化而獲得。 實驗方法 本研究工作採用方解石(CaCO ) 、膽礬(CuSO ‧5H O) 、石膏(CaSO ‧2H O) 3 4 2 4 2 三種純度均大於 99%的合成粉體樣本作為測試材料。三種試樣粉體在加熱之後產 生不同種類的反應。方解石(CaCO )加熱後發生熱分解反應產生氣態產物CO 和 3 2 固態產物CaO ；石膏(CaSO ‧2H O)在加熱後僅發生單一階段結晶水脫水反應。 4 2 膽礬(CuSO ‧5H O)加熱後隨溫度逐漸升高依序發生三階段脫水反應，分別從 4 2 CuSO ‧5H O脫水成CuSO ‧2H O和CuSO ‧H O ，第三階段脫水成無水膽礬 4 2 4 2 4 2 (CuSO4) ，並且在570℃左右開始熱分解成固態產物CuO和氣態產物SO3 。 三種粉體均個別進行了各種不同升溫速率的熱分析實驗，以化學計量法將熱 重分析資料轉換成反應改變量，並將其與時間、溫度變化代入主導曲線模型中以 擬合出主導曲線。 實驗結果與討論 石膏與方解石的熱分解實驗中