傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法往往存在難以捕捉介穩(wěn)中間體的問題,而介穩(wěn)中間體的研究是解開多晶型物質(zhì)晶體形成和晶型轉(zhuǎn)變機(jī)理的關(guān)鍵,且揭示這些機(jī)理對(duì)于新材料的開發(fā)和制備都具有重要的意義。本文借助微流體技術(shù),從晶體生長的環(huán)境相角度,通過搭建微流體結(jié)晶實(shí)驗(yàn)平臺(tái),探究無定型碳酸鈣(ACC)在此環(huán)境相中的形成規(guī)律和轉(zhuǎn)變機(jī)制,采用實(shí)驗(yàn)輔以COMSOL模擬計(jì)算的方法建立起擴(kuò)散離子在微通道中的分布模型,并通過在線監(jiān)測(cè)結(jié)合離線表征分析,解析微流體環(huán)境相的特性及其對(duì)ACC的影響機(jī)制。首先,搭建了微流體結(jié)晶實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了兩種類型芯片-可逆芯片和不可逆芯片,芯片微通道結(jié)構(gòu)為“Y字型”,尺寸統(tǒng)一為寬200μm,深100μm。通過模擬軟件COMSOL中微流體模塊,建立了擴(kuò)散離子在微通道中不同流速時(shí)濃度分布模型。計(jì)算結(jié)果表明,低流速下(0.1μl/min)流體流動(dòng)方向上,擴(kuò)散系數(shù)較小的CO_3~(2-)在微通道兩側(cè)存在較高的濃度梯度,而Ca~(2+)基本擴(kuò)散均勻,微通道兩端濃度梯度很小,由此導(dǎo)致微通道內(nèi)CO_3~(2-)一側(cè)溶液過飽和度明顯較Ca~(2+)一側(cè)大,然而隨著流速增大這種過飽和度的差異逐漸變小。不同流速下的碳酸鈣微流體結(jié)晶實(shí)驗(yàn)也表明低流速下(0.1μl/min)晶體會(huì)偏向CO_3~(2-)一側(cè)結(jié)晶析出,而當(dāng)流速增大時(shí)(5μl/min、10μl/min)碳酸鈣晶體主要在兩相流體接觸界面處結(jié)晶析出。對(duì)微通道內(nèi)ACC結(jié)晶過程不同位置處的產(chǎn)物進(jìn)行離線SEM、拉曼光譜表征,結(jié)果表明結(jié)晶產(chǎn)物為霰石、球霰石和方解石三種晶型的混晶。在靠近Y字芯片通道交匯處,結(jié)晶產(chǎn)物為以球霰石晶型為主的混晶,而在中部則為球霰石與方解石比例大約為1:1的混晶,但是在靠近流體出口的地方,則產(chǎn)物為以方解石為主晶型的混晶。這從時(shí)間和空間上展示了受擴(kuò)散控制的結(jié)晶過程對(duì)中間體ACC結(jié)晶的影響,是一種以空間換時(shí)間的影響機(jī)制。微流體中環(huán)境相對(duì)ACC的影響規(guī)律研究表明,ACC不總是在碳酸鈣的反應(yīng)結(jié)晶過程中出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)物CaCl_2和Na_2CO_3的濃度大于6 mmol/L時(shí),碳酸鈣反應(yīng)結(jié)晶過程通過介穩(wěn)中間體ACC間接結(jié)晶析出碳酸鈣晶體,而當(dāng)反應(yīng)物的濃度介于2.0 mmol/L與6.0 mmol/L之間時(shí),結(jié)晶過程將不會(huì)出現(xiàn)介穩(wěn)中間體ACC,而是經(jīng)過一段時(shí)間的結(jié)晶誘導(dǎo)期之后析出碳酸鈣晶體。微流體中ACC的轉(zhuǎn)變機(jī)制研究表明,中間體ACC通過溶解-再結(jié)晶的轉(zhuǎn)變機(jī)制,不僅維持著碳酸鈣晶體附近溶液的濃度,促進(jìn)晶體的長大,ACC最終也轉(zhuǎn)變?yōu)榱司w,同時(shí)從碳酸鈣晶體長大的速率可以判斷ACC的溶解速率。這些內(nèi)容的研究不僅為多晶型物質(zhì)介穩(wěn)中間體的研究提供了新方法,而且也為多晶型物質(zhì)的一步成核和多步成核機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)支撐。
【學(xué)位單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ132.32;O78
【部分圖文】：

(a)微流控芯片實(shí)驗(yàn)室；(b)各式各樣的微流控芯片

圖 1-2 微流控芯片的發(fā)展歷程 結(jié)晶過程介穩(wěn)中間體的研究現(xiàn)狀.1 介穩(wěn)中間體的捕捉介穩(wěn)中間體由于其介穩(wěn)特性，自然狀態(tài)下通常來說其存在時(shí)間比較短暫對(duì)無機(jī)鹽體系，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上都較易進(jìn)行轉(zhuǎn)變，所以這對(duì)介穩(wěn)中間帶來一定的困難。隨著在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，對(duì)介穩(wěn)捕捉已不再是難題。(a) (b)

圖 1-2 微流控芯片的發(fā)展歷程1.3 結(jié)晶過程介穩(wěn)中間體的研究現(xiàn)狀1.3.1 介穩(wěn)中間體的捕捉介穩(wěn)中間體由于其介穩(wěn)特性，自然狀態(tài)下通常來說其存在時(shí)間比較短暫，尤其是對(duì)無機(jī)鹽體系，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上都較易進(jìn)行轉(zhuǎn)變，所以這對(duì)介穩(wěn)中間體的研究帶來一定的困難。隨著在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，對(duì)介穩(wěn)中間體的捕捉已不再是難題。(a) (b)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李波;金屬碳酸鹽沉淀過程的熱力學(xué)分析[J];稀有金屬與硬質(zhì)合金;2005年02期

2 李國華,王大偉,黃志良;晶體生長界面相研究[J];人工晶體學(xué)報(bào);2001年02期

3 鄭燕青,施爾畏,李汶軍,王步國,胡行方;晶體生長理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J];無機(jī)材料學(xué)報(bào);1999年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 蔡國斌;無定形碳酸鈣的一些合成、轉(zhuǎn)化及性質(zhì)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 丁家堅(jiān);微流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[D];成都理工大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2814282