稀土对铝硅的活化和键合作用机理及其在地聚合物中的应用

Rare Earth ions has high oxidation enengy and highly charge which can gain and lose electrons easily when combined with other bonds accompanied with the characteristics of reducing the activation energy and promoting the reaction. In this project, the kaolinite-rich Al-Si is used for raw material, and sodium (potassium) silicate and sodium hydroxide (potassium) for activator, which aims at improving the performance of geopolymers through the addition of rare earth in the process of activation of kaolinite and geopolymer synthesis. By doing so, three researches are to going to be achieved: .1) Identifying the intrinsic law of the rare earth effects on the gradual and abrupt change of the kaolinite structure if being heated, with reference to studies of kaolinite transformation to metakaolinite, structure rearrangement process and the decomposition kinetics when rare earth is being added; 2) Disclosing the relationship between the aluminum coordination structure and alkali-soluble characteristics and discovering the activation mechanism of kaolinite with rare earth mixed if being heated, based on the law of rare earth effects on responding index of geopolymerzation of the sensitive structural units in the metakaolinite aluminum oxide layer; 3) Analyzing geopolymerzation and Si and Al micro-combination process, and detecting the catalysis of Al-Si geopolymerzation process as well as its mechanism of geopolymerzation dynamics when geopolymer synthesis takes place with rare earth added, when the rare earth effects on Al-Si components dissolution, scattered migration, concentrated geopolymerization and dehydration of the hardening process in alkali environment are taken into considered;.The project will enrich and suplement the rare earth chemical theory and design theory of material microstructure, thus it is to provide the related theoretical guidance for the application of rare earth and new ideas of geopolymer micro-structure design.

稀土是具有高氧化能和高电荷的大离子，能与其它键结合，很容易获得和失去电子，能降低反应活化能和促进反应进行。本项目以富含铝硅的高岭石为原料，钠（钾）水玻璃和氢氧化钠（钾）为激活剂，通过在高岭石活化过程和在地聚合物合成过程中添加稀土等技术完成以下研究：.1）研究稀土对高岭石转变为偏高岭石结构重排过程和分解动力学的影响，查明稀土对热变高岭石结构渐变和突变的内在作用规律；2）研究稀土对偏高岭石中铝氧层化学键合反应能力敏感结构单元的作用规律，揭示铝配位结构与碱溶特性之间的作用关系，探明稀土活化高岭石的活化机理；3）研究在稀土作用下，铝硅组分在碱中的溶解络合、分散迁移、浓缩聚合和脱水硬化过程，查明Si 、Al之间的键合和微观连接状态，探明稀土对铝硅键合过程的催化作用和键合动力学作用机理。.本项目将丰富和补充稀土化学理论和材料微观结构设计理论，为稀土应用提供理论指导，为地聚合物的微观结构设计提供新思路。

地聚合物作为一种新型的绿色胶凝材料，由于其良好的力学性能、耐久性及耐酸碱腐蚀性、低收缩率和热膨胀系数可调、渗透率低等优异性能备受关注。而影响地聚合物性能的最主要因素是富铝硅原料的活性和及其在强碱条件下的键合反应能力。稀土是具有高氧化能和高电荷的大离子，能与其它键结合，很容易获得和失去电子，能降低反应活化能和促进反应进行。因此利用稀土本身特性来活化铝硅原料和催化其在强碱条件下的键合反应能力，必将提高地聚合物的性能和扩大应用领域。.本项目选择五种稀土离子（Er、La、Nd、Pr和Y）和四类稀土化合物（硝酸盐、氟化物、氯化物和氧化物）添加到高岭石中，研究了加入稀土后的高岭石在加热过程中的脱羟基动力学和高温相变动力学，并计算了相关动力学参数，发现稀土硝酸盐和氟化物能降低高岭石脱羟基活化能，确定了高岭石脱羟基的化学反应模型，解释了其对高岭石活化的作用方式和高温相变过程的影响。研究了硝酸铒添加量对高岭石脱羟基动力学的影响，并确定了不同掺量下高岭石脱羟基反应的控制机理函数。研究了偏高岭石在氢氧化钠和氢氧化钠+水玻璃溶液中的碱溶相变过程，在此基础上，研究了硝酸铒对偏高岭石碱溶过程的影响，发现硝酸铒能促进碱溶产物转变成方钠石。研究了硝酸镧加入方式对地聚合物溶解、缩合和聚合反应及地聚合物结构转变的影响，发现硝酸镧没有改变地聚合物结构中的化学键振动模式。研究了合成工艺与参数对地聚合物性能的影响，获得了优化工艺与参数。研究了稀土氟化物、氯化物和硝酸盐种类及掺量对地聚合物力学性能和微观结构的作用，探明了不同种类稀土化合物对地聚合物力学性能的作用规律。利用矿山尾矿为原料，通过地聚合物合成工艺与参数的优化，开发了利用矿山尾矿合成地聚合物的可行性技术路线和方案。