采用表面分析法,对无烟煤、活化沸石、铝矾土陶瓷、磁铁矿及沸石滤料的表面特性进行分析,XPS及FTIR测试结果表明,5种滤料表面均存在吸附水,无烟煤表面主要由有机化合物组成,活化沸石表面主要由SiO2、硅酸盐类化合物、Al2O3及Fe2O3组成,铝矾土陶瓷表面主要由SiO2和Al2O3组成,磁铁矿表面主要由SiO2、硅酸盐类化合物和Fe3O4组成,沸石表面主要由SiO2、硅酸盐类化合物及少量的Fe2O3组成.5种滤料表面极性强弱表现为:沸石>磁铁矿>活化沸石、铝矾土陶瓷>无烟煤。

理想晶体是由一种称之为“原胞”的结构单位,在二维空间中重复排列而形成的一个无限“连续体”,但是实际存在的各种物质并不是无限连续的,它们都是有尽头的,这个尽头就是在不同物质的交界处———界面。表面问题不论在工程技术上或是日常生活中都到处可见,很多常见的物理化学过程如催化、腐蚀、摩擦和电子发射等都发生在“表面”。就大多数固体表面来说,无论在组分或是结构上都是和体内不一样的。试验采用表面分析技术,通过微观粒子与表面酌相互作用获得表面信息,然后综合所测结果得出结论。

1、实验部分

用美国物理电子公司生产的PHI-5702型多功能电子能谱仪(XPS)测定滤料表面的相对元素组成,激发源为铝Kα,高压14kV;用德国BRUKER公司生产的IFS66V/S型红外光谱仪(FTIR)测定滤料表面的化学结构,波数范围4000~400cm-1,最高分辨率0.01cm-1。

1.1XPS表征

将制备好的样品引入样品室,用一束单色的X射线激发.只要光子的能量hν大于原子、分子或固体中某原子轨道电子的结合能EB,便能将电子激发而离开,得到具有一定动能的光电子。由于X射线能量较高,所以主要得到的是来自原子的内层轨道的电子。光电子进入能量分析器,利用分析器的色散作用,可测得其按能量高低的数量分布。由分析器出来的光电子经倍增器进行信号放大,再以适当的方式显示、记录,得到XPS谱图。为防止分析时样品表面受到污染,样品室应保持1026~1028Pa的超高真空条件。整个系统和一台小型计算机相连,可实现操作、数据采集和处理以及数据输出的自动化。

XPS图谱分析表明:无烟煤的元素组成为Si(109.2eV),O(539.2eV),C(291.6eV),原子浓度分别为4.52%,21.15%和70.68%,此外还含有少量的Fe和Al;活化沸石的元素组成为Si(109.6eV),O(539.6eV),Al(82.4eV),原子浓度分别为20.93%,68.51%和6.43%,此外还含有少量的Fe和Ca;铝矾土陶瓷的元素组成为Si(109.6eV),O(539.6eV),Al(82.0eV),原子浓度分别为15.48%,67.86%和15.02%,此外还含有少量的Fe和Ca;磁铁矿的元素组成为Si(111.2eV),O(541.6eV),Fe(720.8eV),原子浓度分别为15.39%,70.97%和9.91%,此外还含有少量的Ca和Al;沸石的元素组成为Si(110.4eV),O(540.6eV),Al(82.0eV),原子浓度分别为19.43%,73.15%和5.18%,此外还含有少量的Fe和Ga。

1.2FTIR表征

图6210为无烟煤、活化沸石、铝矾土陶瓷、磁铁矿滤料及沸石的红外光谱图谱.无烟煤539.97cm-1处代表Fe2O3,1033.65cm-1处代表C-C伸缩振动,1430.92cm-1处代表-CH3不对称变形振动,1641.13cm-1处代表C=C伸缩振动3496.31cm-1处为羟基伸缩振动。活化沸石536.11cm-1处代表Fe2O3,642.18cm-1处代表Al2O3,771.39cm-1~721.25cm-1处的窄带为Si2O对称伸缩振动,1002.80cm-1处宽而强的吸收为SiO32-的伸缩振动,3444.24cm-1为SiO32-的伸缩振动处为羟基伸缩振动。铝矾土陶瓷453.19cm-1处为SiO2弯曲振动,603.61cm-1、636.39cm-1处代表Al2O3,1081.87cm-1处强而宽的吸收峰为Si2O2Si伸缩振动,3448.09cm-1处为羟基伸缩振动。磁铁矿453.19cm-1处为SiO2弯曲振动,700cm-1~500cm-1处较宽的吸收带为Fe3O4,989.30cm-1处强而宽的吸收为SiO32-的伸缩振动,3652.52cm-1处为羟基伸缩振动。沸石457.05cm-1处为SiO2弯曲振动,536.11cm-1处代表Fe2O3,734.75cm-1处代表Si2O对称伸缩振动,1010.52cm-1处强而宽的吸收为SiO32-的伸缩振动,3446.17cm-1处为羟基伸缩振动。

2、结果分析

2.1表面基团

综合XPS及FTIR测试结果可知,5种滤料表面均存在吸附水,无烟煤表面主要由有机化合物组成,活化沸石表面主要由SiO2、硅酸盐类化合物、Al2O3及Fe2O3组成,铝矾土陶瓷表面主要由SiO2和Al2O3组成,磁铁矿表面主要由SiO2、硅酸盐类化合物和Fe3O4组成,沸石表面主要由SiO2、硅酸盐类化合物及少量的Fe2O3组成。

2.2表面极性强弱分析

无烟煤滤料表面主要由有机基团组成,极性最弱;磁铁矿、活化沸石、铝矾土陶瓷和沸石4种滤料表面均为无机基团组成,因而极性强于无烟煤。磁铁矿、活化沸石、铝矾土陶瓷、沸石4种无机滤料的极性强弱可通过O原子的含量来比较。根据FTIR实验结果,把通过XPS试验测得的滤料中O的含量分为三部分:第一部分为仪器本身产生的O污染,第二部分为滤料表面固有的O原子,第三部分为吸附水中O原子。5种滤料的XPS试验条件相同,所以仪器本身产生的O污染相同。由于5种滤料试验前所采用的处理条件是相同的,所以吸附水的含量越大,则该种滤料表面的极性越强;滤料表面固有的O原子越多,则该种滤料表面的极性亦越强。综上所述,O原子的含量可以用来比较滤料表面的极性大小,据此可以判断沸石的极性最强,磁铁矿的极性强于活化沸石和铝矾土陶瓷,而活化沸石和铝矾土陶瓷的极性则相差不多。5种滤料表面极性强弱表现为:沸石>磁铁矿>活化沸石、铝矾土陶瓷>无烟煤。