微流體環(huán)境對ACC結(jié)晶相變作用機(jī)制研究.pdf

1、學(xué)校代碼：10406分類號：TQ026.5 學(xué)號：150108050211南昌航空大學(xué) 南昌航空大學(xué)碩 士 學(xué) 位 論 文（學(xué)術(shù)學(xué)位研究生）微流體 微流體環(huán)境對 環(huán)境對 ACC 結(jié)晶 結(jié)晶相變 相變作用 作用機(jī)制研究 機(jī)制研究碩士研究生： 碩士研究生： 曾佑鵬導(dǎo) 師： 師： 盧金山 教授申請學(xué)位級別： 申請學(xué)位級別：碩 士學(xué)科、專業(yè)： 學(xué)科、專業(yè)： 材料學(xué)所在單位： 所在單位： 材料科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期： 答辯日期： 2018 年 6

2、 月授予學(xué)位單位： 授予學(xué)位單位：南昌航空大學(xué)II摘 要傳統(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

3、在線監(jiān)測結(jié)合離線表征分析， 解析微流體環(huán)境相的特性及其對 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 200 μm，深 100 μm。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(0.1 μl/min)流體流動(dòng)方向上，擴(kuò)散系數(shù)較小的 CO32-在微通道兩側(cè)存在較高的濃度梯度，而

4、 Ca2+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) CO32-一側(cè)溶液過飽和度明顯較 Ca2+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(0.1 μl/min)晶體會(huì)偏向 CO32-一側(cè)結(jié)晶析出，而當(dāng)流速增大時(shí)(5 μl/min、10 μl/min)碳酸鈣晶體主要在兩相流體接觸界面處結(jié)晶析出。對微通道內(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

5、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 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)

6、當(dāng)反應(yīng)物 CaCl2 和 Na2CO3 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，A