1 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010
2 广州航海学院, 广州 510725
以分析纯试剂为原料模拟含锌冶炼渣, 采用熔融法制备微晶玻璃, 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱等表征方法, 探究不同氧化锌掺杂量对微晶玻璃形成、晶化及理化性能的影响。结果表明, 微晶玻璃的主要结晶相为堇青石相, 少量氧化锌(低于0.5%, 摩尔分数, 下同)的加入能够增强玻璃形成能力。随着氧化锌含量逐渐增加(0.5%~20.0%), 玻璃网络结构的完整性变差, 玻璃的黏度降低, 微晶玻璃的主要结晶相由堇青石转变为尖晶石, 同时结晶度和晶粒尺寸增大, 从而微晶玻璃的体积密度、硬度和耐酸碱性提高。微晶玻璃对重金属锌有较好的固化效果, 因此锌浸出浓度远低于标准值, 浸出率趋于稳定。本研究可为实现微晶玻璃固化重金属提供参考和借鉴。
微晶玻璃 氧化锌 重金属锌 显微结构 固化机制 尖晶石 glass-ceramics zinc oxide heavy metal zinc microstructure solidification mechanism spinel
1 内蒙古科技大学矿业与煤炭学院, 内蒙古 包头 014010
2 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用省部共建国家重点实验室, 内蒙古 包头 014010
3 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 内蒙古 包头 014010
4 鄂尔多斯应用技术学院, 内蒙古 鄂尔多斯 017000
在地球科学等研究领域自动化分析, 逐步取代了传统的光学观察法。 然而, 这些方法获得结果, 过于依赖元素组成到矿物组成的转换。 同时, 也会破坏掉完整描述矿物材料来源和蚀变历史所需的重要信息。 因此, 利用合适的检测手段, 对分析矿物成矿规律及成因具有重要现实性意义。 研究利用拉曼Mapping、 光学显微镜、 自动矿物分析仪(TIMA)三种技术做对比。 对具有代表性霓石型稀土矿物分布特征、 化学成分、 矿物结构及晶体取向等方面进行研究。 通过TIMA与光学显微镜研究结果分析可知, 独居石矿物多呈自形-半自形不等粒结构, 粒度大小不均约为100～500 μm之间, 部分颗粒有被磷酸盐溶液交代痕迹, 可初步判断独居石矿物经多期成矿； 氟碳铈矿物呈细粒状分布较散以不规则颗粒包裹在其他矿物中, 具有明显的早期成矿特征； 易解石矿物以不规则团块状或放射状集合体, 具有明显方向性与方解石形成时间一致。 利用拉曼光谱技术在微区进行Mapping扫描, 通过数据分析得到独居石矿物［PO4］3-的P—O对称伸缩模式(ν1)与P—O对称弯曲振动模式(ν2)所在峰位面积比值, 得到独居石矿物不同生长取向相图。 经与独居石矿物光镜特征相结合, 进一步证明了浸染状霓石型铁稀土矿石中独居石矿物是多期成矿的事实, 成矿期数最少为三期。 该发现也为白云鄂博矿床多阶段成矿提供有力证据支撑。 此外, 该技术也可作为一种快速判断磷酸盐矿物不同生长取向的图像方法。 该技术对于碳酸矿物、 硫酸盐矿物也同样适用。 由此可扩展到多种矿物类型, 成为判断矿物多期成矿事实提供了重要依据。 也为拉曼Mapping技术应用于复杂矿物的矿物学研究矿物的赋存特征奠定基础。
白云鄂博矿 磷酸盐 独居石 拉曼Mapping 晶体取向 Bayan Obo deposit Phosphate Monazite Raman Mapping Crystal orientation 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1183
1 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014000
2 鄂尔多斯应用技术学院化学工程系, 鄂尔多斯 017000
3 广州航海学院, 广州 510725
以煤气化渣为原料, 采用一步直接烧结法制备了全固废煤气化渣微晶玻璃, 并研究了烧结温度和时间对全固废煤气化渣微晶玻璃晶相演变、机械物理性能和微观结构的影响。结果表明, 煤气化渣具有较强的析晶能力, 得到的微晶玻璃主晶相为钙长石相。在800~1 150 ℃, 随烧结温度的升高, 微晶玻璃结晶度先增高后有所降低。过高的烧结温度会使微晶玻璃内部出现片状结构, 理化性能下降。烧结温度在1 110~1 120 ℃, 微晶玻璃晶粒细小且分布密集, 表现出较好的物理性能。烧结时间对样品性能的影响较小。在烧结温度1 120 ℃、烧结时间2 h条件下, 微晶玻璃维氏硬度为6.92 GPa, 抗折强度为38.29 MPa, 抗压强度为432.72 MPa,体积密度2.618 g/cm3, 吸水率为0.21%, 耐酸碱性分别为3.13%和0.92%, 力学性能较优, 但吸水率及化学稳定性方面还有较大提升空间。
煤基固废 煤气化渣 一步直接烧结 微晶玻璃 钙长石相 烧结温度 coal based solid waste coal gasification slag one step direct sintering glass-ceramics anorthite phase sintering temparature
1 内蒙古科技大学矿业研究院, 内蒙古 包头 014010
2 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用省部共建国家重点实验室, 内蒙古 包头 014010
4 内蒙古科技大学理学院, 内蒙古 包头 014010
白云鄂博矿以资源丰富、 储量巨大而闻名。 其中独居石矿物是主要稀土原料之一, 在冶金、 **、 化工材料等领域都有广泛的应用。 前人已经对白云鄂博矿物学特征进行了充分的研究, 随着开采深度的增加, 原生矿物增多, 对现阶段稀土矿物赋存状态有待深入了解。 利用拉曼Mapping成像技术结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)与能谱议(energy dispersive spectrometer, EDS)方法, 能够对白云鄂博共伴生矿物赋存特征进行更深的研究。 EDS与能谱结果显示: 矿物扫描区由萤石、 重晶石、 独居石、 磷灰石和铁矿物构成。 拉曼Mapping分析显示: 显微共聚焦图下扫描基底为萤石矿物(CaF2), 拉曼特征峰普遍出现在220~650 cm-1, 与已知文献报道的萤石拉曼峰略有不同。 较大颗粒为重晶石矿物(BaSO4), 为典型的硫酸盐矿物。 中等颗粒大小为独居石矿物(Ce, La, Nd)PO4, 细小颗粒集中区为磷灰石矿物(Ca5[PO4]3F)。 虽然独居石与磷灰石都为典型的磷酸盐矿物且具有相同磷酸根结构, 但由于外部金属阳离子的结合种类不同, 其拉曼峰位也不相同。 拉曼Mapping结合EDS分析矿物的赋存特征及分布规律关系为: 独居石呈板状或块状分布在重晶石与磷灰石中间或磷灰石与萤石矿物之间, 粒度约为50~120 μm。 重晶石矿物颗粒较粗呈块状集合体分布, 颗粒大小为50~200 μm, 常与独居石共生, 矿物颗粒紧密生长。 磷灰石呈细粒状或块状, 星散分布在独居石与重晶石周围, 类似侵染分布在萤石中。 少量磷灰石颗粒与独居石相互交代成不规则共生体, 大部分磷灰石呈单体分布在矿物之间。 萤石矿物中富集最多, 占比约55%, 与独居石、 重晶石、 磷灰石、 铁矿物伴生。 从赋存状态上判断形成时期应早于其他伴生矿物。 对矿物成因复杂, 共伴生矿物极多白云鄂博矿床。 EDS虽能分析矿物学基本关系, 但独居石与重晶石矿物中的能谱图部分重合。 是由于能谱扫描Ba, S与稀土元素Ce, La, Nd时激发能量线系太相近以及能谱分辨率较低。 利用Mapping成像技术对于矿物鉴定上具有简单、 可靠的优点, 可以弥补EDS分析误判拉曼Mapping为矿物学分析提供一种新的鉴别思路, 同时也为白云鄂博矿物的鉴定提供了参考性的拉曼光谱。
白云鄂博矿 稀土 独居石 拉曼成像 共伴生矿 Bayan Obo Rare earths Monazite Raman mapping Co-associated ore 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3776
1 内蒙古科技大学, 白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室,包头 014010
2 内蒙古科技大学理学院, 包头 014010
3 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010
利用矿渣制备微晶玻璃是提高矿产资源利用率的主要形式之一。本文以白云鄂博尾矿为原料, 采用微波一步法制备了CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)系辉石相矿渣微晶玻璃。选择835 ℃作为晶化温度, 研究了微波加热对微晶玻璃析晶行为和微观组织的影响。以La2O3作为研究变量探讨了La2O3添加对矿渣微晶玻璃析晶行为的作用。与传统的热处理制度相比, 微波加热可以在较短的时间内达到较高的析晶效果。同时La2O3的添加促进了晶粒细化。由拉曼光谱分析, La离子添加会导致玻璃网络中桥氧的增多, 促进了辉石相析晶。在La的添加量为4%(质量分数)时硬度最高, 达到了829.22 MPa。
白云鄂博尾矿 微波法 矿渣微晶玻璃 氧化镧 拉曼光谱 Bayan Obo tailing microwave method slag glass-ceramics La2O3 Raman spectroscopy
1 江苏海洋大学, 江苏 连云港 222005
2 中国科学院大连化学物理研究所甲醇制烯烃国家工程实验室, 辽宁 大连 116023
3 内蒙古科技大学内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室,内蒙古 包头 014010
拉曼积分球由光散射共焦激发收集系统和四直角反射镜增光程系统组成。光散射共焦激发收集系统由N套共焦点的拉曼散射信号收集光具组组成, 可以将散射向共焦点的光具组的拉曼信号收集后集中传输向一个方向, 提高拉曼散射信号收集立体角度N倍; 四直角反射镜增光程系统由4个直角反射镜组成, 将激发光形成互相平行的空间立体光路, 并且经收集光具组聚焦于光散射共焦激发收集系统的焦点, 从而提高激发光功率的使用效率。应用于气体检测可以实现对气体分子的多成分、低浓度、原位、快速、无损、无接触的定性、定量分析。
拉曼积分球 气体分子 定量分析 Raman Integrating Sphere Gas molecular Quantitative analysis
1 江苏海洋大学电子工程学院, 江苏 连云港 222005
2 内蒙古科技大学内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
3 内蒙古科技大学理学院, 内蒙古 包头 014010
拉曼光谱作为一种激发光谱, 采用激光作为激发光源, 在气体检测中可以激发所有气体分子的拉曼信号。 由于气体的分子密度低、 透光度高、 拉曼散射截面小, 导致激发光能量的利用效率低； 拉曼信号散射向四周立体空间而常规收集方法只能收集较小的空间立体角, 从而造成检测限较差而不能广泛应用于气体的检测。 提出了一种拉曼直角反射共焦腔用来提高气体等透明样品的拉曼检测的检测灵敏度。 拉曼直角反射共焦腔利用直角反射镜将入射光反射回原方向但是光路具有空间偏移的特点, 采用两个相对放置、 互相平行的直角反射镜, 将光束直径为0.7 mm的激光在工作直径为25.4 mm的共焦腔内10次来回反射, 并采用共焦点相对放置的两个透镜将激发光聚焦到焦点, 从而提高激发光能量的使用效率。 拉曼散射向激光传输方向的信号被直角反射镜反射向原方向, 经过透镜聚焦到焦点后和拉曼散射向激光入射方向的信号一起经过长通滤光片后传输向拉曼光谱仪, 从而提高了拉曼散射信号的收集效率。 以空气作为测试对象进行实验, 300 s内可以获得清晰的CO2的拉曼光谱和N2, O2的精细拉曼光谱并对其强度比进行了分析, 其中N2的2 332 cm-1, O2的1 557 cm-1, CO2的1 388 cm-1的拉曼峰的峰高比是785∶257∶1。 拉曼直角反射共焦腔在常规拉曼散射激发收集光路的基础上增加了两个直角反射镜和一个聚焦镜, 具有体积小, 结构简单, 易于调节的特点。 拉曼散射向周围空间的信号强度分布与入射光的入射方向有关, 在沿入射光方向及其相反方向散射信号强度最大, 拉曼直角反射共焦腔设计的收集散射信号的角度与散射信号强度分布最强方向一致, 并且利用了光学景深的优势, 最大化的提高了拉曼散射信号收集效率。 拉曼直角反射镜腔可以拓展拉曼光谱技术在气体检测中的应用, 例如用于气相化学反应的原位监控、 发动机燃烧过程及排放物检测、 未知污染物气体分析等气体成分复杂的领域。
直角反射共焦腔 拉曼光谱 气体检测 Right angle reflection cavity Raman spectroscopy Gas detection
1 内蒙古科技大学内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
2 内蒙古科技大学理学院, 内蒙古 包头 014010
利用ZL-10型全自动界面张力仪(柏金环法)和NDJ-5S型数显粘度计测量体积分数为5%～100%的二甲基亚砜(DMSO)水溶液及超纯水, 得到表面张力和粘度的变化规律。 用拉曼光谱仪测量不同浓度DMSO水溶液的拉曼光谱, 得到体系中含氢键作用的拉曼频移变化规律。 实验结果表明, DMSO水溶液的表面张力随浓度的变化受DMSO水溶液中氢键作用的影响, 且与氢键强度成反相关。 DMSO与水的氢键作用对粘度的影响较表面张力更为复杂, 粘度随浓度的变化呈二次函数的反常现象, 影响因素包含氢键强度, 氢键网络结构和空间方向性多个方面。 该研究探索一种利用拉曼光谱研究水溶液微观结构与宏观物理性质关系的实验方法。
水溶液 氢键 拉曼光谱 表面张力 粘度 Aqueous solution Hydrogen band Raman spectroscopy Surface tension Viscosity 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2778
1 吉林大学物理学院, 相干光与原子分子光谱教育部重点实验室, 吉林 长春 130012
2 内蒙古科技大学, 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
水是生活中一种最基本且最重要的物质, 由于它的一些奇特性质和反常物性, 得到了广泛的研究, 而拉曼光谱是研究水分子结构的一种非常合适的方法, 它通过获得分子的振动和转动信息来理解分子结构和分子间的相互作用。 在常压下测量了-20～-190 ℃温度范围内冰Ih相的表面薄层的拉曼光谱, 实验结果发现随温度降低, 冰Ih相的O∶H范德瓦尔斯键向高波数方向移动, 而O—H极性共价键向低波数方向移动; 且拉曼频移与温度呈线性关系, 通过对不同振动模式的斜率进行比较, 判断其键长的伸缩变化关系, 从而证明了冰Ih相密度随温度的减小而增大, 采用氢键理论（结构）给予了解释。 同时, 发现在-150 ℃时, O—H键反对称伸缩振动模式和O∶H键振动模式的拉曼峰强发生了突变, 这表明冰Ih相发生了相变——冰Ⅺ相（冰Ih的质子有序相）。
拉曼光谱 氢键 冰Ih相 密度 相变 Raman spectra Hydrogen bond Ice Ih Density Phase transition 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1683
1 内蒙古科技大学内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
2 郑州大学材料学院, 河南 郑州 450052
利用白云鄂博矿资源废弃物中有价元素以共伴生形成存在的特点制备了高性能的矿渣纳米晶玻璃陶瓷.本文采用电感耦合等离子发射光谱(ICP)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)等测试方法对样品的成分和结构进行了深入分析.ICP和XRD、SEM实验结果表明,我们制备的玻璃陶瓷是主晶相为透辉石,晶粒尺寸在45~100nm范围含稀土元素的纳米晶玻璃陶瓷,SEM面扫所显示的元素与ICP成分分析结果较为一致.Raman分析表明,其非晶相主要由具有不同非桥氧键的硅氧四面体结构单元构成的三维网络结构,进一步分析发现稀土微量元素对网络结构有十分明显的影响.我们把矿渣纳米晶玻璃陶瓷与相似成分的玻璃陶瓷的拉曼光谱对比,发现矿渣纳米晶玻璃陶瓷的拉曼谱带普遍比玻璃陶瓷对应的拉曼谱带波数低.相似成分的玻璃陶瓷与矿渣纳米晶玻璃陶瓷的成分差别主要是稀土元素等微量元素.本文的研究方法为研究玻璃陶瓷的成分与结构、性能之间的关系提供了一种研究思路.
纳米晶玻璃陶瓷 拉曼光谱 微观结构 稀土元素 Nanocrystal glass ceramics Raman spectroscopy Microstructure Rare earth elements 光谱学与光谱分析
2015, 35(8): 2316
