一种快速准确表征石灰乳化学反应活性的方法与流程

本发明涉及化学检测领域，具体是一种快速准确表征石灰乳化学反应活性的方法。

背景技术：

1、石灰乳一般是指氢氧化钙分散于水相中形成的强碱性悬浊液，因其制备简单、碱基密度高、酸碱中和比容大、安全环保性能优异，广泛应用于无机化工材料合成、三废治理、危化品应急处置、土壤修复、文物古迹修复以及医疗卫生等众多领域。

2、在大量应用实践中，人们发现石灰乳的某些性能对下游应用效果有着决定性的影响。例如，在湿法脱硫中，不同产地、生产商或者生产工艺所得的石灰乳脱硫效率有着非常巨大的差异；又例如，在同等工艺条件下对不同批次石灰乳进行碳酸化制备轻质碳酸钙，不仅反应时间经常出现显著差异，产品粒子大小、形貌以及分散性也时常出现非预期的“异常”。上述反常现象在生产应用中反复出现，说明已经难以用纯度、浓度、碱度等常规理化参数的差异性来解释，或者评判石灰乳的性能优劣，亟待寻找一个新的物理参数或者概念来解释这一切。

3、随着应用研究的深入，石灰乳活性的概念逐渐形成，上面这些反常现象也得到了很好的解释：石灰乳活性高，化学反应速率加快，对于瞬时发生的反应，有效参与反应的物料增多，表现为反应时间缩短，原料利用率提高等；对于碳酸钙等产品的结晶过程，反应时间和离子界面扩散速率直接影响产物的微观形态大小和空间分布，进而对一些宏观性能产生影响。此后，基于活性这一概念的理解，一些石灰乳活性的测定方法陆续被开发出来。

4、中国专利文献cn102928478a于2013年月12日中公开了“一种石灰乳活性度快速测定方法”，该方法是采用电导率测试仪，将电导电极和温度传感器置于待测定石灰乳样品的600—800ml烧杯中，并烧杯中加入200—400ml的去离子水，用小规格移液管或一次性采样吸管吸取2—5ml石灰乳测定样品快速加入烧杯中。控制测定温度在20—30℃之间，每次测定温度误差±1℃，并开始用秒表计时，在10—30秒时间段任选一个时间点作为读数时间，记录其电导率值。该类技术方案(简称电导率直测法)以电导率值表征石灰乳的活性度，最大优点是简单易行，方便快捷。

5、随着生产实践应用的发展，电导率直测法固有的缺陷逐渐显现：

6、1)测试精确度低、现实指导性差。电导率只能体现一定量石灰乳释放出的导电性离子数量或者浓度，并不能全面反映石灰乳活性。包括发明人在内的业内人士普遍认为，石灰乳活性评价应至少包含石灰乳的分散性、溶解性、离子容量和扩散速率四个维度。

7、2)抗杂质离子干扰性弱，测试值容易失准或失真。工业生产中为达到改善分散或提高转化率等目的，时常会在煅烧或石灰消化过程添加化学试剂(产生导电离子或基团)。杂质离子对石灰乳电导率有直接贡献，但对石灰乳活性并无确定性影响，因此电导率法无法满足盲测的需要。

8、上述缺陷造成采用现有技术方法测定石灰乳活性，对相关技术应用领域及主要化学反应过程的理论预测性和现实指导性欠佳。例如，碳化法合成碳酸钙的生产实践中，采用电导率直测法根据电导率数值高低优选出的高活性石灰乳，在同等工艺条件下却表现出“反常现象”：碳化反应时间长，反应速率低，碳酸钙比表面积小、沉降体积低、粒径分布宽泛等，不符合高活性石灰乳的预期碳化结果。

技术实现思路

1、基于以上问题，本发明提供一种快速准确表征石灰乳化学反应活性的方法，解决了在现有技术条件下生产应用场景中石灰乳活性表征方法准确度低、抗干扰性差、缺乏科学理论支撑，对相关技术应用领域及主要化学反应工艺过程的指导性不强的技术难题。

2、为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案：一种快速准确表征石灰乳化学反应活性的方法，

3、使用了如下器材和材料：

4、样品杯；

5、检测杯；

6、连通管，横向连通样品杯和检测杯，作为液桥；

7、水；

8、滴管；

9、截止阀，设于连通管上；

10、电导率测定仪；

11、计时器；

12、步骤如下：

13、a：向检测杯和样品杯倒入适量水，打开截止阀使两侧液体连通，至液面没过连通管管口上沿并两侧齐平；

14、b：关闭截止阀，并记录检测杯的初始电导率值σ0；

15、c：用取样滴管吸取待测石灰乳少许，快速滴加入样品杯内；同时打开截止阀和计时器；

16、d：每隔一个计时单位记录检测杯内液相的瞬时电导率σi；

17、e：持续记录，直至电导率数值趋于稳定，不发生显著增减(±0.1μs/cm)后，电导率测定仪读数记录结束；

18、f：将数据输入表格生成扩散电导率——时间曲线，并通过曲线覆盖面积对石灰乳样品的活性进行表征和评价。

19、作为优选，样品杯和检测杯为同型号规格。

20、作为优选，连通管为水平向延伸的直管，内壁光洁，长度为10～20cm，两端分别伸入样品杯和检测杯的中心。

21、作为优选，截止阀设于连通管的中部。

22、作为优选，截止阀为快开式截止阀。

23、作为优选，步骤a中使用的是去离子水。

24、作为优选，电导率测定仪的电极紧贴连通管的检测杯端开口。

25、作为优选，开始步骤b之前，样品杯、检测杯及连通管均放入水浴锅中，恒温至25℃±0.5℃。

26、作为优选，步骤c中，采用超声波设备对样品杯内的石灰乳的分散、溶解和解离过程进行强化。

27、作为优选，步骤c中，待测石灰乳加入量为使样品杯内达到氢氧化钙亚饱和状态的用量。

28、作为优选，步骤d中的计时单位在15秒至45秒之间。

29、作为优选，步骤f中采用扩散电导率——时间曲线覆盖面积对石灰乳样品的活性进行表征和评价。

30、本方案设计的快速准确表征石灰乳化学反应活性的方法，其理论依据是：石灰乳在相关应用领域一般作为反应物在液相中参与物理化学反应，影响其反应速率和反应效果的主要因素有两个：一是量，即单位液相体积中氢氧化钙颗粒的有效数量(或者解离出的碱基oh－数量)；二是质，即氢氧化钙颗粒的比表面积和界面活性。电导率直测法可以较好反映单位体积石灰乳中导电性离子(包含ca2+、oh－、mg2+、na+、cl－以及h3o+等)数量，但是无法衡量其迁移速率或者反应活性。静态扩散速率可以较好表征液相中水溶性离子的反应活性，却无法体现石灰乳的总体反应活性。为此，本方案将静态扩散速率与电导率直测法相结合，通过测定石灰乳静态扩散过程中的电导率的变化率来表征石灰乳化学反应活性，解决了现有技术难以克服的问题。本方案的技术优势是，理论依据清晰充分；对石灰乳活性的表征准确度高、抗干扰性强(测量温度、石灰乳浓度、杂质含量以及添加剂等干扰因素得到抑制或弱化)；更为关键的是本方案表征出的石灰乳活性高低与下游应用的相关性更强，更具有现实指导意义。

31、具体看，本方案采用了双杯检测的办法，其中一个为样品杯，另一个为检测杯，两杯之间以水平向的连通管横向连接，起到了扩散液桥的作用，液面齐平，以尽量消除液位差带来的测量差异。连通管上安装了截止阀以便快速通、断操作。使用去离子水等，以消除电导率测定仪检测取值的背景噪音。

32、向样品杯内快速滴入待测少许石灰乳，如果每个烧杯中的水为500毫升，则待测石灰乳建议为2、3毫升为宜。滴入前，用电导率测定仪测定检测杯内的初始电导率。滴入后，石灰乳中的导电性离子即开始在样品杯内扩散。此时打开截止阀，样品杯内的石灰乳石灰乳(包含氢氧化钙微颗粒以及解离出的离子)在极其微弱的液压作用下，通过液桥向检测杯发生静态迁移扩散，产生不同的电导率数值，并被电导率测定仪捕捉和记录下来形成当前电导率。当前电导率相比初始数值的增加量，即表征为由石灰乳扩散带来的导电性离子的数量和活性。时间越短、导电性离子越多，则表征待检测石灰乳的化学反应活性越好。

33、当待检测石灰乳的扩散效果趋于尾声，在电导率数值趋于稳定，不发生显著增减(±0.1μs/cm)后，记录结束。也可以简单的以开始计时后满600秒为结束时间。

34、将以上的数据以图表的形式绘出，横坐标为时间，纵坐标为电导率值，即得到了一份待测石灰乳样品的扩散电导率——时间曲线图(面积法)，如图2所示。

35、使用面积法的石灰乳化学活性(reactivity)计算公式为：

36、

37、yi＝σi-σ0，(i＝1,2...)

38、式中，

39、r——石灰乳反应活性，单位是μs·s/cm；

40、σi——石灰乳静态扩散过程的瞬时电导率，单位是μs/cm；

41、σ0——石灰乳静态扩散前的初始电导率(或背景电导率)，单位是μs/cm；

42、x——石灰乳静态扩散的电导率记录时间间隔，单位是s。

43、计时单位的取值越小，图中的曲线光滑度越高，基于积分法计算出的覆盖面积越精确，但观察记录工作量也会成倍增大。为了兼顾测试精确度和观察记录的可操作性，优选计时单位为30秒，即每隔30秒记录一次电导率值。

44、取值的数量建议满足i≥15。在选定计时单位的情况下，增加记录次数意味着观测时间延长，绘制出的电导率-时间曲线更完整，更能反映静态扩散过程全貌，石灰乳反应活性的测试与评价更为客观。

45、在此基础上，也可以用如图3所示的简便计算方法。

46、使用近似面积法的石灰乳化学活性(reactivity)计算公式为：

47、

48、式中，

49、r——石灰乳反应活性，单位是μs·s/cm；

50、σmax——石灰乳静态扩散的电导率峰值(一般为终点)，单位是μs/cm；

51、σ0——石灰乳静态扩散前的初始电导率(或背景电导率)，单位是μs/cm；

52、t——石灰乳静态扩散总时间，单位是s。

53、综上所述，本方案的有益效果是：测定装置简单、结果表征精确、操作简便快捷、具有较高抗干扰性和重现性，能够更客观得评价石灰乳的反应活性，对下游相关领域以及应用场景的指向性和指导作用更大。