不溶物質成分解析研究

滕 鑫, 支東彥, 唐頌超, 錢 軍, 莊啟昕

(華東理工大學 材料科學與工程學院, 上海 200237)

不溶物質成分解析研究

滕 鑫, 支東彥, 唐頌超, 錢 軍, 莊啟昕

(華東理工大學 材料科學與工程學院, 上海 200237)

采用傅里葉紅外光譜儀分析了樣品A的特征官能團,采用能譜儀分析了樣品的成分,采用X射線衍射儀分析了樣品B的結構,采用掃描電子顯微鏡分析了樣品C的表面形貌。通過分析可知,3種未知固體樣品均為碳酸鈣,并都可能經過了一定的表面處理。不同的是,樣品A是方解石型碳酸鈣和文石類碳酸鈣的混合物,并含有少量聚電解質；樣品B為一般的方解石型碳酸鈣；樣品C為白云石和方解石型碳酸鈣的混合物。

物質分析； 未知物； 紅外光譜儀；能譜儀； X射線衍射

光譜技術是一種重要的鑒定物質結構的方法[1-5],它在未知物的解析上有著廣泛的應用,如產品結構和成分解析、未知雜質的定性定量分析等。其中,紅外光譜是最常見的方法之一[6-11]。由于很多官能團在紅外光譜上都有特殊的吸收峰,因此,紅外光譜可以準確地剖析未知物的成分。但是,對于無機物的分析,紅外光譜可能只能得到某些特殊的官能團,而不能將其歸屬到具體的物質上。因此還需要與其他分析方法聯用。能譜儀分析(EDS)[12]是鑒別無機物比較常用的一種方法,它可以對未知物進行元素分析,從而可以進一步確認該物質。此外,對于無機樣品除了分析其組成以外,還需要確定其結構。X射線衍射分析(XRD)[12-13]和掃描電子顯微鏡(SEM)[14]是結構研究的重要技術手段,在無機合成的研究中具有重要的應用。

本文通過紅外光譜、電子顯微鏡、能譜儀、X射線衍射儀分別對3個未知的固體樣品進行了分析,并互相印證,給出了定性的分析結果。

1 實驗

1.1 樣品來源

樣品來源于某企業(yè)委托,樣品外觀為白色顆粒狀。

1.2 實驗儀器

傅里葉紅外光譜儀(FTIR),Nicolet 5700；美國熱電公司能譜儀,QUANTAX 400-30；德國布魯克AXS有限公司X射線衍射儀,D/max2550 V；日本理學公司掃描電子顯微鏡,S-4800(日本),日本日立公司。

2 結果與討論

2.1 未知樣品A

2.1.1 FTIR分析

圖1是樣品A的傅里葉紅外譜圖。根據CaCO3的標準紅外譜圖可知[15],713.1 cm-1、873.3 cm-1和1083.3 cm-1是方解石型碳酸鈣的特征峰,分別對應碳酸鈣中O—C—O的面內彎曲振動、C—O面外彎曲振動、C—O的對稱伸縮振動；855.5 cm-1是文石型碳酸鈣的C—O面外彎曲振動峰(700左右應該有文石型碳酸鈣的O—C—O的面內彎曲振動峰)。說明樣品中可能含有方解石型碳酸鈣和文石型碳酸鈣。1475.1 cm-1是碳酸鈣的C—O反對稱伸縮振動峰,其與標準的碳酸鈣的C—O反對稱伸縮振動峰1421 cm-1相比,出現了54.1 cm-1的藍移,說明該碳酸鈣中加入了一定的物質導致了碳酸鈣晶體發(fā)生晶格畸變。2516.5 cm-1是713.1 cm-1,873.3 cm-1和1475.1 cm-1疊加出現的峰；2974.6 cm-1是甲基的特征峰,說明該樣品中含有有機物,樣品可能經過了一定的表面處理。但是表面處理劑含量太少,難以確定其成分。

圖1 樣品A的傅里葉紅外譜圖

2.1.2 EDS分析

樣品A的EDS分析結果見表1，表中At表示原子數比。

表1 樣品A的EDS分析

從表1可以看出,樣品A中含有O、Ca、C、Cl、Mg 5種元素,其中元素Ca、C、O的原子比為1∶1∶3,結合樣品的紅外表征可以確定樣品的主要成分為碳酸鈣,并含有少量的碳酸鎂和氯化物。對比紅外光譜,還能說明紅外光譜中的藍移現象可以能是因為存在了氯化物,即聚電解質。

2.1.3 XRD分析

XRD常用于未知樣品中無機物的分析和檢測。圖2是樣品A的XRD譜圖。其中 23(012)、29(104)、36(110)、39(113)、43(202)、47.5(018)、48.5(118)是典型的方解石的晶體結構的衍射峰,說明樣品A中含有方解石型碳酸鈣。但是圖中除了上述衍射峰以外,還有其他峰,說明該碳酸鈣可能不止含有方解石型碳酸鈣,結合紅外可知該樣品可能為碳酸鈣各種晶型的混合物。

圖2 樣品A的XRD譜圖

2.1.4 SEM分析

用掃描電子顯微鏡觀察到該固體樣品的形貌如圖3所示。由圖3可以看出，此樣品主要為長棒狀晶體,長度在2 μm左右,直徑在200～500 nm左右,其長徑比在4～10之間。此外本樣品中含有很少量的塊狀無形貌晶體。

圖3 樣品A的SEM圖片

經過上述分析,可以判斷樣品A是長棒狀的方解石型碳酸鈣和文石型碳酸鈣的混合物。該混合物中存在少量的聚電解質(MgCl2或CaCl2),說明該混合物可能是在聚電解質環(huán)境下生成的。此外,該混合物還可能經過了表面處理。根據常識,表面處理劑可能是硅烷偶聯劑或者是硬脂酸。

2.2 未知樣品B

2.2.1 FTIR分析

圖4是樣品B的紅外譜圖，712.4 cm-1、875.8 cm-1和1 425 cm-1是方解石型碳酸鈣的特征峰,2 513.4 cm-1是712.4 cm-1、875.8 cm-1和1 425 cm-1疊加出現的峰,說明此樣品中含有方解石型碳酸鈣；2 874.4 cm-1是甲基的特征峰,說明樣品中含有有機物,樣品可能經過了一定的處理。

圖4 樣品B的紅外譜圖

2.2.2 EDS分析

樣品B的EDS分析結果見表2。

表2 樣品B的EDS分析

由表2可以看出，樣品B中含有O、Ca、C、Mg 5種元素，其中元素Ca、C、O的原子比為1∶1∶3,結合樣品的紅外表征可以確定樣品的成分主要為碳酸鈣(鎂只占很少一部分)。

2.2.3 XRD分析

圖5是樣品B的XRD譜圖。由圖5可以看出，樣品B的出峰位置除30.68°處外,其余出峰位置均與方解石型碳酸鈣的出峰位置完全吻合,說明樣品B主要為方解石型碳酸鈣。

圖5 樣品B的XRD譜圖

2.2.4 SEM分析

圖6是樣品B的SEM圖片。由圖6可以看出，樣品為無形貌的晶體，樣品尺寸不均一,一般大于1 250目,多集中在2 500～12 500目之間。經過上述分析,可以判斷樣品B為無形貌的經過表面處理的方解石型碳酸鈣。

圖6 樣品B的SEM圖片

2.3 未知樣品C

2.3.1 FTIR分析

目前，在國外高校旅游管理專業(yè)當中，瑞士洛桑酒店管理學院、美國康奈爾大學酒店學院的實踐教學發(fā)展較好。這兩所學校都是為專門培養(yǎng)旅游管理人才所設，成立時間早，辦學經驗豐富。兩所學校當中實踐所占比重都在50%以上，理論教學與實踐教學交叉進行，發(fā)揮辦學特色，注重培養(yǎng)學生的管理實踐能力，培養(yǎng)高素質實踐能力強的管理人才[1]。同時配套有國際標準的實訓場所、實踐基地及合作企業(yè)，師資力量雄厚，專業(yè)能力強。

圖7是樣品C的紅外譜圖。圖中713.2 cm-1、880 cm-11和1 447.1 cm-1是方解石型碳酸鈣的特征峰,2 522.9 cm-1是713.2cm-1、880 cm-1和1 447.1 cm-1疊加出現的峰,說明此樣品中肯定含有方解石型碳酸鈣；2 897.0 cm-1是亞甲基的特征峰,說明樣品中含有有機物,樣品可能經過了一定的處理。

圖7 樣品C的紅外譜圖

2.3.2 EDS分析

樣品C的EDS分析見表3。

表3 樣品C的EDS分析

由表3可以看出,樣品B中含有O、Ca、C、Mg 4種元素,Ca、Mg、C、O的原子比為1∶1∶1∶3,結合該樣品的紅外表征，可以確定樣品含有碳酸鈣和碳酸鎂。

2.3.3 XRD分析

圖8是樣品C的XRD譜圖。由圖8可以看出，樣品C的XRD譜圖中包含白云石(CaMg(CO3)2)的所有出峰,所以樣品中含有白云石,而此樣品的XRD譜圖中其余的出峰位置又被碳酸鈣的方解石晶型出峰位置所包含,所以該樣品中還可能含有方解石型碳酸鈣。

圖8 樣品C的XRD圖譜

2.3.4 SEM分析

圖9是樣品C的SEM圖片。由圖8可以看出，樣品C為無形貌的晶體，樣品尺寸不均一,一般大于1 250目,多集中在4 000～12 500目之間,該樣品的平均尺寸要比樣品2的小。

圖9 樣品B的SEM圖片

經過上述分析,可以判斷樣品C為無形貌的經過表面處理的白云石和方解石型碳酸鈣的混合物。

3 結論

本文通過紅外光譜確定了3種未知的不溶解固體樣品的主要基團都為碳酸鈣,然后通過EDS進一步確定了其所含的各種元素,隨后通過XRD確定了這3種碳酸鈣樣品的結構和種類,并發(fā)現其與紅外光譜中得到的結果基本一致,說明紅外光譜也可作為研究碳酸鈣類材料不同晶型的一種有效的手段。最后,本文還通過SEM觀察了該未知樣品得形貌。研究結果表明，樣品A是方解石型碳酸鈣和文石類碳酸鈣的混合物,樣品B是方解石型碳酸鈣,樣品C是白云石和方解石型碳酸鈣的混合物。說明FTIR、EDS、XRD和SEM的聯用是一類很好的分析未知固體樣品的檢測聯用方法。

References)

[1] 張雪芹，趙明，劉瀅.儀器分析技術在未知物鑒定上的應用[J].光譜實驗室，2001，18(4)：539-541.

[2] 李俊平,路曉娟,劉秉愛,等.一種未知膠粘劑的剖析[J].化學分析計量,2012,21(2):78-80.

[3] Matchett M W, Berberich D W, Johnson J E. Characterization of an unknown component in Noscapine using liquid chromatography-mass spectrometry and proton nuclear magnetic resonance spectroscopy[J].Journal of Chromatography A, 2001,927(1/2):97-102.

[4] 王磊,程傳格,江婷,等.未知物剖析方法思路體系的提出及應用[J].山東教育學院學報,2006,21(1):94-97.

[5] 林鴻波.未知物組分剖析:方法思路及最新應用[J].化學分析計量,2013,22(3):105-108.

[6] 周穎.紅外光譜在未知物分析方面的若干應用[M].沈陽:遼寧師范大學出版社,2008.

[7] 高麗萍.紅外光譜儀分析未知物的方法[J].太化科技,1996(3):34-35.

[8] 張杰.傅立葉變換紅外光譜法剖析未知結垢物[J].云南化工,2006,33(1):51-52.

[9] 王新洲.一些未知化合物的檢驗方法[J].克拉瑪依學刊,1998(1):75-77.

[10] 張博麗.MES產品中未知成分的分析探討[J].中國洗滌用品工業(yè),2012(2):80-81.

[11] Reig F B, Gimeno Adelantado J V, Peris Martnez Martínez V, et al. Doménech Carbó FT-IR quantitative analysis of solvent mixtures by the constant ratio method[J].Journal of Molecular Structure,1999,481:529-534.

[12] 徐玉林,徐明波,楊水金.XRD在無機合成中物相分析的應用[J].湖北師范學院學報:自然科學版,2013,33(4):40-46.

[13] 陳浩,周連福.XRD定量相分析方法及其在湖泊沉積研究中的應用[J].鹽湖研究,2013,21(4):60-66.

[14] 王坤陽,徐金沙,饒華文,等.掃描電鏡-X射線能譜儀在丹巴地區(qū)鉑族礦物物相特征分析中的應用[J].巖礦測試,2013,32(6):924-930.

[15] 郝海燕,沙愛龍,吳婧,等.3種制備碳酸鈣粉體方法的紅外比較研究[J].河南師范大學學報:自然科學版,2011,39(1):131-133.

Study of insoluble substances’ component analysis

Teng Xin, Zhi Dongyan, Tang Songchao, Qian Jun, Zhuang Qixin

(School of Materials Science and Engineering， ECUST,Shanghai 200237,China)

By using Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR),the special functional groups of the insoluble substances can be obtained. By using the energy dispersive spectrometer (EDS),X-ray diffraction analysis(XRD), and the scanning electron microscopy(SEM),the component,structure and surface morphology of samples can be got respectively.By studying,all the three samples are solid calcium carbonate and are modified on the surface.The difference is that the sample A is a mixture of aragonite-type calcium carbonate and calcite-type calcium carbonate which contains some polyelectrolyte.Sample B is the common calcite-type calcium carbonate.Sample C is a mixture of dolomite and calcite-type calcium carbonate.

component analysis; unknown substance; infrared spectroscopy; energy dispersive spectrometer; X-ray diffraction

2015- 03- 11

滕鑫(1980—)，男，上海，博士，高級實驗師，現主要從事高分子材料以及應用化學方面的研究

E-mail：tengxin@ecust.edu.cn

莊啟昕(1971—)，男，上海，博士，教授，現主要從事高分子化學、分析測試的研究.

E-mail：qxzhuang@ecust.edu.cn

O657

A

1002-4956(2015)9- 0042- 04