pH、雜質(zhì)及溶液流速對二水甲酸鍶晶體生長速率的影響.docx

1、第20卷第2期1991年5月人工晶體學(xué)報journalofsyntheticcrystalsVol.20,No.2May,1991pH、雜質(zhì)及溶液流速對二水甲酸錮晶體生長速率的影響*林景臻蔡忠燦（福州大學(xué)化學(xué)系，福州，3S0002）（潭州市環(huán)保局）««x本文研究了溶液pH值、雜質(zhì)離F*、A13+的濃度和溶液流速的變化與二水甲酸鐫晶體（SFD）的（110）、C0U）面生展速率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二水甲酸稀品洵生長速率巒晶體和溶液相對運(yùn)動下比相對靜止時要加快，晶面生長速率并不與溶液的流速成正比。美詢：二水甲酸鎧，PH,雜漁，生長速率EffectofpH,ForeignCati

2、onsinSolutionandtheFlowofSolutionontheGrowthRateofStrontiumFormateDihydrateCrystalLinJingzhen(DepartmentofChemistry.FuzhouUniversity,Fuzhou.350002)CaiZhongcan(ZhangzhouEnvironmentalProtectionBureau)Abstract.Atfirst,thestalinnarystereoscopicmicroscopewasusedtodeterminetheeffectofpHandforeigncations(C

3、rs*tFc3+,Ai3+)?nsolutiononthegrowthrateof(110)and(011)facesofstrontiumformatedihydrate(SFD)crystal,ThebestpHvalueforthegrowthofSFDhasbeenfound.Andthen,thedynamicstereoscopicmicroscopewasusedtodeterminetheeffectofthechangeoftheflowofsolutiononthegrowthrateofSFDcrystalfaces.Theexperimentshowsthatthegr

4、owthrateofSFDcrystalfacesaremuchfaster本文1990年6月1日收到.擂建省自然科學(xué)資金麻財項目.180人工晶體學(xué)報用20卷whenthecrystalandthesolutionareinrelativemotionthaninrelativestationaryaButthegrowthrateofthefacesisnotdirectlyproportionalt°theHowofsolution*Keyword%strontiumformatedihydratecrystal,pH,foreigncations,growthrate一、引言品

5、體生長機(jī)制取決于相界面結(jié)構(gòu)，晶體的最終形態(tài)是由晶體各醋面的相對生長速率所決定的。但是，外界因素，如雜質(zhì)、溫度.溶液濃度、酸度及溶液流速等，能改變晶體的彩態(tài)，影響晶體的生長速率。首先采用靜態(tài)體視顯微法測定了PH及雜質(zhì)離子（Cr“、Fe3AH+）對二水甲酸鋰（簡稱SFD）晶體生長速率的影響，找出生長SFD晶體的最佳pH值，然后采用動態(tài)體視顯微法測定了溶液流速的變化對SFD晶體生長速率的影響。二、pH對SFD晶體生長速率的影響靜態(tài)體視顯微法的實(shí)驗(yàn)裝置及測鼠方法參見文獻(xiàn)在303.15K下，純凈的SFD飽和溶液的pH值為7.7,用甲酸溶液調(diào)節(jié)SFD飽和溶液的不同pH值，分別配成pH值為7.0,6.5,6

6、.0,5.5,5.0,4.5和4.0等溶液，用上海第二分析儀器廠制造的pHS-2型酸度計準(zhǔn)確測定pH值。把配制的飽和溶液放在303.15K的怛溫槽中，并加攪拌。采用靜態(tài)體現(xiàn)顯微法分別測定不同pH值，過冷度分別為1.00K和2.00K時SFD晶體的生長速率，在同一過飽和度和pH值F，取三組測量的平行數(shù)據(jù)的平均值作為該條件F的線生長速率，平均值與三蛆測景的平圖1生長速率與PH的關(guān)系Figi,DependenceofgrowthratesofSFDcrystalfacesonpHvaluer圖1生長速率與PH的關(guān)系Figi,DependenceofgrowthratesofSFDcrystalfac

7、esonpHvaluer行數(shù)據(jù)誤差均在15%以內(nèi)。然后再通過下列關(guān)系式把沿*和z方向的線生長速率換算成沿（110）和（011）面的生長速率R,其中，R（110）=0.8546?！癛（011）=0.8600j圖1為不同過恂和度下各晶面生長速率與pH值之間的關(guān)系曲線。從圖1可以看出，當(dāng)溶液的pH值逐漸下降時（pH=7.7降至6.0）,<110）和（011）面的生長速率隨PH值的減少而增大，并且在pH=6,0附近達(dá)到最大值，當(dāng)pH值繼續(xù)降低到pH=5.5時，（110）和（011晶面的生長速率有所減小，隨后隨pH值的降低又有所增大，直到PH=5.O為止。當(dāng)pH值就續(xù)下降時（pH=5.0至4.0，

8、（110）和011）晶面的生長速率隨pH值的下降而減小。圖3面生長速率與Fo"離子濃謾之間的關(guān)系Fig.3.DependenceofgrowthratesofSFDcrystalfaceson+cationconcentrations25.(1011)15.0、j、11U'10%204060BO100G-"(ppm，第2期PH,雜質(zhì)及溶液流速對二水甲酸銷晶體生長速率的影響1質(zhì)由此可見，當(dāng)pH=6.0時，(110)和(011)晶面的生長速率都達(dá)到極大值，在這個條件下，晶體生長速率最快，外觀也較勻稱，所以PH=6.0是SFD品體生長的最隹條件。三、雜質(zhì)對SFD晶體生長速

9、率的影響下面我們用靜態(tài)體現(xiàn)顯微法測定SFD晶體在313.15K下，雜質(zhì)(CrsFe3Al")含量為10lOOppm的SFD飽和溶液中(110)和(0M)晶面的生長速率的變化。1. CW子濃度對SFD體生長速率的齡晌圖2為面生長速率與Cr"離子濃度之間的關(guān)系曲線，從圖2可以看出，在SFD單晶生長過程中，加入一定量的CP，離子雜質(zhì)，對各晶面生長速率的影響是不同的。R(110)隨著C"+離子濃度的增加而急劇減?。欢鳵(011)在1020ppmCr"離子濃度范圍內(nèi)有所增加，若繼續(xù)增加Cr，+離子濃度，R(011)就出現(xiàn)下降，當(dāng)Cr"離子濃度超過70pp

10、m時，7?(011)急劇下降。另外，衍"離子濃度超過40ppm時，沿+工和-工方向的晶面呈鋸齒狀。2. F/+H子液度對SFD體生長速率的贍響45.0:40.0135.0圖2面生長速率與Cr離子濃度之間的關(guān)系Fig.2.DependenceofgrowthratesofSFDcrystalfacesonCr3+cationconcentrations圖3為面生長速率與Fe"離子濃度之間的關(guān)系曲線，從圖3可以看出，在SFD單晶生長過程中，加入一定盤的Fe，離子雜質(zhì)，對各晶面生長速率的影響是不同的。R(110)隨著F5離子濃度的增加而減少，當(dāng)Fe"離子濃度達(dá)到20pp

11、m時，R(110)達(dá)到最低點(diǎn)，然后又隨FS離子濃度的增加而增加，當(dāng)Fe"離子濃度達(dá)到40ppm時達(dá)到最高點(diǎn)，當(dāng)F/,離子濃度繼續(xù)增加時，R(110)又下降，F(xiàn)e'，離子濃度在50lOOppm之間變化時，R(110)變化不大3R(011)先是隨F/卜離于濃度的增加而增加，到FT，離子濃度為loppm時達(dá)到最高點(diǎn)，然后隨Fe"離子濃度的增加而下降，到Fe，離子濃度為20ppm時達(dá)到最低點(diǎn)，當(dāng)F/,182182人工晶體學(xué)報第20卷Fig.4.DependenceofgrowthratesofSFDcrystalfacesonAI3+cationconcentrations

12、離子濃度繼續(xù)增加時，R(Oil)又有所增加，到F。"離子濃度為40ppm時達(dá)到第二個最高點(diǎn)，隨后又隨F/+離子濃度的增加布下降，F(xiàn)e'，離子濃度在50100ppm之間變化時，A(011)變化不大，這一點(diǎn)與&(110)相同，這可能是Fe"離子濃度超過50ppm時有痕ftFe<OH)3沉淀析出的緣故。3. A1，禹子濃度對SFD體生長速率的第響圖4為面生長速率與A1"離子濃度之間的關(guān)系曲線，從圖4可以看出，(110)隨著A1"離子濃度的增加而急劇下降，盡管在AH*離子濃度分別為2ppm和70ppm時略有增加,<011)隨著A1&q

13、uot;離子濃度的增加也是急劇下降的，當(dāng)A1"離子濃度達(dá)到60ppm時，&(011達(dá)到最低點(diǎn)，當(dāng)AW離子濃度繼續(xù)增加時,R(011)又有所增加，直到AN離子濃度為70ppm時達(dá)到最高點(diǎn)，隨后人(011)隨著A1"離子濃度的增加又急劇下降。四、溶液流速對SFD晶體生長速率的影響1.實(shí)驗(yàn)部分圖5實(shí)緊裝置圖Fig.5.Experimentalset-upformeasuringthegrowthrateofSFDcrystal1Thermostat,2,3Stirrer,4一Threeneckflask,5Squirmpump,6 Growthcell,7 XXTster

14、eoscopicmicroscope,8 Lightsource,9Airthermostat,10U1tratbermotat圖6生長測量搟裝置圖Fig.6.Growthcellintheexperimentalaet-Hpinfig.5.tWatertrough,2Solutiontrough3Threadingstaff,4Seedcrystal.5 Rubberwasher,6 Leadingwaterpipe,7 Leadingsolutionpipe.參考J.W.Mullin等人的做法隊"，設(shè)計了一套裝籠進(jìn)行動態(tài)體視顯微法測定晶體生長動力學(xué)的研究，見圖5。生長測量槽的側(cè)面

15、圖見圖6所示。183pH、雜質(zhì)及溶液流速對二水甲酸鍬品體生長速率的影響測信開始時，升高恒溫槽溫度比飽1的過冷度，籽晶便開始生長，空氣恒溫孕流量，測髭晶體在工和Z方向的尺寸變化,點(diǎn)高3K左右，籽晶棱角明顯變圓時，降溫到一定的溫度與生長測髭槽的溫度相同。調(diào)節(jié)不同的溶液每間隔1020分鐘測量一次。Qini!.ji圖7面生長速率與溶液流速的關(guān)系Fig.7.DependenceofgrowthratesofSFDcrystalfacesontheflowof»olation實(shí)驗(yàn)測得溶液的飽和點(diǎn)為314.15K,我們測量了過飽和度分別別T=2.00K和3.00K下，溶液流量為300ml/b,40

16、0ml/h>500ml/h和600ml/h時晶面生長速率。2.結(jié)果與討論圖8給出了SFD晶體的（110）和（011）晶面生長率正在過冷度分別為2.00K和3.00K下與溶液流量Q的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在流動法中晶面生長速率比在靜態(tài)法中快得多。當(dāng)流速達(dá)到400ml/h時，面生長速率達(dá)到最高值，隨后，晶面生長速率隨著溶液流速的增大而減小，這說明晶面生長速率并不是與溶液流速成正比的。五、結(jié)論1. PH=6.O是二水甲酸鍥晶體生長的最佳條件。2. 在二水甲酸鍥晶體生長過程中，加入一定量的Cr，+、Fe3AP+等雜質(zhì)離子，對各晶面生長速率的影響是不同的。3. CL，離子不僅能顯著地降低（11

17、0>面的生長速率，而旦能改變（110）面的形狀，但C/，離子對（011）面的生長影響較不明顯，只有當(dāng)Ci，離子濃度超過70ppm時，才顯著地降低（011）面的生長速率。4. Fe"離子顯著地降低了（110>晶面的生長速率，只有當(dāng)Fe"離子濃度為40ppm時例外j當(dāng)Fe3離子濃度分別為lOppm和40ppm時兩次顯著地提高（011）面的生長速率外，其余都是顯著地降低（011）晶面的生長速率。5. AP*離子能大大降低（110）和011）面的生長速率，唯一不同的是當(dāng)A1"離子濃度為70ppm時，（011）品面生長速率有較明顯的增加。6.SFD晶體的晶面生長速率在晶體和溶液相對運(yùn)動下比相對尊止