Abstract

L’influence de l’activité du sulfate de calcium dihydraté (CaSO4-2H2O) sur la formation hydrothermale de trichites de CaSO4-0,5H2O a été étudiée dans cet article, en utilisant le CaSO4-2H2O commercial comme matière première. Les résultats expérimentaux ont indiqué que l’activité du CaSO4-2H2O était améliorée après la calcination du CaSO4-2H2O commercial à 150°C pendant 6,0 h, suivie d’une hydratation à température ambiante pendant 1,0 h, correspondant à la diminution de la taille des particules agglomérées de 29,7 μm à 15,1 μm, à l’augmentation des surfaces spécifiques (BET) de 4,75 à 19,12 et à la taille des grains de 95 nm à 40 nm. Le CaSO4-2H2O actif produit par le traitement de calcination-hydratation a favorisé la dissolution hydrothermale du CaSO4-2H2O, favorisant la formation de trichites de sulfate de calcium hémihydraté (CaSO4-0,5H2O) avec des rapports d’aspect élevés.

1. Introduction

La synthèse de trichites de sulfate de calcium (CaSO4) avec des rapports d’aspect élevés et une morphologie homogène a attiré beaucoup d’attention ces dernières années car ils peuvent être utilisés comme les matériaux de renforcement dans de nombreux domaines comme les plastiques, les céramiques et la fabrication du papier, et ainsi de suite .

Les trichites de CaSO4 ont été généralement préparées par formation hydrothermique des trichites de CaSO4-0,5H2O à partir du précurseur CaSO4-2H2O, suivie d’une calcination des trichites de CaSO4-0,5H2O à des températures élevées. Wang et al. ont préparé des trichites de CaSO4-0.5H2O avec un rapport d’aspect de 5-20 à 115°C, en utilisant le gypse naturel comme réactif. Wang et al. ont constaté que l’utilisation du précurseur CaSO4-2H2O superfine était essentielle pour la formation de trichites CaSO4-0,5H2O de petits diamètres et ont préparé des trichites CaSO4-0,5H2O d’un diamètre de 0,19 μm et d’un rapport d’aspect de 98 via la conversion hydrothermique du gypse finement broyé avec une taille agglomérée inférieure à 18,1 μm à 120°C . Xu et al. ont préparé des trichites de CaSO4-0,5H2O avec une longueur de l00-750 μm et un diamètre de 0,1-3 μm à 110-150°C à partir du gypse de désulfuration composé principalement de CaSO4-2H2O (93,45 % en poids) et de CaCO3 (1,76 % en poids) , en utilisant H2SO4 pour changer l’impureté CaCO3 en CaSO4-2H2O actif. Yang et al. ont préparé des trichites de sulfate de calcium de 50-450 μm par traitement hydrothermique du gypse de désulfuration à 130°C pendant 1,0 h en présence de K2SO4 . On a remarqué que la plupart des travaux antérieurs ont montré que l’utilisation du précurseur actif CaSO4-2H2O favorisait la formation hydrothermale de trichites CaSO4-0,5H2O avec des rapports d’aspect élevés.

Dans cet article, une méthode de réaction hydrothermale facile de calcination-hydratation a été développée pour synthétiser le précurseur actif CaSO4-2H2O à partir du CaSO4-2H2O commercial et pour produire les trichites CaSO4-0,5H2O avec des rapports d’aspect élevés en condition hydrothermale. Les influences de la calcination et de l’hydratation sur la morphologie et la structure du précurseur CaSO4-2H2O ainsi que sur la morphologie des trichites CaSO4-0,5H2O ont été étudiées.

2. Expérimental

2.1. Procédure expérimentale

Le CaSO4-2H2O commercial de qualité analytique a été utilisé comme matière première dans les expériences. Le CaSO4-2H2O a été fritté à 150°C pendant 3,0-6,0 h, puis mélangé avec de l’eau désionisée pour maintenir le rapport pondéral du solide à l’eau à 1,0-5,0 % en poids. Après avoir été agitée (60 r-min-1) à température ambiante pendant 1,0 h, la suspension contenant 1,0-5,0 % en poids de CaSO4-2H2O a ensuite été traitée dans un autoclave à 135°C pendant 4,0 h. Après le traitement hydrothermique, la suspension a été filtrée et séchée à 105°C pendant 6,0 h.

2.2. Caractérisation

La morphologie des échantillons a été détectée avec le microscope électronique à balayage à émission de champ (JSM 7401F, JEOL, Japon). Les structures des échantillons ont été identifiées par le diffractomètre à rayons X sur poudre (D8 advanced, Brucker, Allemagne) en utilisant le rayonnement Cu Kα . Les tailles des particules agglomérées des échantillons ont été analysées avec l’analyseur de particules laser (Micro-plus, Allemagne). Les Ca2+ solubles et ont été analysés par titrage EDTA et spectrophotométrie au chromate de baryum (modèle 722, Xiaoguang, Chine), respectivement.

3. résultats et discussion

3.1. Formation de CaSO4-2H2O actif via la voie de calcination-hydratation

La morphologie et les diagrammes XRD de la matière première (a), de l’échantillon de calcination (b) et de l’échantillon d’hydratation (c) sont présentés dans les figures 1 et 2, respectivement. La matière première CaSO4-2H2O était composée des plaques irrégulières (une longueur de 1,5-20,0 μm et une largeur de 3,5-10,0 μm) et des particules (un diamètre de 0,5-5,5 μm). Après le traitement de calcination à 150°C pendant 6,0 h, la matière première CaSO4-2H2O a été transformée en plans rectangulaires irréguliers CaSO4-0,5H2O d’une longueur de 1,0-10,0 μm et d’une largeur de 0,2-3,0 μm. L’hydratation du CaSO4-0,5H2O à température ambiante a conduit à la formation de plans rectangulaires irréguliers CaSO4-2H2O d’une longueur de 1,0-5,0 μm et d’une largeur de 0,1-2,0 μm. Les données de la figure 2 ont montré que les intensités des pics XRD de la courbe étaient plus faibles que celles de la courbe , ce qui révèle que le traitement de calcination-hydratation a favorisé la formation de CaSO4-2H2O de faible cristallinité. La taille des grains de la matière première, de l’échantillon de calcination et de l’échantillon d’hydratation a été estimée à 94,9 nm, 37,5 nm et 39,5 nm, respectivement, sur la base des pics (020) situés à ° et de l’équation de Scherrer : , où , , , et représentent respectivement la taille du grain, la longueur d’onde du Cu Kα (1,54178 Å), la largeur totale à mi-hauteur (FWHM) et la constante de Scherrer .

(a)

(b)

(c)

.
(a)
(b)
(c)

Figure 1

Morphologie de la matière première (a), calcination (b), et calcination-hydratation (c) échantillons.

Figure 2

Transcriptions XRD des échantillons de matière brute (1), de calcination (2), et de calcination-hydratation (3). Le carré noir désigne le CaSO4-2H2O, le cercle noir désigne le CaSO4-0,5H2O.

Les tailles de particules BET et agglomérées de la matière première, de l’échantillon de calcination et de l’échantillon d’hydratation, sont présentées dans la figure 3. Le BET et les tailles de particules agglomérées étaient de 4,75 m2-g-1 et 29,7 μm pour la matière première, 13,37 m2-g-1 et 15,5 μm pour l’échantillon de calcination, et 19,12 m2-g-1 et 15,1 μm pour l’échantillon d’hydratation, révélant l’augmentation du BET et la diminution des tailles de particules agglomérées des échantillons après calcination et traitement de calcination-hydratation. Les travaux ci-dessus ont montré que le traitement de calcination-hydratation favorisait l’activation du précurseur CaSO4-2H2O

(a)

(b)

.

(a)
(b)

Formation hydrothermique de trichites de CaSO4-0,5H2O à partir d’un précurseur actif de CaSO4-2H2O.

La figure 4 montre la variation de et avec le temps de réaction hydrothermique. Par rapport au CaSO4-2H2O commercial, le CaSO4-2H2O actif produit par le traitement de calcination-hydratation était plus facile à dissoudre dans des conditions hydrothermales, de sorte que et dans le système CaSO4-2H2O actif étaient plus élevés que ceux du système CaSO4-2H2O commercial. L’augmentation progressive de et dans les 2,0-3,0 h a indiqué la dissolution plus rapide du CaSO4-2H2O que la précipitation du CaSO4-0,5H2O, tandis que la diminution de et dans le temps ultérieur a révélé la précipitation plus rapide du CaSO4-0,5H2O que la dissolution du CaSO4-2H2O.

(a)

(b)

.
(a)
(b)

La figure 5 montre la variation de la morphologie des échantillons avec le temps de réaction hydrothermique. Le CaSO4-2H2O commercial a été transformé en trichites de CaSO4-0,5H2O après 2,0 h de traitement hydrothermique, tandis que le CaSO4-2H2O actif produit par le traitement de calcination-hydratation a été transformé en trichites de CaSO4-0,5H2O après 1,0 h de réaction hydrothermique en raison de l’accélération du processus de dissolution-précipitation hydrothermique. On a également remarqué que les diamètres des trichites de CaSO4-0,5H2O formées à partir du CaSO4-2H2O actif étaient beaucoup plus fins que ceux du CaSO4-2H2O commercial. Par exemple, après 4,0 h de réaction hydrothermique, les trichites de CaSO4-0,5H2O ayant un diamètre de 1,0-5,0 μm, une longueur de 5-100 μm et un rapport d’aspect de 20-80 ont été préparées à partir du CaSO4-2H2O commercial, tandis que les trichites de CaSO4-0.5H2O ayant un diamètre de 0,1-0,5 μm, une longueur de 30-200 μm et un rapport d’aspect de 270-400 ont été produits à partir du précurseur actif CaSO4-2H2O (figures 5(e) et 5(j)).

(a)

(b)

.
(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)

La figure 6 montre le schéma de la conversion du CaSO4-2H2O commercial/actif en trichites de CaSO4-0,5 H2O. Le précurseur de CaSO4-2H2O actif avec une petite taille de grain et un BET élevé a été formé par un traitement de calcination-hydratation, qui a accéléré la dissolution hydrothermique de CaSO4-2H2O et a favorisé la formation de trichites de CaSO4-0,5H2O avec des rapports d’aspect élevés.

Figure 6

Schéma de la conversion de CaSO4-2H2O commercial/actif en CaSO4-0.5H2O.

4. Conclusion

Le précurseur CaSO4-2H2O actif a amélioré la morphologie des trichites de CaSO4-0.5H2O. Le CaSO4-2H2O actif a été produit par calcination du CaSO4-2H2O commercial à 150°C pendant 6,0 h, suivie d’une hydratation à température ambiante pendant 1,0 h. L’utilisation du CaSO4-2H2O actif a favorisé la dissolution hydrothermique du CaSO4-2H2O et la formation de trichites de CaSO4-0,5H2O avec des rapports d’aspect élevés, produisant des trichites de CaSO4-0.5H2O avec une longueur de 30-200 μm, un diamètre de 0,1-0,5 μm, et un rapport d’aspect de 270-400.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences de Chine (no 51234003 et no 51174125) et le Programme national de recherche et de développement de haute technologie de Chine (Programme 863, 2012AA061602).