Abstract
Ez a dolgozat a kalcium-szulfát-dihidrát (CaSO4-2H2O) aktivitásának hatását vizsgálta a CaSO4-0,5H2O whiskerek hidrotermális képződésére, nyersanyagként kereskedelmi CaSO4-2H2O-t használva. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a CaSO4-2H2O aktivitása javult, miután a kereskedelmi CaSO4-2H2O-t 6,0 órán keresztül 150°C-on kalcinálták, majd 1,0 órán keresztül szobahőmérsékleten hidratálták, ami az agglomerált részecskeméret 29,7 μm-ről 15,1 μm-re való csökkenésének, a fajlagos felület (BET) 4,75-ről 19,12-re, a szemcseméret 95 nm-ről 40 nm-re való növekedésének felelt meg. A kalcináló-hidratáló kezeléssel előállított aktív CaSO4-2H2O elősegítette a CaSO4-2H2O hidrotermikus oldódását, elősegítve a nagy oldalarányú félhidrát kalcium-szulfát (CaSO4-0,5H2O) whiskerek kialakulását.
1. Bevezetés
A nagy oldalarányú és homogén morfológiájú kalcium-szulfát (CaSO4) whiskerek szintézise az utóbbi években nagy figyelmet kapott, mivel ezek számos területen, mint például a műanyag, kerámia és papírgyártás stb. erősítőanyagként használhatók .
A CaSO4 whiskereket általában a CaSO4-0,5H2O whiskerek hidrotermikus képződésével állították elő a CaSO4-2H2O prekurzorból, amelyet a CaSO4-0,5H2O whiskerek magas hőmérsékleten történő kalcinálása követett. Wang és munkatársai 5-20 oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskereket állítottak elő 115°C-on, természetes gipszet használva reaktánsként . Wang és munkatársai megállapították, hogy a szuperfinom CaSO4-2H2O prekurzor használata alapvető fontosságú a kis átmérőjű CaSO4-0,5H2O whiskerek kialakításához, és a finomra őrölt gipsz hidrotermikus átalakításával 18,1 μm-nél kisebb agglomerátummérettel rendelkező CaSO4-0,5H2O whiskereket állítottak elő 0,19 μm átmérőjű és 98 oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskerekkel 120°C-on . Xu és munkatársai 110-150 °C-on l00-750 μm hosszúságú és 0,1-3 μm átmérőjű CaSO4-0,5H2O whiskereket állítottak elő a főként CaSO4-2H2O (93,45 tömegszázalék) és CaCO3 (1,76 tömegszázalék) összetételű kéntelenítő gipszből H2SO4 segítségével, hogy a CaCO3 szennyeződést aktív CaSO4-2H2O-ra változtassák. Yang és munkatársai 50-450 μm-es kalcium-szulfát whiskereket állítottak elő kéntelenítő gipsz hidrotermikus kezelésével 130°C-on 1,0 órán keresztül K2SO4 jelenlétében. Megállapították, hogy a legtöbb korábbi munka azt mutatta, hogy az aktív CaSO4-2H2O prekurzor használata elősegítette a nagy oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskerek hidrotermikus képződését.
Ebben a dolgozatban egy egyszerű kalcinációs-hidratációs hidrotermális reakciómódszert dolgoztunk ki az aktív CaSO4-2H2O prekurzor szintetizálására a kereskedelmi CaSO4-2H2O-ból és a nagy oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskerek előállítására hidrotermális körülmények között. Megvizsgáltuk a kalcinálás és a hidratálás hatását a CaSO4-2H2O prekurzor morfológiájára és szerkezetére, valamint a CaSO4-0,5H2O whiskerek morfológiájára.
2. Kísérleti
2.1. Kísérleti
2.1. A CaSO4-2H2O prekurzor morfológiája és szerkezete. Kísérleti eljárás
A kísérletekben nyersanyagként analitikai minőségű, kereskedelmi forgalomban kapható CaSO4-2H2O-t használtunk. A CaSO4-2H2O-t 150°C-on 3,0-6,0 órán keresztül szintereztük, majd deionizált vízzel kevertük, hogy a szilárd anyag és a víz súlyaránya 1,0-5,0 tömegszázalék legyen. Az 1,0-5,0 tömegszázalék CaSO4-2H2O-t tartalmazó szuszpenziót 1,0 óra szobahőmérsékleten történő keverés (60 r-min-1) után 4,0 órán keresztül 135°C-on autoklávban kezeltük, majd a hidrotermikus kezelést követően a szuszpenziót leszűrtük és 6,0 órán keresztül 105°C-on szárítottuk.
2.2. Az 1,0-5,0 tömegszázalék CaSO4-2H2O-t tartalmazó szuszpenziót a hidrotermikus kezelés után 4,0 órán keresztül autoklávban kezeltük. Jellemzés
A minták morfológiáját téremissziós pásztázó elektronmikroszkóppal (JSM 7401F, JEOL, Japán) detektáltuk. A minták szerkezetét porröntgendiffraktométerrel (D8 advanced, Brucker, Németország) azonosítottuk Cu Kα sugárzással . A minták agglomerált részecskeméretét lézeres részecskeelemzővel (Micro-plus, Németország) elemeztük. Az oldható Ca2+ -ot és az oldható Ca2+ -ot EDTA-titrálással és bárium-kromát spektrofotometriával (Modell 722, Xiaoguang, Kína) elemeztük.
3. Eredmények és megvitatás
3.1. Aktív CaSO4-2H2O képződése kalcinálási-hidratálási úton
A nyersanyag (a), a kalcinálási minta (b) és a hidratálási minta (c) morfológiáját és XRD-mintáit az 1. és 2. ábra mutatja. A CaSO4-2H2O nyersanyag szabálytalan lemezekből (hossza 1,5-20,0 μm, szélessége 3,5-10,0 μm) és részecskékből (átmérője 0,5-5,5 μm) állt. A CaSO4-2H2O nyersanyag a 150 °C-on 6,0 órán át végzett kalcinálási kezelés után CaSO4-0,5H2O szabálytalan téglalap alakú síkokká alakult át, amelyek hossza 1,0-10,0 μm, szélessége pedig 0,2-3,0 μm volt. A CaSO4-0,5H2O szobahőmérsékleten történő hidratálása 1,0-5,0 μm hosszúságú és 0,1-2,0 μm szélességű CaSO4-2H2O szabálytalan téglalap alakú síkok kialakulásához vezetett. A 2. ábrán látható adatok azt mutatták, hogy az XRD-csúcsok intenzitása a görbében gyengébb volt, mint a görbében , ami azt mutatja, hogy a kalcináló-hidratáló kezelés elősegítette a gyenge kristályosságú CaSO4-2H2O kialakulását. A nyersanyag, a kalcinálási minta és a hidratálási minta szemcseméretét a °-nál elhelyezkedő (020) csúcsok és a Scherrer-egyenlet alapján 94,9 nm-re, 37,5 nm-re, illetve 39,5 nm-re becsültük: , ahol , , , , , és a szemcseméretet, a Cu Kα hullámhosszát (1,54178 Å), a teljes szélesség a félmaximumnál (FWHM), illetve a Scherrer-állandót jelölik.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
A nyersanyag morfológiája (a), kalcinálás (b) és kalcinálás-hidratálás (c) minták.
Nyersanyag (1), kalcinálás (2) és kalcinálás-hidratálás (3) minták XRD-mintái. A fekete négyzet a CaSO4-2H2O-t, a fekete kör a CaSO4-0,5H2O-t jelöli.
A nyersanyag, a kalcinálási minta és a hidratálási minta BET és agglomerált részecskeméretét a 3. ábra mutatja. A BET és az agglomerált részecskeméret 4,75 m2-g-1 és 29,7 μm volt a nyersanyag esetében, 13,37 m2-g-1 és 15,5 μm a kalcináló minta esetében, és 19,12 m2-g-1 és 15,1 μm a hidratáló minta esetében, ami a minták BET-értékének növekedését és az agglomerált részecskeméret csökkenését mutatja a kalcinálás és a kalcináló-hidratáló kezelés után. A fenti munka azt mutatta, hogy a kalcinálás-hidratálási kezelés elősegítette a CaSO4-2H2O prekurzor
(a)
(b)
aktiválását.
(a)
(b)
BET (a) és az 1. minták agglomerált részecskeméretei (b): kereskedelmi CaSO4-2H2O, 2: kalcinációs minta és 3: kalcinációs-hidratációs minta.
CaSO4-0,5H2O whiskerek hidrotermikus képződése aktív CaSO4-2H2O prekurzorból.
A 4. ábra az és változását mutatja a hidrotermális reakcióidővel. A kereskedelmi CaSO4-2H2O-hoz képest a kalcináló-hidratáló kezeléssel előállított aktív CaSO4-2H2O hidrotermális állapotban könnyebben oldódott, így az és az aktív CaSO4-2H2O rendszerben magasabb volt, mint a kereskedelmi CaSO4-2H2O rendszerben. Az és 2,0-3,0 órán belüli fokozatos növekedése a CaSO4-2H2O gyorsabb oldódását jelezte, mint a CaSO4-0,5H2O kicsapódását, míg az és csökkenése a későbbi időpontban a CaSO4-0,5H2O gyorsabb kicsapódását mutatta, mint a CaSO4-2H2O oldódását.
(a)
(b)
(a)
(b)
A (a) és (b) értékek változása a hidrotermikus reakcióidővel. Prekurzor: 1: kereskedelmi CaSO4-2H2O, 2: aktív CaSO4-2H2O.
Az 5. ábra a minták morfológiájának változását mutatja a hidrotermális reakcióidővel. A kereskedelmi CaSO4-2H2O 2,0 óra hidrotermális kezelés után CaSO4-0,5H2O whiskerekké alakult át, míg a kalcináló-hidratáló kezeléssel előállított aktív CaSO4-2H2O 1,0 óra hidrotermális reakció után CaSO4-0,5H2O whiskerekké változott a hidrotermális oldási-csapadékképzési folyamat gyorsulása miatt. Azt is megfigyelték, hogy az aktív CaSO4-2H2O-ból képződött CaSO4-0,5H2O whiskerek átmérője sokkal vékonyabb volt, mint a kereskedelmi CaSO4-2H2O-é. Például 4,0 óra hidrotermikus reakció után a kereskedelmi CaSO4-2H2O-ból 1,0-5,0 μm átmérőjű, 5-100 μm hosszúságú és 20-80 oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskerek készültek, míg a CaSO4-0.5H2O 0,1-0,5 μm átmérőjű, 30-200 μm hosszúságú és 270-400 oldalarányú whiskereket állítottak elő az aktív CaSO4-2H2O prekurzorból (5(e) és 5(j) ábra).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
A minták morfológiájának változása a hidrotermális reakcióidővel Prekurzor: (a)-(e): kereskedelmi CaSO4-2H2O, (f)-(j): aktív CaSO4-2H2O; idő (h): (a), (f) 0,5; (b), (g) 1,0; (c), (h) 2,0; (d), (i) 3,0; (e), (j) 4,0.
A 6. ábra a kereskedelmi/aktív CaSO4-2H2O CaSO4-0,5 H2O whiskerekké történő átalakításának sematikus rajzát mutatja. A kis szemcseméretű és nagy BET értékű aktív CaSO4-2H2O prekurzor kalcináló-hidratáló kezeléssel jött létre, amely felgyorsította a CaSO4-2H2O hidrotermikus oldódását és elősegítette a nagy oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskerek kialakulását.
Sémarajz a kereskedelmi/aktív CaSO4-2H2O átalakításához CaSO4-0.5H2O whiskerek.
4. Következtetés
Az aktív CaSO4-2H2O prekurzor javította a CaSO4-0,5H2O whiskerek morfológiáját. Az aktív CaSO4-2H2O-t a kereskedelmi CaSO4-2H2O 150°C-on történő 6,0 órás kalcinálásával állították elő, amit 1,0 órás szobahőmérsékleten történő hidratálás követett. Az aktív CaSO4-2H2O használata elősegítette a CaSO4-2H2O hidrotermikus oldódását és a nagy oldalarányú CaSO4-0,5H2O whiskerek kialakulását, így CaSO4-0.5H2O whiskerek keletkeztek, amelyek hossza 30-200 μm, átmérője 0,1-0,5 μm, oldalaránya pedig 270-400.
Köszönet
Ezt a munkát a Kínai Nemzeti Tudományos Alapítvány (51234003 és 51174125) és a Kínai Nemzeti Hi-Tech Kutatási és Fejlesztési Program (863 Program, 2012AA061602)
támogatta.