Abstract
In questo articolo è stata studiata l’influenza dell’attività del solfato di calcio diidrato (CaSO4-2H2O) sulla formazione idrotermale di baffi di CaSO4-0.5H2O, utilizzando CaSO4-2H2O commerciale come materia prima. I risultati sperimentali hanno indicato che l’attività del CaSO4-2H2O è stata migliorata dopo la calcinazione del CaSO4-2H2O commerciale a 150°C per 6,0 h seguita da idratazione a temperatura ambiente per 1,0 h, corrispondente alla diminuzione delle dimensioni delle particelle agglomerate da 29,7 μm a 15,1 μm, l’aumento delle aree di superficie specifiche (BET) da 4,75 a 19,12 e le dimensioni dei grani da 95 nm a 40 nm. Il CaSO4-2H2O attivo prodotto dal trattamento di calcinazione-idratazione ha favorito la dissoluzione idrotermale del CaSO4-2H2O, promuovendo la formazione di baffi di solfato di calcio emiidrato (CaSO4-0.5H2O) con alti rapporti di aspetto.
1. Introduzione
La sintesi di baffi di solfato di calcio (CaSO4) con alti rapporti di aspetto e morfologia omogenea ha attirato molta attenzione negli ultimi anni in quanto possono essere utilizzati come materiali di rinforzo in molti campi come plastica, ceramica e fabbricazione della carta, e così via.
I baffi di CaSO4 sono stati solitamente preparati per formazione idrotermale dei baffi di CaSO4-0.5H2O dal precursore CaSO4-2H2O seguito dalla calcinazione dei baffi di CaSO4-0.5H2O a temperature elevate. Wang et al. hanno preparato baffi di CaSO4-0.5H2O con un rapporto di aspetto di 5-20 a 115°C, usando il gesso naturale come reagente. Wang et al. hanno scoperto che l’uso del precursore superfine CaSO4-2H2O era essenziale per la formazione di baffi CaSO4-0.5H2O con piccoli diametri e hanno preparato baffi CaSO4-0.5H2O con un diametro di 0,19 μm e un rapporto di aspetto di 98 tramite conversione idrotermale del gesso macinato fine con una dimensione agglomerata inferiore a 18,1 μm a 120°C . Xu et al. hanno preparato whiskers di CaSO4-0.5H2O con una lunghezza di l00-750 μm e un diametro di 0.1-3 μm a 110-150°C dal gesso di desolforazione composto principalmente da CaSO4-2H2O (93.45 wt%) e CaCO3 (1.76 wt%), usando H2SO4 per cambiare l’impurità CaCO3 in CaSO4-2H2O attivo. Yang et al. hanno preparato baffi di solfato di calcio di 50-450 μm mediante trattamento idrotermale del gesso di desolforazione a 130°C per 1,0 h in presenza di K2SO4 . È stato notato che la maggior parte dei lavori precedenti ha mostrato che l’uso del precursore attivo CaSO4-2H2O ha promosso la formazione idrotermale di whiskers CaSO4-0.5H2O con alti rapporti di aspetto.
In questo lavoro è stato sviluppato un facile metodo di reazione idrotermale di calcinazione-idratazione per sintetizzare il precursore attivo CaSO4-2H2O dal CaSO4-2H2O commerciale e per produrre i whiskers CaSO4-0.5H2O con alti rapporti d’aspetto in condizioni idrotermali. Sono state studiate le influenze della calcinazione e dell’idratazione sulla morfologia e sulla struttura del precursore CaSO4-2H2O e sulla morfologia dei whiskers CaSO4-0.5H2O.
2. Sperimentale
2.1. Procedura sperimentale
Commerciale CaSO4-2H2O con grado analitico è stato usato come materia prima negli esperimenti. Il CaSO4-2H2O è stato sinterizzato a 150°C per 3,0-6,0 ore, poi mescolato con acqua deionizzata per mantenere il rapporto di peso del solido con l’acqua a 1,0-5,0 wt%. Dopo essere stata agitata (60 r-min-1) a temperatura ambiente per 1,0 h, la sospensione contenente 1,0-5,0 wt% di CaSO4-2H2O è stata trattata in autoclave a 135°C per 4,0 h. Dopo il trattamento idrotermale, la sospensione è stata filtrata ed essiccata a 105°C per 6,0 h.
2.2. Caratterizzazione
La morfologia dei campioni è stata rilevata con il microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (JSM 7401F, JEOL, Giappone). Le strutture dei campioni sono state identificate dal diffrattometro a raggi X in polvere (D8 advanced, Brucker, Germania) utilizzando la radiazione Cu Kα . Le dimensioni delle particelle agglomerate dei campioni sono state analizzate con l’analizzatore di particelle laser (Micro-plus, Germania). Il Ca2+ solubile e sono stati analizzati rispettivamente mediante titolazione EDTA e spettrofotometria al cromato di bario (modello 722, Xiaoguang, Cina).
3. Risultati e discussione
3.1. Formazione di CaSO4-2H2O attivo attraverso il percorso di calcinazione-idratazione
La morfologia e i modelli XRD della materia prima (a), il campione di calcinazione (b) e il campione di idratazione (c) sono mostrati nelle figure 1 e 2, rispettivamente. La materia prima CaSO4-2H2O era composta da piastre irregolari (una lunghezza di 1,5-20,0 μm e una larghezza di 3,5-10,0 μm) e particelle (un diametro di 0,5-5,5 μm). Dopo il trattamento di calcinazione a 150°C per 6.0 h, la materia prima CaSO4-2H2O è stata convertita in piani rettangolari irregolari CaSO4-0.5H2O con una lunghezza di 1.0-10.0 μm e una larghezza di 0.2-3.0 μm. L’idratazione del CaSO4-0.5H2O a temperatura ambiente ha portato alla formazione di piani rettangolari irregolari CaSO4-2H2O con una lunghezza di 1.0-5.0 μm e una larghezza di 0.1-2.0 μm. I dati della Figura 2 hanno mostrato che le intensità dei picchi XRD in curva erano più deboli di quelli in curva, rivelando che il trattamento di calcinazione-idratazione ha promosso la formazione di CaSO4-2H2O con scarsa cristallinità. Le dimensioni dei grani della materia prima, del campione di calcinazione e del campione di idratazione sono state stimate come 94,9 nm, 37,5 nm e 39,5 nm, rispettivamente, sulla base dei picchi (020) situati a ° e dell’equazione di Scherrer: dove , , , , e rappresentano la dimensione del grano, la lunghezza d’onda del Cu Kα (1,54178 Å), la larghezza completa a metà massimo (FWHM), e la costante di Scherrer , rispettivamente.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Morfologia della materia prima (a), calcinazione (b) e calcinazione-idratazione (c).
Piani XRD della materia prima (1), calcinazione (2) e calcinazione-idratazione (3). Il quadrato nero indica CaSO4-2H2O, il cerchio nero indica CaSO4-0.5H2O.
Le dimensioni delle particelle BET e agglomerate della materia prima, del campione di calcinazione e del campione di idratazione, sono mostrate nella Figura 3. Il BET e le dimensioni delle particelle agglomerate erano 4,75 m2-g-1 e 29,7 μm per la materia prima, 13,37 m2-g-1 e 15,5 μm per il campione di calcinazione, e 19,12 m2-g-1 e 15,1 μm per il campione di idratazione, rivelando l’aumento del BET e la diminuzione delle dimensioni delle particelle agglomerate dei campioni dopo la calcinazione e il trattamento di calcinazione-idratazione. Il lavoro di cui sopra ha mostrato che il trattamento di calcinazione-idratazione ha favorito l’attivazione del precursore CaSO4-2H2O
(a)
(b)
(a)
(b)
BET (a) e le dimensioni delle particelle agglomerate (b) dei campioni 1: CaSO4-2H2O commerciale, 2: campione di calcinazione e 3: campione di calcinazione-idratazione.
Formazione idrotermale di whiskers di CaSO4-0.5H2O da un precursore attivo di CaSO4-2H2O.
La figura 4 mostra la variazione di e con il tempo di reazione idrotermale. Rispetto al CaSO4-2H2O commerciale, il CaSO4-2H2O attivo prodotto dal trattamento di calcinazione-idratazione era più facile da sciogliere in condizioni idrotermali, così che e nel sistema CaSO4-2H2O attivo erano più alti di quelli nel sistema CaSO4-2H2O commerciale. L’aumento graduale di e entro 2.0-3.0 h ha indicato la dissoluzione più veloce del CaSO4-2H2O rispetto alla precipitazione di CaSO4-0.5H2O, mentre la diminuzione di e nel tempo successivo ha rivelato la precipitazione più veloce di CaSO4-0.5H2O rispetto alla dissoluzione di CaSO4-2H2O.
(a)
(b)
(a)
(b)
Variazione di (a) e (b) con tempo di reazione idrotermale. Precursore: 1: CaSO4-2H2O commerciale, 2: CaSO4-2H2O attivo.
La figura 5 mostra la variazione della morfologia dei campioni con il tempo di reazione idrotermale. Il CaSO4-2H2O commerciale è stato convertito in baffi di CaSO4-0.5H2O dopo 2.0 h di trattamento idrotermale, mentre il CaSO4-2H2O attivo prodotto dal trattamento di calcinazione-idratazione è stato cambiato in baffi di CaSO4-0.5H2O dopo 1.0 h di reazione idrotermale a causa dell’accelerazione del processo di dissoluzione-precipitazione idrotermale. È stato anche notato che i diametri dei baffi di CaSO4-0.5H2O formati dal CaSO4-2H2O attivo erano molto più sottili di quelli del CaSO4-2H2O commerciale. Per esempio, dopo 4.0 h di reazione idrotermale, i baffi CaSO4-0.5H2O con un diametro di 1.0-5.0 μm, una lunghezza di 5-100 μm, e un rapporto di aspetto di 20-80 sono stati preparati dal commerciale CaSO4-2H2O, mentre CaSO4-0.5H2O con un diametro di 0,1-0,5 μm, una lunghezza di 30-200 μm, e un rapporto di aspetto di 270-400 sono stati prodotti dal precursore attivo CaSO4-2H2O (figure 5(e) e 5(j)).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
Variazione della morfologia dei campioni con tempo di reazione idrotermale Precursore: (a)-(e): CaSO4-2H2O commerciale, (f)-(j): CaSO4-2H2O attivo; Tempo (h): (a), (f) 0.5; (b), (g) 1.0; (c), (h) 2.0; (d), (i) 3.0; (e), (j) 4.0.
La figura 6 mostra il disegno schematico per la conversione del CaSO4-2H2O commerciale/attivo in whiskers di CaSO4-0.5 H2O. Il precursore CaSO4-2H2O attivo con una piccola dimensione dei grani e un alto BET è stato formato dal trattamento di calcinazione-idratazione, che ha accelerato la dissoluzione idrotermale di CaSO4-2H2O e ha promosso la formazione di baffi CaSO4-0.5H2O con alti rapporti di aspetto.
Schema per la conversione di CaSO4-2H2O commerciale/attivo in baffi di CaSO4-0..5H2O.
4. Conclusione
Il precursore CaSO4-2H2O attivo ha migliorato la morfologia dei whiskers CaSO4-0.5H2O. Il CaSO4-2H2O attivo è stato prodotto dalla calcinazione del CaSO4-2H2O commerciale a 150°C per 6,0 h seguita da idratazione a temperatura ambiente per 1,0 h. L’uso del CaSO4-2H2O attivo ha favorito la dissoluzione idrotermale del CaSO4-2H2O e la formazione di baffi di CaSO4-0,5H2O con alti rapporti di aspetto, producendo baffi di CaSO4-0.5H2O con una lunghezza di 30-200 μm, un diametro di 0,1-0,5 μm e un rapporto di aspetto di 270-400.
Riconoscimenti
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation of China (n. 51234003 e n. 51174125) e National Hi-Tech Research and Development Program of China (863 Program, 2012AA061602).