Abstract
A influência da atividade de sulfato de cálcio dihidratado (CaSO4-2H2O) na formação hidrotérmica de CaSO4-0.5H2O foi investigada neste trabalho, usando CaSO4-2H2O comercial como matéria-prima. Os resultados experimentais indicaram que a atividade do CaSO4-2H2O foi melhorada após a calcinação do CaSO4-2H2O comercial a 150°C durante 6,0 h, seguida de hidratação à temperatura ambiente durante 1,0 h, correspondendo à diminuição do tamanho das partículas aglomeradas de 29,7 μm para 15,1 μm, ao aumento das áreas de superfície específica (BET) de 4,75 para 19,12 e do tamanho dos grãos de 95 nm para 40 nm. O CaSO4-2H2O ativo produzido pelo tratamento calcina-hidratação favoreceu a dissolução hidrotérmica do CaSO4-2H2O, promovendo a formação de sulfato de cálcio hemihidratado (CaSO4-0.5H2O) bigodes com alta proporção de aspecto.
1. Introdução
A síntese de sulfato de cálcio (CaSO4) bigodes com alta proporção de aspecto e morfologia homogênea tem atraído muita atenção nos últimos anos, pois eles podem ser utilizados como materiais de reforço em muitos campos como plásticos, cerâmica e fabricação de papel, e assim por diante.
CaSO4 foram normalmente preparados pela formação hidrotérmica dos bigodes CaSO4-0.5H2O do precursor CaSO4-2H2O seguido pela calcinação dos bigodes CaSO4-0.5H2O a temperaturas elevadas. Wang et al. prepararam os bigodes de CaSO4-0.5H2O com uma razão de aspecto de 5-20 a 115°C, utilizando o gesso natural como reagente. Wang et al. descobriram que o uso do precursor superfino CaSO4-2H2O foi essencial para a formação dos bigodes CaSO4-0.5H2O com pequenos diâmetros e prepararam bigodes CaSO4-0.5H2O com um diâmetro de 0,19 μm e uma razão de aspecto de 98 via conversão hidrotérmica do gesso moído fino com um tamanho aglomerado menor que 18,1 μm a 120°C . Xu et al. prepararam bigodes CaSO4-0.5H2O com um comprimento de l00-750 μm e um diâmetro de 0.1-3 μm a 110-150°C do gesso dessulfurizado composto principalmente de CaSO4-2H2O (93.45 wt%) e CaCO3 (1.76 wt%) , usando H2SO4 para mudar a impureza CaCO3 para CaSO4-2H2O ativo. Yang et al. prepararam bigodes de sulfato de cálcio 50-450 μm por tratamento hidrotérmico do gesso dessulfurizado a 130°C durante 1,0 h na presença de K2SO4 . Notou-se que a maioria dos trabalhos anteriores mostrou que o uso do precursor ativo CaSO4-2H2O promoveu a formação hidrotérmica dos bigodes de CaSO4-0.5H2O com altos rácios de aspecto.
Neste trabalho foi desenvolvido um método de reação hidrotermais fácil de calcinação-hidratação para sintetizar o precursor ativo CaSO4-2H2O do comercial CaSO4-2H2O e produzir os bigodes CaSO4-0.5H2O com altas proporções na condição hidrotérmica. Foram estudadas as influências da calcinação e hidratação na morfologia e estrutura do precursor CaSO4-2H2O, bem como na morfologia dos bigodes CaSO4-0.5H2O.
2. Experimental
2.1. Procedimento Experimental
Comercial CaSO4-2H2O com grau analítico foi usado como matéria-prima nos experimentos. O CaSO4-2H2O foi sinterizado a 150°C durante 3,0-6,0 h, depois misturado com água desionizada para manter a relação de peso do sólido com água a 1,0-5,0 wt%. Após ser agitado (60 r-min-1) à temperatura ambiente durante 1,0 h, a suspensão contendo 1,0-5,0 wt% CaSO4-2H2O foi então tratada em autoclave a 135°C durante 4,0 h. Após tratamento hidrotérmico, a suspensão foi filtrada e seca a 105°C durante 6,0 h.
2,2. Caracterização
A morfologia das amostras foi detectada com o microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (JSM 7401F, JEOL, Japão). As estruturas das amostras foram identificadas por difratômetro de raios X em pó (D8 advanced, Brucker, Alemanha) usando a radiação Cu Kα . Os tamanhos das partículas aglomeradas das amostras foram analisados com o analisador de partículas laser (Micro-plus, Alemanha). O Ca2+ solúvel e foram analisados por titulação EDTA e espectrofotometria de cromato de bário (Modelo 722, Xiaoguang, China), respectivamente.
3.1. Formação de CaSO4-2H2O Ativo via Via Cálculo-Hidratação
A morfologia e padrões de DRX da matéria-prima (a), a amostra de calcinação (b), e a amostra de hidratação (c) são mostradas nas Figuras 1 e 2, respectivamente. A matéria-prima CaSO4-2H2O foi composta das placas irregulares (um comprimento de 1,5-20,0 μm e uma largura de 3,5-10,0 μm) e partículas (um diâmetro de 0,5-5,5 μm). Após o tratamento de calcinação a 150°C durante 6,0 h, a matéria-prima CaSO4-2H2O foi convertida para os planos retangulares irregulares CaSO4-0,5H2O com um comprimento de 1,0-10,0 μm e uma largura de 0,2-3,0 μm. A hidratação do CaSO4-0.5H2O à temperatura ambiente levou à formação de planos rectangulares irregulares CaSO4-2H2O com um comprimento de 1.0-5.0 μm e uma largura de 0.1-2.0 μm. Os dados da Figura 2 mostraram que as intensidades dos picos de DRX em curva foram mais fracas que as em curva, revelando que o tratamento calcina-hidratação promoveu a formação de CaSO4-2H2O com baixa cristalinidade. Os tamanhos dos grãos da matéria prima, da amostra de calcinação e da amostra de hidratação foram estimados em 94,9 nm, 37,5 nm e 39,5 nm, respectivamente, com base nos (020) picos localizados em ° e na equação de Scherrer: onde , , , , , e representam o tamanho do grão, o comprimento de onda do Cu Kα (1,54178 Å), a largura total a meio máximo (FWHM), e a constante de Scherrer , respectivamente.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
>
Morfologia da matéria-prima (a), calcinação (b), e calcinação-hidratação (c) amostras.
O BET e os tamanhos das partículas aglomeradas da matéria-prima, a amostra de calcinação e a amostra de hidratação, são mostrados na Figura 3. A BET e os tamanhos de partículas aglomeradas foram 4,75 m2-g-1 e 29,7 μm para a matéria-prima, 13,37 m2-g-1 e 15,5 μm para a amostra de calcinação e 19,12 m2-g-1 e 15,1 μm para a amostra de hidratação, revelando o aumento da BET e a diminuição dos tamanhos de partículas aglomeradas das amostras após calcinação e tratamento calcina-hidratação. Os trabalhos acima mostraram que a calcinação…tratamento de hidratação favoreceu a ativação do precursor CaSO4-2H2O
(a)
(b)
(a)
(b)
BET (a) e os tamanhos das partículas aglomeradas (b) das amostras 1: CaSO4-2H2O comercial, 2: amostra de calcinação, e 3: amostra de calcinação-hidratação.
Formação hidrotérmica de CaSO4-0.5H2O a partir do precursor ativo CaSO4-2H2O.
Figure 4 mostra a variação do e com o tempo de reacção hidrotérmica. Em comparação com o CaSO4-2H2O comercial, o CaSO4-2H2O ativo produzido pelo tratamento calcina-hidratação foi mais fácil de ser dissolvido na condição hidrotérmica, de modo que e no sistema CaSO4-2H2O ativo foram maiores do que os do sistema CaSO4-2H2O comercial. O aumento gradual de e dentro de 2,0-3,0 h indicou a dissolução mais rápida do CaSO4-2H2O do que a precipitação de CaSO4-0,5H2O, enquanto que a diminuição de e no tempo posterior revelou a precipitação mais rápida de CaSO4-0,5H2O do que a dissolução de CaSO4-2H2O.
(a)
(b)
(a)
(b)
Variação de (a) e (b) com tempo de reacção hidrotérmica. Precursor: 1: CaSO4-2H2O comercial, 2: CaSO4-2H2O activo.
A figura 5 mostra a variação da morfologia das amostras com tempo de reação hidrotérmica. O CaSO4-2H2O comercial foi convertido para CaSO4-0.5H2O após 2.0 h de tratamento hidrotérmico, enquanto o CaSO4-2H2O ativo produzido pelo tratamento calcina-hidratação foi convertido para CaSO4-0.5H2O após 1.0 h de reação hidrotérmica devido à aceleração do processo de dissolução-precipitação hidrotérmica. Também foi observado que os diâmetros dos bigodes de CaSO4-0.5H2O formados a partir dos ativos CaSO4-2H2O eram muito mais finos do que os do CaSO4-2H2O comercial. Por exemplo, após 4,0 h de reação hidrotérmica, os bigodes CaSO4-0.5H2O com um diâmetro de 1,0-5,0 μm, um comprimento de 5-100 μm, e uma razão de aspecto de 20-80 foram preparados a partir do CaSO4-2H2O comercial, enquanto que o CaSO4-0.Os bigodes 5H2O com um diâmetro de 0,1-0,5 μm, um comprimento de 30-200 μm, e uma razão de aspecto de 270-400 foram produzidos a partir do precursor ativo CaSO4-2H2O (Figuras 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)
Variação da morfologia das amostras com tempo de reacção hidrotérmica Precursor: (a)-(e): CaSO4-2H2O comercial, (f)-(j): CaSO4-2H2O ativo; Tempo (h): (a), (f) 0,5; (b), (g) 1,0; (c), (h) 2,0; (d), (i) 3,0; (e), (j) 4,0.
Figure 6 mostra o desenho esquemático para a conversão dos bigodes comerciais/activos CaSO4-2H2O para CaSO4-0.5 H2O. O precursor ativo CaSO4-2H2O com grãos pequenos e BET elevado foi formado por tratamento calcina-hidratação, o que acelerou a dissolução hidrotérmica do CaSO4-2H2O e promoveu a formação de bigodes de CaSO4-0.5H2O com alta proporção de aspecto.
4. Conclusão
Active CaSO4-2H2O precursor melhorou a morfologia dos bigodes CaSO4-0.5H2O. O CaSO4-2H2O ativo foi produzido por calcinação do CaSO4-2H2O comercial a 150°C por 6,0 h, seguido de hidratação à temperatura ambiente por 1,0 h. O uso do CaSO4-2H2O ativo favoreceu a dissolução hidrotérmica do CaSO4-2H2O e a formação de bigodes de CaSO4-0,5H2O com alta proporção de aspecto, produzindo CaSO4-0.5H2O bigodes com um comprimento de 30-200 μm, um diâmetro de 0,1-0,5 μm, e uma razão de aspecto de 270-400,
Agradecimentos
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation of China (no. 51234003 e no. 51174125) e pelo National Hi-Tech Research and Development Program of China (Programa 863, 2012AA061602).