Abstract

Influența activității sulfatului de calciu dihidrat (CaSO4-2H2O) asupra formării hidrotermale a mustăților de CaSO4-0,5H2O a fost investigată în această lucrare, folosind CaSO4-2H2O comercial ca materie primă. Rezultatele experimentale au indicat că activitatea CaSO4-2H2O a fost îmbunătățită după calcinarea CaSO4-2H2O comercial la 150°C timp de 6,0 h, urmată de hidratare la temperatura camerei timp de 1,0 h, ceea ce corespunde scăderii dimensiunilor particulelor aglomerate de la 29,7 μm la 15,1 μm, creșterii suprafețelor specifice (BET) de la 4,75 la 19,12 și a dimensiunilor granulelor de la 95 nm la 40 nm. CaSO4-2H2O activ produs prin tratamentul de calcinare-hidratare a favorizat dizolvarea hidrotermală a CaSO4-2H2O, promovând formarea de mustăți de sulfat de calciu hemihidrat (CaSO4-0,5H2O) cu rapoarte de aspect ridicate.

1. Introducere

Sinteza mustăților de sulfat de calciu (CaSO4) cu rapoarte de aspect ridicate și morfologie omogenă a atras multă atenție în ultimii ani, deoarece acestea pot fi utilizate ca materiale de întărire în multe domenii, cum ar fi materialele plastice, ceramică și fabricarea hârtiei și așa mai departe .

Batistele de CaSO4 au fost de obicei preparate prin formarea hidrotermală a mustăților de CaSO4-0,5H2O din precursorul CaSO4-2H2O, urmată de calcinarea mustăților de CaSO4-0,5H2O la temperaturi ridicate. Wang et al. au preparat șuvițe de CaSO4-0,5H2O cu un raport de aspect de 5-20 la 115°C, folosind gipsul natural ca reactant. Wang et al. au constatat că utilizarea precursorului CaSO4-2H2O superfin este esențială pentru formarea de șuvițe de CaSO4-0,5H2O cu diametre mici și au preparat șuvițe de CaSO4-0,5H2O cu un diametru de 0,19 μm și un raport de aspect de 98 prin conversia hidrotermală a ghipsului fin măcinat cu o dimensiune aglomerată mai mică de 18,1 μm la 120°C . Xu et al. au preparat șuvițe de CaSO4-0,5H2O cu o lungime de l00-750 μm și un diametru de 0,1-3 μm la 110-150°C din ghipsul de desulfurare compus în principal din CaSO4-2H2O (93,45% în greutate) și CaCO3 (1,76% în greutate) , folosind H2SO4 pentru a schimba impuritatea CaCO3 în CaSO4-2H2O activ. Yang et al. au preparat mustăți de sulfat de calciu de 50-450 μm prin tratarea hidrotermală a ghipsului de desulfurare la 130°C timp de 1,0 h în prezența K2SO4 . S-a observat că majoritatea lucrărilor anterioare au arătat că utilizarea precursorului activ CaSO4-2H2O a favorizat formarea hidrotermală a mustăților de CaSO4-0,5H2O cu rapoarte de aspect ridicate.

În această lucrare a fost dezvoltată o metodă ușoară de reacție hidrotermală de calcinare-hidratare pentru a sintetiza precursorul activ de CaSO4-2H2O din CaSO4-2H2O comercial și pentru a produce mustăți de CaSO4-0,5H2O cu rapoarte de aspect ridicate în condiții hidrotermale. Au fost studiate influențele calcinării și hidratării asupra morfologiei și structurii precursorului CaSO4-2H2O, precum și asupra morfologiei mustăților de CaSO4-0,5H2O.

2. Experimental

2.1. Procedură experimentală

CaSO4-2H2O comercial cu grad analitic a fost utilizat ca materie primă în experimente. CaSO4-2H2O a fost sinterizat la 150°C timp de 3,0-6,0 h, apoi a fost amestecat cu apă deionizată pentru a menține raportul ponderal dintre solid și apă la 1,0-5,0 % în greutate. După ce a fost agitată (60 r-min-1) la temperatura camerei timp de 1,0 h, suspensia care conținea 1,0-5,0 % în greutate CaSO4-2H2O a fost apoi tratată într-un autoclav la 135°C timp de 4,0 h. După tratamentul hidrotermic, suspensia a fost filtrată și uscată la 105°C timp de 6,0 h.

2.2. Caracterizare

Morfologia probelor a fost detectată cu ajutorul microscopului electronic de scanare cu emisie de câmp (JSM 7401F, JEOL, Japonia). Structurile probelor au fost identificate cu ajutorul difractometrului de raze X pentru pulberi (D8 advanced, Brucker, Germania) folosind radiația Cu Kα . Dimensiunile particulelor aglomerate ale probelor au fost analizate cu analizorul de particule cu laser (Micro-plus, Germania). Ca2+ solubile și au fost analizate prin titrare cu EDTA și, respectiv, prin spectrofotometrie cu cromat de bariu (Model 722, Xiaoguang, China).

3. Rezultate și discuții

3.1. Rezultatele și discuțiile

3.1. Formarea de CaSO4-2H2O activ prin ruta calcinare-hidratare

Morfologia și modelele XRD ale materiei prime (a), ale probei de calcinare (b) și ale probei de hidratare (c) sunt prezentate în figurile 1 și, respectiv, 2. Materia primă CaSO4-2H2O a fost compusă din plăci neregulate (o lungime de 1,5-20,0 μm și o lățime de 3,5-10,0 μm) și particule (un diametru de 0,5-5,5 μm). După tratamentul de calcinare la 150°C timp de 6,0 h, materia primă CaSO4-2H2O a fost transformată în plăci dreptunghiulare neregulate CaSO4-0,5H2O cu o lungime de 1,0-10,0 μm și o lățime de 0,2-3,0 μm. Hidratarea CaSO4-0,5H2O la temperatura camerei a dus la formarea de planuri dreptunghiulare neregulate de CaSO4-2H2O cu o lungime de 1,0-5,0 μm și o lățime de 0,1-2,0 μm. Datele din figura 2 au arătat că intensitățile vârfurilor XRD din curbă au fost mai slabe decât cele din curbă , ceea ce arată că tratamentul de calcinare-hidratare a favorizat formarea de CaSO4-2H2O cu o cristalinitate slabă. Dimensiunile granulelor materiei prime, ale probei de calcinare și ale probei de hidratare au fost estimate la 94,9 nm, 37,5 nm și, respectiv, 39,5 nm, pe baza vârfurilor (020) situate la ° și a ecuației Scherrer: , unde , , , , și reprezintă dimensiunea grăuntelui, lungimea de undă a Cu Kα (1,54178 Å), lățimea completă la jumătate de maxim (FWHM) și, respectiv, constanta Scherrer ,.

(a)

(b)

(c)

.
(a)
(b)
(c)

Figura 1

Morfologia materiei prime (a), calcinare (b) și a probelor de calcinare-hidratare (c).

Figura 2

Programele XRD ale probelor de materie primă (1), calcinare (2) și calcinare-hidratare (3). Pătratul negru reprezintă CaSO4-2H2O, cercul negru reprezintă CaSO4-0,5H2O.

Dimensiunile BET și ale particulelor aglomerate ale materiei prime, ale probei de calcinare și ale probei de hidratare, sunt prezentate în figura 3. Dimensiunile BET și ale particulelor aglomerate au fost de 4,75 m2-g-1 și 29,7 μm pentru materia primă, de 13,37 m2-g-1 și 15,5 μm pentru proba de calcinare și de 19,12 m2-g-1 și 15,1 μm pentru proba de hidratare, ceea ce relevă creșterea BET și scăderea dimensiunilor particulelor aglomerate ale probelor după calcinare și tratamentul de calcinare-hidratare. Lucrarea de mai sus a arătat că procedeul de calcinare-hidratare a favorizat activarea precursorului CaSO4-2H2O

(a)

(b)

.

(a)
(b)

Formarea hidrotermală a mustăților de CaSO4-0,5H2O din precursorul activ CaSO4-2H2O.

Figura 4 prezintă variația lui și cu timpul de reacție hidrotermală. În comparație cu CaSO4-2H2O comercial, CaSO4-2H2O activ produs prin tratamentul de calcinare-hidratare a fost mai ușor de dizolvat în condiții hidrotermale, astfel încât and în sistemul CaSO4-2H2O activ a fost mai mare decât cel din sistemul CaSO4-2H2O comercial. Creșterea treptată a lui și în intervalul 2,0-3,0 h a indicat dizolvarea mai rapidă a CaSO4-2H2O decât precipitarea CaSO4-0,5H2O, în timp ce scăderea lui și în timpul ulterior a arătat precipitarea mai rapidă a CaSO4-0,5H2O decât dizolvarea CaSO4-2H2O.

(a)

(b)

.
(a)
(b)

Figura 4

Variația valorilor (a) și (b) cu timpul de reacție hidrotermală. Precursor: 1: CaSO4-2H2O comercial, 2: CaSO4-2H2O activ.

Figura 5 prezintă variația morfologiei probelor cu timpul de reacție hidrotermală. CaSO4-2H2O comercial a fost transformat în șuvițe de CaSO4-0,5H2O după 2,0 h de tratament hidrotermic, în timp ce CaSO4-2H2O activ produs prin tratament de calcinare-hidratare a fost transformat în șuvițe de CaSO4-0,5H2O după 1,0 h de reacție hidrotermală datorită accelerării procesului hidrotermic de dizolvare-precipitare. S-a observat, de asemenea, că diametrele mustăților de CaSO4-0,5H2O formate din CaSO4-2H2O activ au fost mult mai subțiri decât cele din CaSO4-2H2O comercial. De exemplu, după 4,0 h de reacție hidrotermală, mustățile de CaSO4-0,5H2O cu un diametru de 1,0-5,0 μm, o lungime de 5-100 μm și un raport de aspect de 20-80 au fost preparate din CaSO4-2H2O comercial, în timp ce CaSO4-0.5H2O cu un diametru de 0,1-0,5 μm, o lungime de 30-200 μm și un raport de aspect de 270-400 au fost produse din precursorul CaSO4-2H2O activ [figurile 5(e) și 5(j)].

(a)

(b)

.
(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

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

Figura 5

Variația morfologiei probelor cu timpul de reacție hidrotermală Precursor: (a)-(e): CaSO4-2H2O comercial, (f)-(j): CaSO4-2H2O activ; Timp (h): (a), (f) 0,5; (b), (g) 1,0; (c), (h) 2,0; (d), (i) 3,0; (e), (j) 4,0.

Figura 6 prezintă desenul schematic pentru conversia CaSO4-2H2O comercial/activ în mustăți de CaSO4-0,5 H2O. Precursorul CaSO4-2H2O activ cu granulație mică și BET ridicat a fost format prin tratament de calcinare-hidratare, care a accelerat dizolvarea hidrotermală a CaSO4-2H2O și a promovat formarea de mustăți de CaSO4-0,5H2O cu rapoarte de aspect ridicate.

Figura 6

Desenul schematic pentru conversia CaSO4-2H2O comercial/activ în CaSO4-0.5H2O whiskers.

4. Concluzie

Precipientul CaSO4-2H2O activ a îmbunătățit morfologia mustăților de CaSO4-0.5H2O. CaSO4-2H2O activ a fost produs prin calcinarea CaSO4-2H2O comercial la 150°C timp de 6,0 h, urmată de hidratare la temperatura camerei timp de 1,0 h. Utilizarea CaSO4-2H2O activ a favorizat dizolvarea hidrotermală a CaSO4-2H2O și formarea de mustăți de CaSO4-0,5H2O cu rapoarte de aspect ridicate, producând CaSO4-0.5H2O cu o lungime de 30-200 μm, un diametru de 0,1-0,5 μm și un raport de aspect de 270-400.

Recunoștințe

Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională de Științe a Chinei (nr. 51234003 și nr. 51174125) și de Programul Național de Cercetare și Dezvoltare Hi-Tech al Chinei (Programul 863, 2012AA061602).