影響回收氯化鎂溶液制備碳酸鈣晶須的因素

劉　昉，毛文濤

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川　成都　610065)

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影響回收氯化鎂溶液制備碳酸鈣晶須的因素

劉昉，毛文濤

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065)

采用碳酸化法制備碳酸鈣晶須，使用氯化鎂為晶型控制劑，主要研究了氯化鎂溶液的回收利用情況。結(jié)果表明，初始鎂鈣摩爾比、反應(yīng)溫度、二氧化碳?xì)怏w流量等因素對(duì)晶須形貌、含量以及氯化鎂的回收利用效果有明顯影響。較高鎂鈣摩爾比有利于形成形貌、含量理想的晶須，當(dāng)維持較低過(guò)飽和度時(shí)，有利于氯化鎂溶液的回收利用。

碳酸鈣；晶須；碳酸化法；氯化鎂回收

晶須是一種以單晶形式生長(zhǎng)的具有較大長(zhǎng)徑比的類短纖維無(wú)機(jī)材料，結(jié)構(gòu)近乎完整，其強(qiáng)度和模量接近理論值。碳酸鈣是一種重要的無(wú)機(jī)材料，其晶型結(jié)構(gòu)有方解石、文石和球霰石三種：方解石是熱力學(xué)穩(wěn)定相，自然界中常以大理石和石灰石等形式存在；文石是亞穩(wěn)相的碳酸鈣，特征形貌為針狀；球霰石是人工合成的碳酸鈣，在自然界中極不穩(wěn)定[1]。碳酸鈣晶須即是文石相碳酸鈣，具有優(yōu)良的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，且與基體有很好的相容性[2]。因此，作為一種增強(qiáng)增韌填充材料已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)和無(wú)機(jī)復(fù)合材料中[3-5]。

文獻(xiàn)報(bào)道的合成碳酸鈣晶須的方法有：碳酸化法、復(fù)分解反應(yīng)法[6]、尿素水解法[7]、溶膠-凝膠法[8]等等。其中碳酸化法具有能耗低、工藝簡(jiǎn)單、原料豐富等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。在碳酸化法中，采用晶型控制劑[9]生成文石相碳酸鈣是研究較多的方法，這種方法具有易于實(shí)施、產(chǎn)物質(zhì)量較好的優(yōu)點(diǎn)。氯化鎂是碳酸化法制備碳酸鈣晶須最常用的晶型控制劑，它的回收利用問(wèn)題成為碳酸化法能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化的關(guān)鍵所在。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1主要試劑與儀器

氧化鈣，氯化鎂，無(wú)水乙醇，均為分析純且由成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

XSZ-H光學(xué)顯微鏡，重慶光學(xué)儀器廠；MD50顯微鏡照相攝像頭，廣州明美光電技術(shù)有限公司；DX-1000 X射線衍射儀，丹東方圓儀器有限公司；FA2204B電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱器，鄭州匯成科工貿(mào)有限公司；JJ-1A增力電動(dòng)攪拌器，金壇富華儀器有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將氧化鈣固體在研缽中研磨均勻。將一定量氧化鈣粉末溶解于250 mL去離子水中，常溫?cái)嚢?0 min后配成Ca(OH)2懸濁液。取一定量氯化鎂溶液加入Ca(OH)2懸濁液中，常溫?cái)嚢?0 min使二者充分混合。將鎂鈣混合液加入圓底燒瓶，緩慢攪拌并加熱至反應(yīng)溫度70～80 ℃，然后通入CO2氣體開(kāi)始反應(yīng)，CO2流量40～50 mL/min，反應(yīng)時(shí)間60 min。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物抽濾分離，回收濾液，沉淀物用去離子水和乙醇洗滌后低溫烘干。主要涉及的反應(yīng)如下：

Ca(OH)2+MgCl2=CaCl2+Mg(OH)2

(1)

CaCl2+Mg(OH)2+CO2=CaCO3↓+MgCl2+H2O

(2)

將所得樣品在光學(xué)顯微鏡下觀察其形貌，然后用X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，確定樣品的物相并計(jì)算碳酸鈣晶須含量。

2　結(jié)果與討論

根據(jù)上述反應(yīng)(1)、(2)，理論上講氯化鎂在生成碳酸鈣晶須的過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生直接損耗，是可以循環(huán)使用的。然而，實(shí)際生產(chǎn)中并非如此，氯化鎂的回收利用問(wèn)題已成為制約碳酸化法制備碳酸鈣晶須大規(guī)模工業(yè)化的瓶頸。因此，對(duì)氯化鎂的回收利用展開(kāi)研究，具有重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義。在本研究中，使用的回收氯化鎂溶液是前一次碳酸化反應(yīng)后的過(guò)濾母液，在回收使用時(shí)用水調(diào)節(jié)濃度后不另添加新鮮氯化鎂。

圖1所示是當(dāng)T=80 ℃、VCO2=50 mL/min時(shí)不同初始鎂鈣摩爾比(Mg/Ca)條件下使用新鮮氯化鎂溶液和回收氯化鎂溶液制備的碳酸鈣晶須。由圖可見(jiàn)，當(dāng)初始鎂鈣摩爾比等于1.4時(shí)，使用氯化鎂新液時(shí)能獲得形貌良好的晶須(圖1(a))，產(chǎn)物中另有少量細(xì)小顆粒；然而，使用一次回收液時(shí)，晶須明顯變短變細(xì)(圖1(b))，晶須數(shù)量大大降低，產(chǎn)物中是大量細(xì)小顆粒，而在使用二次回收液時(shí)，產(chǎn)物中幾乎沒(méi)有晶須存在(圖1(c))。當(dāng)初始鎂鈣摩爾比等于1.8時(shí)，使用氯化鎂新液獲得的產(chǎn)物全為形貌良好的晶須(圖1(d))；在鎂液回收實(shí)驗(yàn)中，使用一次回收液時(shí)產(chǎn)物中有部分形貌良好的晶須(圖1(e))，但還有大量小顆粒，而在使用二次回收液時(shí)，形貌良好的晶須就更少了(圖1(f))。由此可知，氯化鎂作為碳酸化法的晶型控制劑時(shí)，它的用量是產(chǎn)物中能否得到完全晶須和影響回收液使用效果的重要因素之一。

圖1　初始鎂鈣比為1.4時(shí)使用氯化鎂新液(a)，一次回收液(b)，二次回收液(c)制備的晶須；初始鎂鈣比為1.8時(shí)使用氯化鎂新液(d)，一次回收液(e)，二次回收液(f)制備的晶須

圖2中，(a)、(b)是初始鎂鈣摩爾比(Mg/Ca)分別為1.4和1.8時(shí)使用新鮮氯化鎂溶液制備的晶須XRD譜圖。經(jīng)分析，兩個(gè)樣品的物相基本一致：主要含文石(aragonite)相碳酸鈣即晶須，并含有少量方解石(calcite)相碳酸鈣。為了進(jìn)一步確認(rèn)產(chǎn)物中晶須含量，可以利用XRD結(jié)果計(jì)算得知，計(jì)算式[10]如下：

(3)

其中，y是文石相的計(jì)算質(zhì)量百分含量；Ia和Ic分別對(duì)應(yīng)XRD譜圖中文石相和方解石相的最強(qiáng)峰的積分強(qiáng)度值。經(jīng)計(jì)算，圖2(a)中樣品的晶須含量為88.3%，圖2(b)中樣品的晶須含量為96.0%，該結(jié)果與圖1(a)、1(d)一致。

圖2中，(c)、(d)是初始鎂鈣比為1.8時(shí)分別使用一次回收鎂液和二次回收鎂液制備的晶須XRD譜圖。經(jīng)計(jì)算，使用一次回收液的產(chǎn)物中晶須含量為36.84%，而使用二次回收液時(shí)的晶須含量?jī)H為8.71%。值得注意的是，圖2中(a)、(b)、(c)三個(gè)樣品中均含有少量氫氧化鎂，這意味著每次反應(yīng)均有部分鎂損失了到產(chǎn)物中去，這可能是氯化鎂回收利用效果不佳的原因。

圖2　初始鎂鈣比為1.4時(shí)使用新鮮鎂液(a)制備的晶須XRD譜圖和初始鈣鎂比為1.8時(shí)使用新鮮鎂液(b)、一次回收液(c)、二次回收液(d)制備的晶須XRD譜圖

圖3　初始鈣鎂比為1.8時(shí)使用新鮮鎂液(a)、一次回收液(b)、二次回收液(c)制備的晶須XRD譜圖

上述氯化鎂溶液回收利用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不理想。不少文獻(xiàn)報(bào)道均采用加大氯化鎂用量即提高初始鎂鈣比或在回收液中添加新鮮鎂液的辦法來(lái)提高其回收利用效果，然而，本研究希望通過(guò)控制其他因素來(lái)解決氯化鎂的回收問(wèn)題。碳酸鈣作為熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的晶須形成時(shí)，反應(yīng)體系中過(guò)飽和度應(yīng)處于較低水平，才能有利于形成文石相晶體，這對(duì)于使用回收氯化鎂溶液在反應(yīng)初期形成文石相晶核顯得尤為重要。因此，本研究選擇在保持初始鎂鈣比為1.8不變時(shí)，通過(guò)降低反應(yīng)溫度和二氧化碳流量來(lái)使反應(yīng)體系處于穩(wěn)定的較低過(guò)飽和度水平，即在T=70 ℃，VCO2=40 mL/min條件下進(jìn)行氯化鎂回收實(shí)驗(yàn)，圖3是

此實(shí)驗(yàn)所得樣品的XRD譜圖。根據(jù)圖3計(jì)算得知，此條件下使用新鮮鎂液制備的產(chǎn)物中晶須含量為97.1%，使用一次回收液時(shí)晶須含量為93.8%，而使用二次回收液時(shí)晶須含量為59.1%。由此可知，在同時(shí)降低了反應(yīng)溫度和二氧化碳流量的情況下，使用新鮮鎂液制備的產(chǎn)物中晶須含量與之前新液實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，且略有上升；然而在鎂液回收實(shí)驗(yàn)中，一次回收液得到的產(chǎn)物中晶須含量幾乎亦與新鮮鎂液的結(jié)果處于同一水平，對(duì)于二次回收液得到的產(chǎn)物，也比之前回收實(shí)驗(yàn)的結(jié)果好很多。這表明，本研究通過(guò)降低反應(yīng)溫度和氣體流量來(lái)降低體系過(guò)飽和度，旨在提高氯化鎂回收利用效果是合理有效的。另外，圖3中氫氧化鎂特征峰的相對(duì)強(qiáng)度也比圖2中低，表明產(chǎn)物中氫氧化鎂含量很少，這意味著化學(xué)反應(yīng)(2)進(jìn)行得較為徹底，多次反應(yīng)后鎂鹽的損失不大，這可能正是此條件下氯化鎂回收利用情況較好的原因。

3　結(jié)　論

較高的初始鎂鈣比有利于氯化鎂的回收利用，這歸因于反應(yīng)體系中有充足的晶型控制劑。較高溫度和較高氣體流量雖在使用新鮮鎂液時(shí)不造成產(chǎn)物中晶須含量出現(xiàn)明顯變化，但卻在鎂液回收利用中產(chǎn)生顯著不利影響。通過(guò)降低反應(yīng)溫度和二氧化碳流量來(lái)維持反應(yīng)體系較低的過(guò)飽和度，有利于作為熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的晶須形成，有利于氯化鎂溶液的回收利用。

[1]趙濤濤,馮小平,張正文,等.回收氯化鎂溶液對(duì)合成碳酸鈣晶須的影響[J].建材世界,2011,32(1):4-7.

[2]馮小平,張正文,趙濤濤,等.晶型控制劑對(duì)碳酸鈣晶須合成的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(5):37-40.

[3]陳晰,桂紅星,陳濤,等.碳酸鈣晶須補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠的性能研究[J].橡膠工業(yè),2013,60(1):25-28.

[4]李鈞,李錦春,劉奇?zhèn)?等.碳酸鈣晶須對(duì)PP/芳綸漿粕復(fù)合材料性能的影響[J].塑料工業(yè),2014,42(12):107-110.

[5]李明,劉萌,楊雨佳,等.碳酸鈣晶須改善固井水泥漿性能研究[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(12):3145-3150.

[6]趙麗娜,劉歡,馮少?gòu)?qiáng),等.文石型碳酸鈣晶須的制備及其力學(xué)性能研究[J].化學(xué)通報(bào),2013,76(12):1141-1144.

[7]徐坤,方瑩,李鎮(zhèn).文石碳酸鈣晶須的制備研究進(jìn)展[J].化工新型材料,2013,41(12):30-32.

[8]謝元彥,楊海林,阮建明,等.溶膠-凝膠法制備碳酸鈣晶須[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2009,14(3):164-168.

[9]趙麗娜,陳璐,王悅.控制劑對(duì)文石型碳酸鈣晶須合成的影響[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(2):64-67.

[10]陳艷萍,嚴(yán)云,胡志華.碳酸鈣晶須的制備及含硫化合物對(duì)碳酸鈣晶須影響的研究[J].人工晶體學(xué)報(bào),2015,44(5):1347-1153.

Influences in Magnesium Chloride Recycle from Preparation of Calcium Carbonate Whisker

LIUFang,MAOWen-tao

(College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China)

Calcium carbonate whisker was prepared via carbonation process using magnesium chloride as crystal polymorph control agent. Recycle of magnesium chloride was investigated. The results showed that initial Mg/Ca ratio, temperature and carbon dioxide gas flow affected the morphology and content of whisker in product, and influenced the recycling utilization of magnesium chloride. Higher initial Mg/Ca ratio was conducive to form preferable whiskers, while maintenance of lower supersaturation degree was in favor of magnesium chloride recycle.

calcium carbonate; whisker; carbonation method; magnesium chloride recycle

劉昉(1981-)，女，講師，主要從事化工新材料和新技術(shù)研究。

TQ343.9

A

1001-9677(2016)010-0089-03