超重力反應結晶碳化法制備球形碳酸鈣

劉晨民，劉曦曦，陳小鵬，王偉超，廖丹葵，蒙秀松，童張法

（1 廣西大學化學化工學院，廣西 南寧 530004；2 廣西大學廣西碳酸鈣產業化工程院廣西鈣基材料協同創新中心，廣西 南寧 530004；3 崇左南方水泥有限公司廣西鈣基材料協同創新中心，廣西 崇左 532200）

碳酸鈣作為一種優質填料和白色顏料，廣泛應用于眾多化工行業[1-2]。碳酸鈣常見的形態主要有無規則形、紡錘形、球形、片形和立方體形等，不同形態的碳酸鈣其應用領域和功能各不相同，其中，球形碳酸鈣憑借良好的分散性、流動性、溶解性及比表面積大等特點，在塑料、橡膠、食品與造紙等領域有著重要的應用[3]。目前球形碳酸鈣主要制備方法有復分解法和碳化法。復分解法雖可制得形貌規整、分散度好的球形碳酸鈣，但這種方法原料較貴且會引入大量的雜質離子，不適合工業化生產[4-5]。碳化法是工業上最為常用的方法，傳統碳化法主要分為間歇式碳化法與連續噴霧式碳化法。雖然碳化法的成本較低，可以進行大規模生產，但傳統碳化法制備球形碳酸鈣存在粒徑分布不均勻、生產效率低等問題[4]。

球霰石作為熱力學上不穩定的晶型，在潮濕環境與水溶液中難以穩定存在，需要使用一些特殊的方法才能穩定獲得[15]。研究表明在碳化反應過程中引入NH4+不僅可以在結晶過程中抑制方解石的生成，向利于碳酸鈣晶型往球霰石方向轉變，而且NH4+的氛圍又能夠使生成的球霰石在溶液中穩定存在[16]。與NH4+不同的是，酸性氨基酸在溶液中會發生解離并與Ca2+結合形成晶種模板，在晶種模板的影響下也會使得生成的碳酸鈣出現亞穩態晶相，并且合適的氨基酸的引入會在碳酸鈣結晶過程中產生特定的功能并對形貌進行修飾[17]。本文將使用價格低廉的谷氨酸與氯化銨作為添加劑，研究在超重力場中球形碳酸鈣的可控制備，并考察兩種添加劑在碳酸鈣合成中的作用。

1 材料和方法

1.1 實驗原料與試劑

石灰石（CaCO3），崇左南方水泥有限公司，CaCO3質量分數97%。生石灰（CaO），工業級，實驗室自主制備。CO2，99.5%，鋼瓶氣體，廣西誠信氣體研究有限公司。L-谷氨酸（C5H9NO4），分析純，南寧藍天實驗設備有限公司。氯化銨（NH4Cl），分析純，南寧藍天實驗設備有限公司。

1.2 超重力反應實驗裝置

實驗裝置流程如圖1所示，其內部重要參數如表1所示。

表1 旋轉填充床的內部結構參數

圖1 超重力反應結晶實驗裝置

超重力因子是旋轉填料床的平均超重力加速度與重力加速度之比，為量綱為1量，用來描述旋轉填料床中超重力場的強度，按式(1)、式(2)計算[18]。

式中，β為超重力因子；ω為角速度，s-1；ri為轉子填料內半徑，m；ro為轉子填料外半徑，m；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；n為超重力機轉速，r/min。

相比于文獻[14]中的設備，本文移除了設備自帶的循環水箱而采用大功率外接循環水，對溫度的控制更加穩定。先將石灰石在1100℃條件下進行煅燒，加入水配制成氫氧化鈣漿液，經200目過篩去除殘渣，調濃，并陳化不少于24h，加入L-谷氨酸與氯化銨進行混合，移入循環料液釜當中，氫氧化鈣漿液在泵的作用下進入旋轉填充床中，經由液體分布器的作用噴向填料轉子，填料轉子高速旋轉向填料外緣流動，CO2從氣瓶進入到填料床當中，由填料外緣向內緣流動，氣液兩相發生逆流接觸進行碳化反應生成碳酸鈣。此后原料中未反應的Ca(OH)2和生成的碳酸鈣漿液一同回流至循環料液釜中攪拌混合均勻，再循環重復以上碳化過程，直至料液的pH 降至7 時反應結束。從出料口收集碳酸鈣漿液。經過洗滌、離心、干燥等步驟后，得到碳酸鈣成品。

1.3 分析測試儀器

1.3.1 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（SEM），S-3400N，日本Hitachi 公司。工作電壓15kV，表征晶體形貌。高真空環境，在不導電的晶體表面鍍一層金薄膜，通過這層與樣品表面起伏一致并不改變樣品表面二次電子信號的導電膜，獲得微觀晶體形貌。

1.3.2 X射線雙晶粉末衍射儀

X 射線雙晶粉末衍射儀（XRD），Smartlab-9kW，日本理學公司。Cu Kα靶，工作電壓為40kV，電流40mA，步長0.03°，掃描速率10°/min，衍射角范圍20°～90°。XRD 檢測的樣品是碳酸鈣粉末，使用玻璃片將其平鋪于載玻片的凹槽當中，將載玻片置于儀器當中進行分析。

1.3.3 靜態顆粒圖像分析儀

靜態顆粒圖像分析儀，MORPHO1OGIG3S 型，馬爾文儀器有限公司。將碳酸鈣樣品分散于乙醇中，滴于載玻片上進行干燥，置入儀器中進行球形度擬合測定，球形度用于衡量一個物體的球形化程度，在1935年，由Wadell定義，定義為式(3)[19]。

式中，Ψ為球形度，球形度為表征顆粒形貌的參數，形貌上越接近球的顆粒，其球形度越接近于1；Ss與Sr分別為理想球體的表面積和該物體實際表面積。

1.3.4 傅里葉變換紅外光譜儀

傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），Nicolet iS50，美國Thermo Fisher 公司。對碳酸鈣樣品進行表征，考察碳酸鈣內部的官能團與化學鍵。測試方法為KBr 壓片法，掃面范圍400～4000cm-1，分辨率2cm-1，掃面次數20次。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖2為在L-谷氨酸和氯化銨添加量分別為氫氧化鈣質量的4%和20%、超重力因子為161.0 的條件下制備的球形碳酸鈣的SEM 圖。從圖中可以看出，在碳化過程中添加L-谷氨酸和氯化銨制備出的碳酸鈣粒子形貌為球形，產品大小比較均一，形貌較好，從放大圖中可以看到所制備的球形碳酸鈣表面并不光滑，是由更小的納米粒子聚集而成。

圖2 球形碳酸鈣SEM圖

2.2 XRD分析

圖3 中a、b 分別為不添加L-谷氨酸與氯化銨和添加L-谷氨酸與氯化銨所制備得到碳酸鈣的XRD 圖。通過分析可知，當不添加L-谷氨酸與氯化銨時，所制備的碳酸鈣為方解石晶型且具有較高的純度。當體系中引入L-谷氨酸與氯化銨時，碳酸鈣晶型為球霰石型且方解石晶相并未出現。可以認為L-谷氨酸與氯化銨的引入不僅使碳酸鈣的形貌發生改變，而且改變了碳酸鈣的晶型，使碳酸鈣以不穩定的球霰石晶型存在。

圖3 球形碳酸鈣XRD譜圖

2.3 紅外分析

分別對不添加L-谷氨酸與氯化銨和添加L-谷氨酸與氯化銨所制備的碳酸鈣進行紅外分析得到圖4。從圖4 中可以看出，不加入添加劑的普通碳酸鈣在1784cm-1處存在C＝O 伸縮振動峰，1420cm-1存在C―O 伸縮振動峰，874cm-1處存在CO32-面外彎曲振動峰，712cm-1處存在O―C―O 的面內彎曲振動峰，而引入添加劑制備得到的球形碳酸鈣與之相比，增加了3065cm-1處的O―H 伸縮振動峰、2736cm-1處的C―H 伸縮振動峰、2649cm-1處O―H 伸縮振動峰、1250cm-1處O―H 面內彎曲振動峰、801cm-1處伯胺N―H面外彎曲振動峰以及698cm-1處C―H 面外彎曲振動峰。根據這些基團，可以確定球形碳酸鈣中存在L-谷氨酸。

圖4 球形碳酸鈣紅外譜圖

2.4 氯化銨添加量對碳酸鈣形貌及晶型的影響

為研究氯化銨添加量對碳酸鈣結晶的影響，選定L-谷氨酸添加量為氫氧化鈣質量的4%，超重力因子為161.0，改變氯化銨添加量為氫氧化鈣質量的0、5%、10%、15%、20%、25%。其氯化銨添加量對碳酸鈣形貌與晶型影響分別如圖5與圖6所示，對碳酸鈣球形度測試得到結果如表2所示。從圖5可見，在不加入氯化銨的情況下制備的碳酸鈣為類球形，球形度很低，僅存在部分類球形碳酸鈣，這是由于氫氧化鈣的濃度過高，顆粒團聚嚴重所致。隨著氯化銨的引入，碳酸鈣逐漸轉變為規則的球形，當氯化銨添加量為20%時，形貌最為規整，而當氯化銨添加量進一步升高至25%時，碳酸鈣形貌被破壞，多數成長為團聚的大塊。

圖5 不同氯化銨添加量下所制備的碳酸鈣的SEM圖

從表2球形度測試結果可以得出與SEM圖相一致的結果，不加入氯化銨時碳酸鈣球形度較低，為0.833，隨著氯化銨的不斷加入，所得球形碳酸鈣的球形度逐步提高，并在氯化銨添加量為氫氧化鈣的20%時達到0.944的最高點。而當氯化銨加入量進一步提升，碳酸鈣球形度下降至0.767。

表2 不同氯化銨添加量下碳酸鈣樣品的球形度

從圖6可知，未加入氯化銨時，體系中出現了球霰石晶相，且隨著反應的進行，球霰石并未轉變為熱力學上更穩定的方解石，證明谷氨酸作為酸性氨基酸在碳化反應中對碳酸鈣的晶型形成存在影響。隨著銨離子的引入，銨離子在溶液中對球霰石轉變為方解石這一反應進行了抑制，在XRD 中表現為方解石晶相消失，碳酸鈣全部成長為球霰石，這一晶型的碳酸鈣在L-谷氨酸的修飾下最終成長為球形碳酸鈣。

圖6 不同氯化銨添加量下所制備的碳酸鈣XRD圖

2.5 L-谷氨酸添加量對碳酸鈣形貌及晶型的影響

為研究L-谷氨酸添加量對碳酸鈣結晶的影響，選定氯化銨添加量為氫氧化鈣質量的20%，超重力因子為161.0，改變L-谷氨酸添加量為氫氧化鈣質量的0、1%、2%、3%、4%、5%。L-谷氨酸添加量對碳酸鈣形貌與晶型影響分別如圖7 與圖8 所示，其碳酸鈣球形度測試結果如表3 所示。從表3分析可知，當不加入L-谷氨酸時，碳酸鈣并不成球，隨著L-谷氨酸的不斷加入，碳酸鈣球形度不斷升高，當添加量為4%時，球形度最高為0.951，但當L-谷氨酸加入過多，同樣會使得原本規整的球形碳酸鈣轉變為團聚的大塊，這與圖7中SEM圖反映出的碳酸鈣球形貌變化相一致，說明谷氨酸的加入對碳酸鈣的形貌具有修飾作用[20]。從圖8分析可知，因溶液中存在較高濃度的NH4+，NH4

表3 不同L-谷氨酸添加量下碳酸鈣樣品的球形度

圖7 不同L-谷氨酸添加量下所制備的碳酸鈣SEM圖

圖8 不同L-谷氨酸添加量下所制備的碳酸鈣XRD圖

+的存在使得球霰石優先形成并抑制球霰石向熱力學上更穩定的方解石轉變，富含NH3與NH4+的溶液體系能夠使得球霰石這種原本不穩定的晶相穩定存在于溶液中，故體系中生成的碳酸鈣均為純凈的球霰石。

2.6 超重力因子對碳酸鈣形貌的影響

為研究超重力因子對碳酸鈣結晶的影響，分別選定L-谷氨酸和氯化銨添加量為氫氧化鈣質量的4%和20%，改變超重力因子為40.2、71.5、111.7、161.0和219.1。超重力因子對碳酸鈣形貌的影響如圖9所示，碳酸鈣球形度測試結果如表4所示。由圖9 和表4 可見，當超重力因子為40.2 時，碳酸鈣結晶的球形度最低，隨著超重力因子不斷提高，碳酸鈣結晶的球形度也隨之增大，但當超重力因子為219.1 時，碳酸鈣結晶的球形度開始下降。超重力因子大小的控制是通過控制旋轉床轉速實現的，在高轉速的情況下，可以達到提高漿液表面更新率，強化傳質過程的效果，因此高濃度漿液得以攪拌充分，有效地防止了氫氧化鈣原料過度包覆的可能，以此提供了一個相對普通重力場更合適的球鈣生成環境[21]，也可以解釋在超重力因子相對較低時球形度并不理想的現象，而當超重力因子過高時，離心力過大，會將成型的球形碳酸鈣進行物理破壞，使其無法形成完整的球體。

表4 不同超重力因子下碳酸鈣樣品的球形度

圖9 不同超重力水平下所制備的碳酸鈣的SEM圖

2.7 碳酸鈣成球機理的探討

2.7.1 紅外分析

在整個碳化反應過程中，體系初始反應的pH為11～12，分別在pH為10、9、8、7時（對應碳化反應時間為5min、7min、9min和12min）取樣并進行紅外分析得到紅外譜圖，如圖10所示。

分析圖10 可知，所取的四個樣品中均存在L-谷氨酸，在整個碳化反應過程中，pH為10時的樣品譜圖在2514cm-1出現了羧基二聚體吸收峰[22]，可以證明L-谷氨酸發生了解離并且與鈣離子發生了靜電吸引結合在一起，而并非單純地附著在碳酸鈣表面，此時溶液中存在少量碳酸鈣和L-谷氨酸中間體。而隨著pH 的不斷降低，即隨著碳化反應的不斷進行，羧基二聚體的吸收峰不斷減弱。當反應達到終點（pH=7）時，羧基二聚體的吸收峰消失。證明L-谷氨酸中間體消失，反應結束。即在反應初期，L-谷氨酸與溶液中游離的鈣離子結合為羧基二聚體（L-谷氨酸水解帶一價負電，鈣離子帶二價正電，一個鈣離子與兩個谷氨酸結合）。該中間體作為晶種模板引導碳酸鈣的形成，隨著反應的進行，中間體的數量逐漸減少，在紅外中顯示為2514cm-1處峰強度不斷減弱。至pH=7 時，中間體消失，溶液中的鈣離子完全轉化為碳酸鈣，在紅外譜圖中表現為2514cm-1處的吸收峰消失。L-谷氨酸中間體結構如圖11所示。

圖10 不同pH下碳酸鈣樣品的紅外光譜圖

圖11 L-谷氨酸中間體結構

2.7.2 XRD分析

不同pH下取得的樣品進行XRD分析，實驗結果如圖12所示。

由圖12 可知，當反應體系pH 為10、9、8 時，因反應尚未結束，因此體系中仍然存在氫氧化鈣衍射峰。當pH 為8 時，氫氧化鈣衍射峰極弱，說明反應接近結束。至pH=7 時，氫氧化鈣衍射峰消失，生成球霰石型碳酸鈣。可以看到隨著碳化反應的進行，反應體系中并未出現方解石，而是始終以球霰石的形式進行生長，而當溶液體系中不含有NH4+時，將會生成方解石與球霰石共存的產物，說明反應體系中NH4+的存在確實能夠對方解石的形成進行抑制，并且在NH4+大量存在的環境中，球霰石并未發生溶解-重結晶過程，發生晶型轉變成為熱力學上更穩定的方解石，證明NH4+的存在能夠穩定球霰石。

圖12 不同pH下取得樣品的XRD圖

綜上，球形碳酸鈣成球機理示意圖如圖13所示。

圖13 碳酸鈣成球的機理示意圖

反應開始前，體系中的L-谷氨酸在堿性條件下發生水解，通過靜電作用與鈣離子結合成為晶種模板，隨著氣體的通入，二氧化碳溶解在體系中成為碳酸根離子，并在晶種模板的引導下與鈣離子結合生長成為碳酸鈣，而后體系中大量存在的銨根離子控制碳酸鈣晶型向著球霰石型碳酸鈣轉變，這一晶型的碳酸鈣在L-谷氨酸的修飾下成長為球形。

3 結論

使用超重力反應結晶碳化法，以L-谷氨酸與氯化銨為添加劑，制得了粒徑均一、晶型為球霰石的球形碳酸鈣。分別探討了L-谷氨酸與氯化銨添加量、超重力水平大小對產物晶型和球形度的影響。結果顯示，在L-谷氨酸與氯化銨添加量分別為氫氧化鈣4%和20%、超重力因子為161.0 的最優條件下，可以制得粒徑約為500nm、球形度較高的純球霰石碳酸鈣。探明了各影響因素對球霰石碳酸鈣形成的機理：反應開始前，L-谷氨酸與溶液中鈣離子形成模板影響了碳酸鈣的成核與生長，反應進程中溶液中大量存在的NH4+給球霰石的形成提供了一個良好的環境，超重力反應器對液體的高速切割防止了氫氧化鈣原料過度包覆的可能，實現了球形碳酸鈣的可控制備。