2017年1月 IN0RGANIC CHEMICALS INDUSTRY 一步常压酸化法制备无水硫酸钙晶须冰 吕智慧 -一,乃学瑛 ,董亚萍 ,李武 (1.中国科学院青海盐湖研究所盐湖资源综合高效利用重点实验室,青海西宁810008;2.中国科学院大学) 摘要:以生石膏为原料,一步常压酸化法制备无水硫酸钙晶须。采用单因素条件实验研究了反应温度、反应时 间、浓盐酸与水的体积比对产物的影响,并借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)对样 品进行了表征。实验结果表明:在反应温度为70℃、反应时间为4 h、浓盐酸和水的体积比为4:1的条件下,一步法制 备出了长度为10~20 m、直径为0.1~0.3 Ixm的无水硫酸钙晶须。 关键词:无水硫酸钙晶须;一步合成;常压酸化法 中图分类号:TQ132.32 文献标识码:A 文章编号:1006—4990(2017)01一o022—03 One-step synthesis of anhydrous calcium sulfate whisker by atmospheric acidiifcation method Lti Zhihui1,2 Nai Xueying ,Dong Yaping ,Li Wu (1.Key Laboratory ofComprehensive and Highly Eficifent Utilization ofSalt Lake Resource,Qinghai Istnitute of SaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,China;2.E e ofChineseAcademyofSciences) Abstract:Using gypsum as raw material,anhydrous calcium sulfate whiskers were prepared by one—step atmospheric acidiif— cation method.The influences of reaction temperature,time,and volume ratio of concentrated-HC1/H2O on the product were investigated by single factor tests.Whiskers were characterized by scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction (XRD),and X-ray spectoscopy(EDS).rThe experiment results showed that,when the volume ratio ofconcentrated-HC1/H2O was 4:1,and the reaction temperature was controlled above 70℃for 4 h,anhydrous calcium sulfate whisker can be formed with lengths of 10-20 txm and diameters of0.1-0.3 LLm. Key words:anhydrous calcium sulfate whisker;one—step synthesis;atmospheric acidiifcation method 硫酸钙晶须分为二水、半水和无水硫酸钙晶须 二水硫酸钙晶须由于分解温度较低应用较少:半水 硫酸钙晶须结构中存在水通道.极易发生水化而改 变性质;无水硫酸钙晶须性能稳定,晶体结构致密, 型电热恒温鼓风干燥箱:SU8010型扫描电子显微 镜:SU8010牛津X—Max能谱仪;SHZ—D型循环水 式真空泵:JD500—3电子天平秤。 1.2实验方法 力学性能优异[1-4]。目前.无水硫酸钙晶须的制备一 般采用水热一灼烧法.在水热条件首先合成半水硫 将5 g生石膏与一定体积比的50 mL盐酸水溶 液在150 mL碘量瓶中混合.形成的白色料浆在一定 温度下.恒温水浴搅拌反应一段时间后得到白色悬 酸钙晶须.然后在600 oC以上高温灼烧得到产品I5]. 该法工业化生产成本相对较高 常压酸化法在制备 二水硫酸钙晶须和半水硫酸钙晶须[ ]方面报道较 多.而一步常压酸化法制备无水硫酸钙晶须还未有 报道 本文采用常压酸化法.以生石膏为原料一步合 浊液,冷却、过滤、洗涤、8O qC烘干即得到产物。 2结果与讨论 2.1 反应温度对无水硫酸钙晶须形貌的影响 成无水硫酸钙晶须.通过单因素条件实验.考察了反 应温度、反应时间、浓盐酸与水的体积比对晶须的影 响.并研究了无水硫酸钙晶须的生成过程 改变体系的反应温度.控制浓盐酸与水的体积 比为4:1.反应时间为4 h.考察反应温度对无水硫酸 钙晶须形貌的影响。图1、图2给出了浓盐酸与水体 1 实验部分 1.1试剂及仪器 积比为4时.不同反应温度反应4 h获得产物XRD 谱图和SEM照片。由图1、图2a可知,当反应温度 在50℃时,产物为棒状的CaSO ・0.5H O,说明该温 度下发生了CaSO .2H20向CaSO ・0.5H20的转化。 当反应温度为60℃时.棒状产物的表面出现了细小 的晶须.经XRD半定量谱图分析得出.晶体为83% 试剂:生石膏(AR),浓盐酸(10.8 mol/L)。 仪器:X Pert PRO型X射线衍射仪;DGX一9143B 基金项目:青海省科技厅项目应用基础研究计划(2015一ZJ一737)。 2017年1月 吕智慧等:一步常压酸化法制备无水硫酸钙晶须 CaSO .0.5tf ()干u 17%CaSO ,说明咳反』、 温度下反 未完全、 1水热温度 70 时.产物变为长度为 10~20 n1、l }:i 为0.1~0.3 m的CaS()4 t¨ill须 续 增加反悔濉 剑80 .『州样得到【才l聚的簇状品 颂..=丈验 【JiJ. 成CdS()。品须的最低反应温度为 70 .日+陔条什下所得产物 径较细小 0 1(J 3(1 4【l 5() 6() 7f】 20l。) 图I 不同温度下产物的XRI)谱图 一 1 5O ::I 一6(】 1::t一 ・~70 ::【】一t80 : 图2不同温度下产物的SEM谱图 2.2 反应时间对无水硫酸钙晶须形貌的影响 改变体系反啦时 .控制恒温反应温度为 70 .浓盐簸 j水的体积比为4:1.号察反应时问埘 尤水硫酸钙 须彤貌的影响 罔3、 4给m了浓盐 酸与水体干! 匕为4:l、反心温度为70 时.反应小同 t忖M获 产物的XRD谱 和SEM照片 、由罔3、 4a[1『知. {反 时间为l h时,产物形貌为棒状的 CaSO .0.51I、(),说明CaSO。.2H O发乍反喧,先乍成 ( aSO .0.5t1 【)、当反 fj、『问为2 I1时.怍状产物的表 f}I规J 细小的品须. XRD半定 分析.I}fI 体组成为78%CaSO ・0.5H,O和22%CaSO 的混合 .说明2 h反应未完全 继续延长反心时问到3 h. 4c.儿乎行1 到棒状产物.但XRD 定量分析 定为58%CaSO ・0.5tl O和42%CaSO。当反应}fl『 为4 h时所僻产物为纯净的CaSO 须.说明 ¨戊 CaSO 品须的最少反应fI1问为4 h.尤水硫酸钙I1f f 1须 的牛成 J _r片状二水硫酸钙剑体状半水硫阪钙. 冉到簇状九水硫酸钙 颈的过 l J ・(‘a O 05¨、( ▲(’aSO : … ...4 1 ● j . I ▲ . 3} 7 r —__』._—Lk 一 I …一 。 … 2() 3【)40 50 60 7【) 20/I。) 图3 不同反应时间下产物的XRI)谱图 a——1 h:b--2}1:c 3 h:lI一4 h 图4不同反应时间下产物的SEM照片 2.3体积比对无水硫酸钙晶须形貌的影响 改变体系浓盐酸与水的体积比.控制恒温反 温度勾70 .反应时n1J 4 h.号察体f}I比对无水硫 酸钙品 ̄lj{jf}貌的影响 、I殳1 5、 6给f¨_,浓盐酸 水 体积比分圳为2:3、3:2、4:l、5:0时, 7()Cc下反应4}I 获得广:物的XRD谱 f1】SEM照片、…罔5、 6 r 知. {浓盐酸与水体f!{比为2:3 .产物形貌 单一,XRD 定量分析结果为4%( a 0 .2H,(1、75% Ca () ・0.5H,O和21%CaSO j浓盐酸与水体积比 为3:2时.XRD半定鞋分析结果为6%CaSO .0.5H O 和94%CaSO 说fJ』】浓盐峻的『儿1入仃利丁水合硫胲 钙的脱水作用』、,浓盐酸与水体积比为4:1时.所得 产物为细K品须.XRD 定全部为CaSO 浓盐酸 水体积比为5:0时.所得产物变化小人广大1此选择浓 24 无机盐工业 第49卷第l期 盐酸与水体积比为4:1制备CaSO 晶须 20/(。) 图7严物的能谱分析 图5 不同浓盐酸与水体积比下产物的XRD谱图 液体系中生成.并且首先在阎一液界面上异相成核. 因为半水硫酸钙为六方晶型.无水硫酸钙为正交品 型.两种晶型硫酸钙晶面生长速率不同.半水及无水 硫酸钙晶须沿一维生长 因为不存在特定晶面上的 吸附作用.因此无水硫酸钙晶须成核与生长主要由 过饱和度决定。根据文献『l1]及相关溶解度数据可 知.在盐酸浓度较低时,氢离子与硫酸根结合生成硫 酸氢根,促进了二水硫酸钙溶解.生成半水硫酸钙晶 须.但在盐酸浓度为8~12 mol/L时,半水硫酸钙溶 解度降低。实验中采用浓盐酸和水体积比为4:l,换 算成盐酸溶液浓度为8.64 mol/L.在8~12 mol/L范 a一2:3;【)一3:2;c一4:1;d一5:U 围内,与上述实验一致.半水硫酸钙溶解度降低,并 且强酸中硫酸氢根的形成.大大降低了料浆中硫酸 根浓度.致使无水硫酸钙过饱和度降低,晶体生长速 图6不同浓盐酸与水体积比下产物的SEM照片 2.4无水硫酸钙晶须的生成过程 晶体形态主要受各晶面相对生长速率、表面能、 率减慢.从而无水硫酸钙各晶面生长速率差异增大, 导致生成无水硫酸钙一维晶须形貌 品体内部构造和环境条件等因素影响 在溶液体系 中.品形控制剂对晶体生长的影响主要有3种方 3 结论 1)通过单因素条件实验确定了一步常压酸化法制 备无水硫酸钙晶须较优反应条件:反应温度为70℃、 反应时间为4 h、浓盐酸和水体积比为4:l。2)一步常 压酸化法制备无水硫酸钙晶须生成过程经历了片状 CaSO4-2H2()_一棒状CaS04"0.5H2o一簇状CaSO 过程, 式1oi:1)改变溶液过饱和度:2)进入晶体;3)吸附在 品体表面 首先通过前面的XRD结果.排除了品格 掺杂即进入品体的可能性 而为了验证是否存在晶 体表面的吸附作用。将恒温反应温度为70℃、盐酸与 水体积比为4:1、反应时间为4 h的产物送测能谱分 析,结果见图7。从图7看出.常压酸化法制备的硫 酸钙晶须只含有0、S、Ca 3种元素,品须表面不存在 Cl元素,否定了特定品面上的表面吸附。因此,在该 体系下.浓盐酸的加入直接影响了溶液过饱和度。 从前面不同反应时间XRD和SEM照片可知. 属于溶解一结晶过程 无水硫酸钙晶须成核与生长主 要南过饱和度决定,在高浓度盐酸溶液中.硫酸钙溶 解度降低及硫酸氢根的形成减少了游离硫酸根浓 度,降低了无水硫酸钙过饱和度.生成一维晶须形貌 参考文献: [1] 韩青,罗康碧,李沪萍,等.磷石膏的高效利用一硫酸钙品须的制 备与应用[J].无机盐T业,2013,45(7):46—48. 在浓酸体系中.无水硫酸钙晶须的生成经历了片状 CaSO -2H20一棒状CaSO .0.5H,0一簇状CaSO4过 程.不同晶型形貌差异较大.笔者认为硫酸钙晶须的 生成是溶解一结晶过程 硫酸钙晶须的形成是在溶 (下转第82页1 82 无机盐工业 第49卷第1期 Li[Li :Mn i叭 CooJ3]02材料表面的V O 能够在充 电时嵌入锂生成有电化学活性的Li V:O ,从而有效提 高材料的电化学性能。由表2还可以看出,在0.1、0.2、 as cathode materials for Li-ion batteries[J].RSC Advances,2014, 4(108):63268—63284. 李卫,田文怀,其鲁.锂离子电池正极材料技术研究进展[J].无 机盐工业,2015,47(6):1-5. O.5、1C电流密度下放电时,Li[LiQ2Mno ̄NiQ13CoQ13]O2一 Liu J,Reeja-Jayan B,Manthiram A.Conductive surface modiifcation with aluminum of high capacity layered Li[Lin2M 54Ninl3Coo.13]02 cathodes[J].The Journal ofPhysical ChemistryC,2010,ll4(20): 9528—9533. V O 具有更高的放电容量,而当倍率提高以后与 V O 复合的材料性能逐渐变差.这主要是因为在高 倍率电流密度下放电V’0 会发生其他副反应从而 影响了材料的电化学性能 Manthiram A,Wang Q Y.High capacity double-layer surface moldi- fied layered Li[Lin2Mn0. ̄iQl3Coql3]02 cathode with improved rate capability[J]Joumal of Materils Chemiastry,2009(28):4965— 4972. 3 结论 通过采用分步共沉淀法制备了一维 Wu Y,Murugan A V,Manthiram A.Surface modiicatfion of high Li[Li Mnn54Nin。3Co lo2微米棒,利用微米棒表面的 微纳多孔结构在热水中与NH4VO 复合并经过后期 煅烧制备得到了Li[Lin2Mn05 13Coo]O2一V205复合 13.capacity layered Li[Lin2Mnn54Ni㈣Co㈣]O2 cathodes by A1PO4[J]. Journal of the Electrochemical Society,2008,155(9):635-641. Lee E S,Manthiram A.Hjgh capacity Li[Li0 2M io【3COO【3] 一 材料.通过XRD计算结果表明复合量为10%时得 到的材料具有最好的层状结构 将复合量为l0%的 VO2(B)composite cathodes with controlled irreversible capacity loss for lithium-ion batteries[J].Journal of The Electrochemical Society,2011,158(1):47-50. GaoJ,ManthiramA.Eliminatingtheirreversible capacitylossofhigh 材料制备成电池并研究了其电化学性能.结果表明. 采用V O 复合后的首次库伦效率由86%提高到 111%,在0.2、0.5、1C等倍率下放电容量也有了很大 程度的提高 因此.采用分步共沉淀法制备得到一维 微纳多孔结构的Li[Lin2Mnn 3Co ]0 微米 capacity layered Li[Lio.2MnauNinl3C0㈨]02 cathode by blending with other lithium insertion hosts[J].Joumal of Power Sources, 2009,191(2):644—647. Sing K S W,Everett D H.Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference t0 the determination of surface area 棒.并在多孔微米棒基础上进行复合改性是解决 Li[Li02MnQ54NiQl3CoQ1 02首次效率低的一种有效途径。 参考文献: [1]Manthiram A,Knight J C,Myung S T,et a1.Nickel—rich and lithium- and porosity[J].Pure and Applied Chemistry,1985,57(4):603— 6】9. 收稿日期:2016—07—25 rich layered oxide cathodes:progress and perspectives[J].Advanced EnergyMaterials,2016,6(1):1-23. 作者简介:张伟波(199O~材料的研究。 ),男,硕士研究生,主要从事锂离子电池 [2]Yan JH,LiuX B,Li BY.Recent progressinLi—irchlayered oxides 联系方式:fightingwbzhang@163.corn (上接第24页) 杨亿,李天祥,胡宏.硫酸钙晶须用途研究进展[J].广东化工, 2014,41(21):96—97. [9]段博誉,杨水斌.硫酸钙晶须的制备及其影响因素[J].无机盐工 业,2015,47(6):43-46. 李国勇,崔益顺,付凌杰.磷石膏制备硫酸钙晶须的条件研究『J]_ 无机盐工业,2014,46(8):59—61. [10] 罗康碧.硫酸钙晶须的水热制备工艺及定向生长机理研究[D]. 云南:昆明理工大学,2011. [1 1]Li Zhibao,Demopoulos G P.Solubility of CaS04 phases in aqueous 张军凯,郑志武,汪小伟.等.硫酸钙晶须改性聚四氟乙烯的摩 擦磨损性能研究[J].塑料工业,2012,40(1O):4l一44. 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