不同羧酸鈉鹽對磷石膏轉(zhuǎn)晶制備α-CaSO4·0.5H2O 的影響

蘇文康，趙 波,郭文程,肖 鈞，應(yīng) 翔,崔 鵬

（合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥230009）

磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，以其為原料的工藝研究[1-3]開展已久。α-CaSO4·0.5H2O 是CaSO4·2H2O轉(zhuǎn)晶得來的眾多產(chǎn)物之一，因其良好的力學(xué)性能而備受青睞，如高強度、強耐磨，同時可以作為增強劑和添加劑對有機材料進行改性[4-6]。水熱法是轉(zhuǎn)晶制備二水硫酸鈣的常用方法之一[7]，馬園園等[8]以氯化鈣和硫酸鈉為主要原料制備半水硫酸鈣晶須；吳峰等[9]以二水硫酸鈣為原料采用水熱法制備半水硫酸鈣晶須，探討了K+、Mg2+、Cu2+、Fe3+、Al3+對α-CaSO4·0.5H2O 晶須形貌及粒徑的影響；管青軍等[10]以二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）為原料的水熱反應(yīng)中加入CuCl2·2H2O 作為轉(zhuǎn)晶劑，制備得到產(chǎn)物α-CaSO4·0.5H2O 晶須的長徑比由81∶1 增至253∶1；羊道和等[11]采用水熱法研究檸檬酸轉(zhuǎn)晶劑對晶須形貌穩(wěn)定性的影響，30℃～100℃范圍內(nèi)半水硫酸鈣晶須形貌穩(wěn)定性逐步增加；Rashad 等[12-13]發(fā)現(xiàn)不同無機或有機添加劑會改變CaSO4·2H2O 晶體的尺寸及晶型之間的轉(zhuǎn)化。

本研究以磷石膏為原料，采用水熱法制備α-CaSO4·0.5H2O，利用不同濃度的乙酸鈉、丙酸鈉、丁酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑，研究其對α-CaSO4·0.5H2O 形貌和粒度分布的影響，在優(yōu)化轉(zhuǎn)晶劑類型的基礎(chǔ)上，研究其濃度對轉(zhuǎn)晶的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及裝置

磷石膏，安徽六國化工有限公司；乙酸鈉，分析純；丙酸鈉，分析純；丁酸鈉，分析純；無水乙醇，分析純；去離子水為實驗室自制。

DZF-6050 型真空干燥箱；JE1002 電子分析天平；水熱反應(yīng)釜；DNG-92022A 型電熱恒溫干燥箱。

1.2 實驗部分

分別稱計量的磷石膏原料、去離子水，分別加入乙酸鈉、丙酸鈉和丁酸鈉溶液中配制為懸漿液，加入水熱反應(yīng)釜中，在溫度140℃、壓力0.02 MPa 條件下水熱反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾，45℃下烘干。

1.3 分析與表征

采用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡觀察晶體形態(tài)；采用日本株式會社日立的U8020 型發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進行晶體形貌和尺寸表征；采用荷蘭Panalytical 分析儀器公司X’Pert PRO MPD X 射線衍射儀（XRD）進行晶體晶型表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙酸鈉對產(chǎn)物晶體形貌及晶型的影響

圖1 為添加不同質(zhì)量分數(shù)乙酸鈉時制得產(chǎn)物的SEM 照片，圖2 為添加不同質(zhì)量分數(shù)乙酸鈉時產(chǎn)物的XRD 圖。

添加乙酸鈉的質(zhì)量分數(shù)為2%時，所得產(chǎn)物為長棒狀α-CaSO4·0.5H2O 晶體，顆粒狀的硫酸鈣較少，晶體平均直徑6～8 μm，長徑比為25～30；當(dāng)乙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)增至4%時仍為長棒狀的α-CaSO4·0.5H2O，平均直徑增大至8～10 μm，長徑比降至21～35；乙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)增至6%時，α-CaSO4·0.5H2O從長棒狀變?yōu)槎贪魻?，平均直徑仍?～10 μm，但長徑比減小至18～22；當(dāng)乙酸鈉濃度為8%時，α-CaSO4·0.5H2O呈無定形物態(tài)，直徑無明顯變化，長徑比為15～18。由此可見，隨著乙酸鈉添加量的增加，制得的α-CaSO4·0.5H2O長徑比逐漸減小，說明在乙酸鈉轉(zhuǎn)晶劑作用下，晶體沿長度方向的生長受到了抑制[14-15]。

圖1 添加不同質(zhì)量分數(shù)乙酸鈉時產(chǎn)物的SEM 照片F(xiàn)ig.1 SEM diagrams of products added with different mass fractions of sodium acetate

圖2 添加不同質(zhì)量分數(shù)乙酸鈉時產(chǎn)物的XRD 圖Fig.2 XRD diagrams of products added with different mass fractions of sodium acetate

2.2 丙酸鈉對產(chǎn)物晶體形貌及晶型的影響

添加不同質(zhì)量分數(shù)丙酸鈉時制得產(chǎn)物的SEM 照片見圖3，相應(yīng)產(chǎn)物的XRD 譜圖與圖2 類似，在此不再列出。

由圖3 可知，丙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)為2%時，CaSO4·2H2O 不能完全轉(zhuǎn)化為α-CaSO4·0.5H2O，其中α-CaSO4·0.5H2O 呈細棒狀，直徑3～4 μm，長徑比20～30。丙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)為4%時，CaSO4·2H2O 基本上轉(zhuǎn)化為α-CaSO4·0.5H2O，平均直徑6～8 μm，長徑比15～20；丙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)為6%時，CaSO4·2H2O 完全轉(zhuǎn)化為α-CaSO4·0.5H2O，但存在很多無定形物，顆粒直徑4～7 μm，長徑比降至12～16；當(dāng)丙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)達8%時，無定形物發(fā)生團聚，長徑比降至10～12。由此可見，隨著丙酸鈉添加量的增加，轉(zhuǎn)晶制得的α-CaSO4·0.5H2O 直徑變化不規(guī)律，但長徑比逐漸減小，說明晶體沿長度方向的生長受到了抑制[16]。

圖3 添加不同質(zhì)量分數(shù)丙酸鈉時產(chǎn)物的SEM 圖Fig.3 SEM diagrams of products with different mass fractions of sodium propionate

2.3 丁酸鈉對產(chǎn)物晶體形貌及晶型的影響

添加不同質(zhì)量分數(shù)丁酸鈉時制得產(chǎn)物的SEM 照片見圖4，相應(yīng)產(chǎn)物的XRD 譜圖與圖2 類似，在此不再列出。

圖4 添加不同質(zhì)量分數(shù)丁酸鈉時產(chǎn)物的SEM 圖Fig.4 SEM diagrams of products with different mass fractions of sodium butyrate

添加質(zhì)量分數(shù)為2%的丁酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑時，α-CaSO4·0.5H2O轉(zhuǎn)化為α-CaSO4·0.5H2O，細棒狀顆粒直徑為2～5 μm，長徑比為20～30；丙酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)為4%時，α-CaSO4·0.5H2O平均直徑為8～10 μm，長徑比為15～20；添加量為6%時的平均直徑為10～12 μm，長徑比為12～15；添加量為8%時的平均直徑為11～13 μm，長徑比為8～10。由此可見，隨著丁酸鈉添加量的增加，轉(zhuǎn)晶制得的α-CaSO4·0.5H2O直徑逐漸增大，長徑比逐漸減小，晶體沿長度方向的生長受到了抑制。

3 結(jié)論

乙酸鈉、丙酸鈉和丁酸鈉作為轉(zhuǎn)晶劑加入水熱反應(yīng)體系中，均可促進CaSO4·2H2O 轉(zhuǎn)化為α-CaSO4·0.5H2O；隨著乙酸鈉、丙酸鈉和丁酸鈉添加質(zhì)量分數(shù)的升高，α-CaSO4·0.5H2O晶體直徑不斷發(fā)生變化，長徑比逐漸減小，說明α-CaSO4·0.5H2O晶體沿長度方向的生長受到了有效抑制。