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    八水碳酸鑭脫水熱力學(xué)特性及四水碳酸鑭超聲制備新技術(shù)

    2025-07-25 00:00:00韋雨靖周望亭陳德珍張國(guó)慶
    關(guān)鍵詞:四水磷酸鹽碳酸

    中圖分類號(hào):R917 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-3851(2025)07-0461-08

    引用格式:,等.八水碳酸鑭脫水熱力學(xué)特性及四水碳酸鑭超聲制備新技術(shù)[J.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2025,53(4):461-468.

    Abstract: To develop a new technology for the preparation of lanthanum carbonate tetrahydrate (La2(CO33?4H2O) ,thermal gravimetric analyzer and differential scanning calorimeter were employed to investigate the thermodynamic dehydration process of lanthanum carbonate octahydrate (La2(CO33?8H2O) Furthermore,the activation energy for each dehydration stage was calculated using the Ozawa equation. Based on this, ultrasonic technology was introduced to facilitate the dehydration of La2(CO33?8H2O to prepare La2 (CO33?4H2O , and the phase, elemental composition, morphological structure, and phosphate binding capacity of La2(CO33?4H2O were analyzed. The results indicated that La2(CO33?8H2O sequentially lost 2, 2,and 4 crystal waters at 80°C , 105°C ,and 350°C ,respectively,and after losing 4 crystal waters, La2(CO33?8H2O could transform into the more thermodynamically stable La2(CO33?4H2O The La2(CO33?4H2O produced by ultrasonic technology had high phase purity,contained no impurity elements,and exhibited a morphology of uniformly dispersed flakes. In addition,the phosphate binding rate of La2(CO33?4H2O reached 98.27% within 27O minutes, demonstrating excellent phosphate binding efficiency.

    The La2(CO33?4H2O prepared using ultrasonic technology in this study,which exhibits excellent dispersibility and high phase purity, has significant potential in the treatment of hyperphosphatemia.

    Key words: lanthanum carbonate octahydrate (La2(CO33?8H2O) ; dehydration; activation energy; ultrasonic technology;lanthanum carbonate tetrahydrate (La2(CO33?4H2O)

    0 引言

    碳酸鑭在胃腸道環(huán)境釋放的三價(jià)鑭離子能有效結(jié)合體內(nèi)的磷酸鹽,形成難溶性磷酸鑭復(fù)合物而隨糞便排出,因而可作為降磷藥物用于治療高磷血癥[1]。在碳酸鑭的多種水合形式中,四水碳酸鑭在臨床評(píng)估中表現(xiàn)出更高的生物利用度2。因此,四水碳酸鑭的制備和臨床應(yīng)用成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

    目前的制備工藝通常是先合成八水碳酸鑭,隨后脫水制得四水碳酸鑭。八水碳酸鑭的合成主要通過(guò)調(diào)整沉淀劑與氯化鑭反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。賀強(qiáng)等[3]以碳酸鈉作為沉淀劑,制備出粒度分布均勻、晶型良好的八水碳酸鑭,但碳酸鈉水溶液具有強(qiáng)堿性,容易導(dǎo)致堿式碳酸鑭雜質(zhì)的生成。郭金鋮等[4]、張積鍇等[5]分別利用碳酸氫銨和氨水、碳酸氫鈉和碳酸鈉作為復(fù)合沉淀劑,制備出高純度的八水碳酸鑭。合成的八水碳酸鑭經(jīng)脫水處理可以得到四水碳酸鑭,常用方法為高溫蒸發(fā)[、有機(jī)溶劑回流]等。然而,高溫或高濕環(huán)境容易生成雜質(zhì)堿式碳酸鑭[8。另外,上述方法處理得到的四水碳酸鑭易于團(tuán)聚,顆粒度大且不均勻,造成臨床用藥量偏大等問(wèn)題。因此,亟需創(chuàng)新技術(shù)制備分散性優(yōu)異的高物相純度四水碳酸鑭。

    近年來(lái),超聲波技術(shù)在化學(xué)合成、藥物生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。針對(duì)水合物,利用其空化作用可輔助快速脫除結(jié)晶水[9],且超聲波產(chǎn)生的高頻振動(dòng)能加速粒子間的碰撞,促使粒子分散[10]。因此,在八水碳酸鑭的脫水過(guò)程中引入超聲波技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速脫水和分散效應(yīng),有助于制備高分散、高純度四水碳酸鑭。為探究超聲波技術(shù)的高效脫水效果,研究八水碳酸鑭的熱力學(xué)脫水過(guò)程具有重要意義。近年來(lái),熱分析結(jié)合Ozawa方程成為分析結(jié)晶水合物脫水機(jī)制的常用手段。苑斯雯等[11]利用熱重分析研究十水草酸鈰的脫水過(guò)程,并通過(guò)Ozawa方程計(jì)算各脫水階段的活化能;胡彪等[12]基于Ozawa方程計(jì)算出NH4Al(SO42?12H2O 的脫水活化能,探究了該水合物在不同溫度下的存在狀態(tài);樓波等[13]利用Ozawa方程計(jì)算 LaCl3?7H2O 各失水階段的活化能,發(fā)現(xiàn)第一階段脫水活化能最大。

    本文利用熱重分析及差示掃描量熱分析技術(shù)等研究八水碳酸鑭的脫水過(guò)程,并采用Ozawa方程計(jì)算其脫水活化能,以探究結(jié)晶水脫除熱力學(xué)機(jī)制,進(jìn)而引入超聲波技術(shù)輔助八水碳酸鑭脫水制備四水碳酸鑭。通過(guò)X射線粉末衍射、X射線光電子能譜及場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等表征產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能,進(jìn)而利用離子色譜分析四水碳酸鑭結(jié)合磷酸鹽的能力,為四水碳酸鑭在降磷藥物制劑中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

    1 實(shí)驗(yàn)部分

    1. 1 試劑與儀器

    試劑:氯化鑭和磷酸二氫鉀購(gòu)于上海麥克林生化科技股份有限公司,碳酸氫鈉購(gòu)于杭州高晶精細(xì)化工有限公司,無(wú)水乙醇購(gòu)于浙江騰宇新材料科技有限公司,以上試劑均為分析純;鹽酸 (36.0%~ 38.0% 購(gòu)于杭州雙林化工試劑有限公司,純凈水(電導(dǎo)率 1.08μS/cm 購(gòu)于杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司。

    儀器:AG135型電子分析天平(上海梅特勒-托利多儀器有限公司)、DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海力辰邦西儀器科技有限公司)、XMTM-L-6000型數(shù)顯鼓風(fēng)恒溫干燥箱(滄州極光試驗(yàn)儀器有限公司)、HC-2518型高速離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司)、FSD-2012-GL型超聲波液體處理設(shè)備(杭州泛索能超聲科技有限公司)、TGA550型熱重分析儀(美國(guó)TA儀器公司)、DSC600O型差示掃描量熱儀(美國(guó)PerkinElmer公司)、D8Advance型X射線粉末衍射儀(德國(guó)Bruker公司)、ESCALABXi型X射線光電子能譜儀(德國(guó)ThermoFisher公司)、GeminiSEM-500型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國(guó)Zeiss公司)和ICS-5O00型離子色譜儀(德國(guó)ThermoScientific公司)。

    1. 2 四水碳酸鑭的制備方法

    1. 2. 1 八水碳酸鑭的制備

    分別配置濃度為 0.2mol/L 的氯化鑭和碳酸氫鈉溶液。將預(yù)先配置的碳酸氫鈉溶液緩慢滴加至氯化鑭溶液中(氯化鑭與碳酸氫鈉摩爾比為1:3),并保持 300Δr/min 轉(zhuǎn)速進(jìn)行充分反應(yīng),在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中,使用 pH 計(jì)監(jiān)測(cè)溶液 pH 值變化,當(dāng) pH 值從4突變至6,立即結(jié)束反應(yīng),隨后抽濾分離出固體產(chǎn)物,干燥處理后獲得八水碳酸鑭。

    1.2.2 超聲波脫水制備四水碳酸鑭

    將 300mg 八水碳酸鑭加入 100mL 乙醇中,以60W/m2 超聲強(qiáng)度處理 90s ,對(duì)處理后的溶液以8000r/min 的轉(zhuǎn)速離心 3min ,去除上清液后,將沉淀物置于干燥器中進(jìn)行干燥,在干燥期間定期稱量樣品質(zhì)量,直至樣品質(zhì)量穩(wěn)定不變,獲得四水碳酸鑭。

    1. 2. 3 四水碳酸鑭結(jié)合磷酸鹽實(shí)驗(yàn)

    配置 pH 值為3、濃度為 0.01mol/L 的磷酸二氫鉀溶液,用作模擬體液中理想的磷酸鹽結(jié)合條件。將 690mg 四水碳酸鑭加入 250mL 上述磷酸二氫鉀溶液中,保持體系溫度 37°C ,以 50r/min 攪拌270min 。每隔 30min 取 10mL 反應(yīng)液,共取樣10個(gè),最后利用離子色譜儀測(cè)定反應(yīng)液中的磷酸鹽含量。

    1. 3 測(cè)試與表征

    1.3.1 熱穩(wěn)定測(cè)試

    使用熱重分析儀對(duì)樣品進(jìn)行熱失重分析。稱取5~10mg 的八水碳酸鑭置于氧化鋁坩堝中,設(shè)置氮?dú)饬鲃?dòng)速率 40mL/min ,以 10°C/min 的升溫速率將樣品從室溫加熱至 800°C 。

    在相同實(shí)驗(yàn)條件下,設(shè)置不同的升溫速率(5、10.15.40°C/min) ,將八水碳酸鑭分別從室溫加熱至 80.105,350°C ,用于脫水機(jī)制分析。

    使用差示掃描量熱儀分析八水碳酸鑭的脫水過(guò)程。稱取 3~8mg 的粉末樣品置于鋁皿中,設(shè)置氮?dú)饬鲃?dòng)速率 40mL/min ,以 10°C/min 的升溫速率將樣品從室溫加熱至 350°C 。

    根據(jù)阿倫尼烏斯方程[14]計(jì)算脫水過(guò)程的活化能變化,見式(1):

    其中: r 為脫水速率; A 為指前因子; T 為熱力學(xué)溫度, K;E 指反應(yīng)活化能, kJ/mol;R 指摩爾氣體常數(shù), J/(mol?K) : f(α) 指反應(yīng)方程; α 表示脫水率。 α 的計(jì)算公式為: α=(mi-ma)/(mi-mf) ,其中: mi 和 mf 分別代表樣品初始和最終的質(zhì)量, mg;ma 為水合物脫水時(shí)的質(zhì)量, mg 。

    積分后,獲得的Ozawa方程可化簡(jiǎn)為式(2):

    其中: βi 表示不同的升溫速率, °C/min ; Const表示常數(shù)項(xiàng); Ea 表示物質(zhì)脫水過(guò)程活化能, 5Ta,i 表示某一升溫速率下的脫水溫度, K 。在某一脫水率 α 下,以 lnβ 為縱坐標(biāo), 1/(RT) 為橫坐標(biāo)作圖,擬合所得直線的斜率即為該脫水率下的活化能。

    1.3.2 物相結(jié)構(gòu)測(cè)試

    使用X射線粉末衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析。稱取 30~50mg 的樣品,研磨均勻后置于樣品架上壓片,最后放入儀器樣品臺(tái)中測(cè)試。測(cè)試條件:管電壓 40kV 、管電流 40mA,Cu-Kα 射線, 2θ 范圍 5°~ 40° ,掃描速度 1(°)/min 。

    1.3.3 元素組成測(cè)試

    使用X射線光電子能譜儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。將樣品均勻覆蓋在導(dǎo)電膠帶上,壓實(shí)后送入儀器分析室,通過(guò)光電子能量的差異,分析樣品表面存在的元素組成、含量及化學(xué)狀態(tài)等信息。測(cè)試條件:A1 Kα X-射線源,功率為 72W 。

    1.3.4 微觀形貌測(cè)試

    采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)樣品形貌。將樣品固定在導(dǎo)電膠上,進(jìn)行 10mA,120 s 鍍金處理后,設(shè)定掃描電子顯微鏡加速電壓 3kV ,工作距離8mm 。在此條件下觀察樣品形貌特征。

    1.3.5 磷酸鹽結(jié)合能力測(cè)試

    使用離子色譜儀測(cè)定磷酸鹽濃度。將樣品經(jīng)0.45μm 微孔濾膜過(guò)濾后,放人儀器中檢測(cè)磷酸鹽含量。其中,淋洗液為氫氧化鉀溶液,流速1.0mL/min ,進(jìn)樣體積 25μL 。

    2 結(jié)果與討論

    2.1八水碳酸鑭脫水過(guò)程分析

    2. 1. 1 八水碳酸鑭熱穩(wěn)定性分析

    圖1為八水碳酸鑭的TG 和 DSC曲線。圖1(a)顯示:八水碳酸鑭在升溫過(guò)程中發(fā)生3個(gè)階段的熱失重。第一階段室溫到 350°C ,逐步脫除結(jié)晶水;第二階段 350~600°C ,碳酸鑭熱分解釋放出2個(gè) CO2 ;第三階段 600~800°C ,釋放1個(gè) CO2 后最終分解為氧化鑭。結(jié)晶水脫除分為多個(gè)階段,通過(guò)差示掃描量熱分析可進(jìn)一步明確這一過(guò)程。圖1(b)為八水碳酸鑭脫水過(guò)程的DSC曲線,八水碳酸鑭分別在80、105、168℃處吸熱脫水,對(duì)應(yīng)3個(gè)脫水階段。

    圖1八水碳酸鑭在脫水階段的TG圖和DSC圖

    2.1.2 Ozawa方程分析脫水熱力學(xué)

    為更深入理解其脫水機(jī)制,使用Ozawa方程分析脫水過(guò)程的活化能變化。Ozawa方程分析八水碳酸鑭脫水過(guò)程的熱力學(xué)結(jié)果見圖2所示。圖2(a)為不同升溫速率的失重曲線,從圖中可以看出,隨著升溫速率的提高,曲線呈現(xiàn)整體滯后現(xiàn)象。通過(guò)各升溫速率下的失重曲線,可以確定不同脫水率 α 下對(duì)應(yīng)的溫度(見表1),進(jìn)而根據(jù)Ozawa方程由 對(duì)1000/(RT) 擬合直線(見圖2(b)),最后計(jì)算出不同脫水率下的活化能等信息, R2 均大于0.99(見表1),說(shuō)明擬合效果較好,數(shù)據(jù)可靠。圖2(c)為活化能與脫水率的關(guān)系圖,從圖中可以看出,活化能與脫水率密切相關(guān)。結(jié)合圖1的TG和DSC曲線分析,在脫水率為

    10%~30% 時(shí),活化能從 128.43kJ/mol 快速降至93.08kJ/mol ,說(shuō)明該階段脫去的2個(gè)結(jié)晶水為通道型包容水合物,其與鑭離子以配位鍵結(jié)合存在于碳酸根離子形成的晶格通道內(nèi),位阻較小,容易脫除。當(dāng)脫水率為 40%~60% 時(shí),再次失去2個(gè)結(jié)晶水,該階段活化能從 82.48kJ/mol 緩慢降至 65.95kJ/mol. 0這主要?dú)w因于通道水脫除后,隨著溫度升高,結(jié)晶水分子的活動(dòng)空間增大而更易于脫離。此時(shí),八水碳酸鑭共脫除4個(gè)結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)樗乃妓徼|,當(dāng)進(jìn)一步升溫脫水至 70%~90% ,活化能由 75.53kJ/mol 升高至 114.62kJ/mol ,表明需要更高的能量才能使四水碳酸鑭完全脫除4個(gè)結(jié)晶水。上述結(jié)果表明,八水碳酸鑭的脫水過(guò)程活化能隨脫水率變化,過(guò)程較為復(fù)雜。

    圖2Ozawa方程分析脫水過(guò)程
    表1八水碳酸鑭在不同脫水率下由Ozawa方程計(jì)算得到的活化能

    2.1.3 物相變化分析

    利用XRD分析八水碳酸鑭分別在8O、105、350°C 熱處理 2h 后的物相變化,結(jié)果如圖3所示。圖3表明:樣品熱處理后物相結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。80°C 和 105°C 處理后在 2θ 分別為 13.41° 、18.14°,20.33°,27.38° 處顯示出四水碳酸鑭的衍射峰,但其衍射峰相對(duì)較弱,且在 20°~30° 有一個(gè)寬的非晶態(tài)衍射峰。經(jīng) 350°C 熱處理后,隨著所有結(jié)晶水的失去,四水碳酸鑭轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徼|。采用高溫?zé)崽幚戆怂妓徼|制備的四水碳酸鑭衍射峰較寬,含有大量非晶相,物相純度低。藥物結(jié)晶度及純度低會(huì)影響藥物的穩(wěn)定性、生物利用度[15]。因此,通過(guò)高溫法制備四水碳酸鑭需要不斷優(yōu)化結(jié)晶過(guò)程和純化方法以提高藥物的結(jié)晶度和物相純度,其生產(chǎn)工藝仍面臨諸多挑戰(zhàn)。四水碳酸鑭是一個(gè)穩(wěn)定的水合物結(jié)構(gòu),可以通過(guò)八水碳酸鑭脫水處理制備,但傳統(tǒng)的高溫脫水處理所制備的四水碳酸鑭存在結(jié)晶差、易產(chǎn)生雜質(zhì)堿式碳酸鑭等問(wèn)題[8。針對(duì)上述問(wèn)題,本文引入超聲波技術(shù)輔助脫水制備四水碳酸鑭,以期得到滿足藥用要求的高純產(chǎn)物。

    圖3 加熱不同溫度后的XRD圖

    2.2超聲波制備四水碳酸鑭的表征分析

    2.2.1 X射線粉末衍射分析

    超聲波輔助脫水制備的四水碳酸鑭XRD圖譜如圖4所示。由圖4可見:超聲波輔助脫水制備的四水碳酸鑭與文獻(xiàn)報(bào)道的四水碳酸鑭圖譜一致,在2θ 分別為 13.4°,18.3°,19.6°,22.9°,23.9°,27.0° 和30.3° 處有明顯的特征衍射峰,且峰型尖銳,未觀察到非晶相峰;進(jìn)一步將其與八水碳酸鑭(PDF#25-1400)、堿式碳酸鑭 I(PDF#26-0815) 和堿式碳酸鑭Ⅱ(PDF#49-0981)的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)樣品的圖譜中不含上述物相的特征峰,表明超聲波技術(shù)制備的四水碳酸鑭物相純度高,不含雜質(zhì)相。

    圖4X射線粉末衍射圖

    2.2.2X射線光電子能譜分析

    利用X射線光電子能譜分析樣品元素組成、含量及各元素的化學(xué)狀態(tài),結(jié)果見圖5。圖5表明:四水碳酸鑭的全譜分析圖中,樣品僅含有 元素;La元素高分辨譜圖中發(fā)現(xiàn) La3d3/2 及La 3d5/2 兩個(gè)亞軌道,且各軌道之間的能量差值接近La2(CO33 結(jié)合能差值,說(shuō)明其存在狀態(tài)為L(zhǎng)a2(CO33 形式;C元素的擬合圖譜分別在290.05,285.92,284.80eV 識(shí)別出碳酸鹽、C—O及C一C的化學(xué)鍵合狀態(tài),其中碳酸鹽含量占比高,為60.15% ;O元素的擬合高分辨圖譜在 531.60eV 處識(shí)別出屬于碳酸鹽化學(xué)鍵合狀態(tài)的峰位。該元素分析數(shù)據(jù)表明所制備的產(chǎn)物不含有其他雜質(zhì)元素,C、O和La元素的含量及化學(xué)狀態(tài)進(jìn)一步說(shuō)明樣品為四水碳酸鑭。

    圖5 四水碳酸鑭的XPS圖譜

    2.2.3 掃描電子顯微鏡分析

    為探究超聲波技術(shù)對(duì)四水碳酸鑭形貌的影響,比較了八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的形貌結(jié)構(gòu),結(jié)果見圖6。圖6(a)和圖6(b)為低倍率下八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的形貌特征,八水碳酸鑭團(tuán)聚嚴(yán)重,而經(jīng)超聲波脫水處理后,獲得的四水碳酸鑭分散性好,分布均勻。圖6(c和圖6(d)為高倍率下八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的微觀結(jié)構(gòu),兩者均為片層狀,但八水合物片層層數(shù)多、片層厚度約 2μm ,超聲處理后的四水碳酸鑭片層層數(shù)減少、厚度約為 0.8μm 。因此,超聲波技術(shù)可以制備分散均勻且片層薄的四水碳酸鑭,比表面積增大,有利于提高其生物利用度。

    2.2.4 磷酸鹽結(jié)合能力分析

    超聲波脫水制備的四水碳酸鑭磷酸鹽結(jié)合率與時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。圖7顯示:四水碳酸鑭能迅速與磷酸鹽結(jié)合并達(dá)到平衡狀態(tài),在 5min 時(shí)磷酸鹽結(jié)合率為 25.16% , 120min 時(shí)磷酸鹽結(jié)合率能達(dá)到 90.17% , 270min 時(shí)能結(jié)合 98.27% 的磷酸鹽,表明超聲波制備的四水碳酸鑭在短時(shí)間內(nèi)能結(jié)合大量的磷酸鹽,具有優(yōu)異的降磷效果。

    圖6八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的 SEM圖
    圖7 pH 值為3時(shí)四水碳酸鑭結(jié)合磷酸鹽的曲線

    3結(jié)論

    本文通過(guò)分析八水碳酸鑭的脫水機(jī)制,探究了超聲波輔助脫水制備四水碳酸鑭新技術(shù),并對(duì)所制備的四水碳酸鑭進(jìn)行磷酸鹽結(jié)合能力分析,主要結(jié)論如下:

    a)八水碳酸鑭的脫水過(guò)程分3個(gè)階段且脫水活化能呈先降低后增加趨勢(shì)。前兩個(gè)階段共脫除4個(gè)結(jié)晶水得到四水碳酸鑭,該階段活化能先由128.43kJ/mol 快速降至 93.08kJ/mol ,隨后,活化能緩慢降至 65.95kJ/mol 。第三階段脫除剩余4個(gè)結(jié)晶水時(shí)活化能急劇升高,活化能由 75.53kJ/mol 升高至 114.62kJ/mol ,說(shuō)明可以通過(guò)對(duì)八水碳酸鑭脫水處理獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的四水碳酸鑭。

    b)采用超聲波技術(shù)輔助脫水可制備高純度、高分散薄片狀四水碳酸鑭,其磷酸鹽結(jié)合能力在270min高達(dá) 98.27% ,具有優(yōu)異的降磷效果。

    本文開發(fā)的超聲波輔助脫水新技術(shù),能夠避免高溫高濕環(huán)境,以高效簡(jiǎn)單的形式制備出高分散性的高物相純度四水碳酸鑭,為開發(fā)具有優(yōu)異降磷效果的高純四水碳酸鑭提供了理論參考。

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    (責(zé)任編輯:張會(huì)?。?/p>

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