硫酸钙晶须的水热制备工艺及定向生长机理研究

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硫酸钙晶须是一种质优价廉的绿色环保材料,具有韧性好、电绝缘性好、强度高、耐高温、抗化学腐蚀、耐酸碱等优点,在聚氨酯、塑料、陶瓷及水泥等领域具有广泛的应用前景。利用工业废弃物制备硫酸钙晶须,研究获取稳定、均匀晶须的工艺,探讨晶须形成机理,既有利于利用工业废弃物生产高附加值产品,也可为硫酸钙晶须的制备和应用提供理论依据。本文立足于钙硫资源的高值化利用,研究了硫酸钙晶须的可控制备工艺及定向生长机理,内容涉及石膏性质及前驱体制备工艺、晶须水热形成工艺及定向生长机理、晶须热转变过程及焙烧工艺,探索出一条用廉价钙硫资源制备高附加值硫酸钙晶须的新途径。首先,以石膏试剂、磷石膏、脱硫石膏、以及由电石渣-硫酸、氧化钙-硫酸和氯化钙-硫酸钠体系合成的石膏为原料,探讨了不同原料种类的粒度、纯度和结晶性及制备工艺对半水硫酸钙(CaS04.0.5H20)晶须形貌的影响,侧重研究了氯化钙-硫酸钠体系的常温合成工艺(合成温度、原料加料方式、配比、溶液组成)对晶须形貌的影响,在工艺研究的基础上进一步分析了溶液中硫酸钙过饱和度S和[Ca2+]/[SO42-]对合成石膏性质及晶须形貌的影响。研究结果表明:以各种石膏为原料,用水热法均能制备出半水硫酸钙晶须,且前驱体晶粒度越小、含杂越少,越有利于高长径比晶须的形成,其中氯化钙-硫酸钠合成的晶须长径比较大;在氯化钙-硫酸钠体系,采取室温、Na2S04加入CaCl2.Na2S04:CaCl2摩尔比为0.5:1的反应条件可维持体系有较低的过饱和度和较高[Ca2+]/[S042-]值,促进小粒径的二水硫酸钙前驱体的形成,由此可制备长径比大于100的半水硫酸钙晶须;表面活性剂SDBS虽可促进生成小粒径石膏前驱体,但由于其表面阻隔作用,无法制备高长径比晶须;络合剂EDTA或NaCl的络合促溶作用会增大体系的过饱和度,减小[Ca2+]/[S042-]值,不利于高长径比晶须的形成。其次,系统考察了水热制备常规工艺条件(升温速率、固含量、pH值、填充率)及水热溶液环境变化对半水硫酸钙晶须形貌的影响。研究结果表明,6℃/min升温速率、3%固含量、pH=6.8、62.5%填充率为较适宜的水热制备常规条件;低过饱和度、高[Ca2+]/[S042-]比的溶液环境有利于高长径比晶须的水热合成。溶液环境中存在Ca(OH)2使pH增大,晶须变短易聚并;存在Fe3+有利于高长径比晶须的形成,但晶须含杂;存在EDTA时,其络合作用使溶液总钙浓度增加,游离Ca2+减少,不利于晶须的一维生长;存在NaCl、CaCl2、Na2SO4时均会增加溶液过饱和度和改变[Ca2+]/[SO42-]比。在纯净溶液环境,即无添加物的水溶液中,可得到长1000~2000μm、直径1~10μm、长径比大于100的半水硫酸钙晶须。再次,深入探讨了水热制备半水硫酸钙晶须的溶解-结晶及一维定向生长机理。考察了水体系中水热产物组成及形貌随水热反应温度(25~200℃)和水热反应时间(0~6h)的变化规律,发现各硫酸钙物相的水热转化遵循溶解-结晶机理,顺序为颗粒二水硫酸钙(<110℃)→半水硫酸钙晶须(110~170℃)→纺锤状无水硫酸钙晶体(>170℃);较低温度(130℃)时前驱体的溶解及晶须的形成较慢,较高温度(200℃)时前驱体溶解速率加快,缩短了晶须的形成时间。硫酸钙晶体结构中各晶面上的原子分布密度以及Ca2+和SO42-分布不同,导致各晶面生长方式和速率不同。但不论是二水硫酸钙、半水硫酸钙还是无水硫酸钙,其在(002)面的叠加生长速率均比较大,在该面上Ca2+和SO42-交替成链状叠加生长,使硫酸钙晶体具有沿c轴生长的结晶习性。半水硫酸钙晶须可在适宜的水热溶液环境中形成。当溶液环境中存在Cl-、SO42-、Fe3+和EDTA等溶液组成时,硫酸钙的聚集生长形式发生改变,导致晶体最终形貌的差异。最后,探讨了半水硫酸钙晶须的热转化过程及焙烧转化工艺。对不同水热温度和水热时间产物进行的热重分析(TG)和差示扫描量热测定(DSC)分析表明,加热处理水热产物时,随着温度升高,半水硫酸钙首先进行脱除结晶水、转变为无水硫酸钙的反应;随后无水硫酸钙发生玻璃化及结晶变体转变;在高温段无水硫酸钙可分解成氧化钙,由此确定出由半水硫酸钙晶须焙烧制备纯净、稳定、不易水化的无水硫酸钙晶须的温度范围。对半水硫酸钙晶须的脱水过程进行了动力学研究,建立了该过程的动力学模型,推测出半水硫酸钙晶须脱水转变为无水硫酸钙晶须的过程遵循随机形核长大控制机理。在对热转化过程的研究基础上,考察了焙烧过程升温速率、温度、时间对产物形貌和结构的影响,确立了适宜的焙烧工艺,即以4.5℃/min的升温速率在600℃焙烧2h可得到结构稳定、形貌规则的无水硫酸钙晶须。
摘要第3-5页
Abstract第5-8页
第一章 绪论第13-31页
    1.1 资源概况第13-15页
        1.1.1 磷石膏第13页
        1.1.2 脱硫石膏第13-14页
        1.1.3 含钙和含硫废弃物第14-15页
            1.1.3.1 含钙废弃物第14-15页
            1.1.3.2 含硫废弃物第15页
    1.2 晶须概述第15-24页
        1.2.1 晶须的特征第15页
        1.2.2 晶须的种类第15-16页
        1.2.3 晶须的应用第16页
        1.2.4 晶须的生长机理第16-19页
            1.2.4.1 晶须生长的气氛条件机理第17-18页
            1.2.4.2 晶须生长的控制机理第18-19页
        1.2.5 晶须的调控合成第19-24页
            1.2.5.1 基于晶体结构各向异性的直接生长第19-20页
            1.2.5.2 表面活性剂辅助的动力学控制生长第20-21页
            1.2.5.3 螺旋位错生长第21-22页
            1.2.5.4 顶端催化生长第22-23页
            1.2.5.5 模板限制生长第23-24页
    1.3 硫酸钙晶须概述第24-28页
        1.3.1 硫酸钙的结构第24-26页
        1.3.2 硫酸钙晶须的性能第26页
        1.3.3 硫酸钙晶须的用途第26-27页
        1.3.4 硫酸钙晶须的制备方法第27-28页
    1.4 选题依据和研究内容第28-31页
        1.4.1 选题依据第28-30页
        1.4.2 研究内容第30-31页
第二章 实验仪器设备及方法第31-42页
    2.1 实验仪器设备及原料第31-34页
        2.1.1 实验仪器设备第31-32页
        2.1.2 实验原料第32-34页
    2.2 实验方法第34-37页
        2.2.1 常温合成第34-36页
        2.2.2 水热合成第36页
        2.2.3 焙烧转化第36-37页
    2.3 分析检测第37-42页
        2.3.1 性能检测第37-40页
            2.3.1.1 结构与晶相组成第37-38页
            2.3.1.2 形貌第38-39页
            2.3.1.3 粒度第39页
            2.3.1.4 热分解性能第39-40页
        2.3.2 组成分析第40-42页
            2.3.2.1 元素第40页
            2.3.2.2 液相中Ca~(2+)和SO_4~(2-)第40页
            2.3.2.3 晶须中CaSO_4·0.5H_2O含量的测定第40-42页
第三章 原料种类及前驱体制备工艺对半水硫酸钙晶须形貌的影响第42-67页
    3.1 原料种类对硫酸钙晶须形貌的影响第42-49页
        3.1.1 石膏试剂第42-43页
        3.1.2 磷石膏第43-44页
        3.1.3 脱硫石膏第44-46页
        3.1.4 电石渣-硫酸体系第46-47页
        3.1.5 氧化钙-硫酸体系第47-48页
        3.1.6 氯化钙-硫酸钠体系第48-49页
    3.2 前驱体制备工艺对硫酸钙晶须形貌和结构的影响第49-66页
        3.2.1 温度第50-52页
        3.2.2 加料方式第52-55页
        3.2.3 原料配比第55-57页
        3.2.4 溶液组成第57-66页
            3.2.4.1 表面活性剂第57-60页
            3.2.4.2 络合剂第60-63页
            3.2.4.3 NaCl第63-66页
    3.3 小结第66-67页
第四章 半水硫酸钙晶须的水热制备工艺及溶液环境的影响第67-96页
    4.1 常规工艺条件对半水硫酸钙晶须形貌的影响第67-72页
        4.1.1 升温速率第67-68页
        4.1.2 固含量第68-69页
        4.1.3 pH值第69-70页
        4.1.4 填充率第70-72页
    4.2 溶液环境与半水硫酸钙晶须形貌的关系第72-95页
        4.2.1 Ca(OH)_2第73-76页
        4.2.2 Fe_2(SO_4)_3第76-80页
        4.2.3 EDTA第80-85页
        4.2.4 NaCl、CaCl_2和Na_2SO_4第85-95页
    4.3 小结第95-96页
第五章 半水硫酸钙晶须溶解-结晶及定向生长机理探讨第96-119页
    5.1 半水硫酸钙晶须的溶解-结晶机理第96-108页
        5.1.1 水热温度的影响第96-103页
            5.1.1.1 水热产物形貌和结构的变化第96-99页
            5.1.1.2 热力学分析第99-103页
        5.1.2 时间的影响第103-108页
            5.1.2.1 水热产物形貌和结构的变化第103-106页
            5.1.2.2 [Ca~(2+)]和[SO_4~(2-)]的变化第106-108页
    5.2 硫酸钙晶须的生长机理初探第108-118页
        5.2.1 硫酸钙晶须生长方向的确定第108-109页
        5.2.2 不同形貌硫酸钙晶体的聚集生长机理第109-110页
        5.2.3 硫酸钙结晶形态和晶面原子分布分析第110-116页
            5.2.3.1 二水硫酸钙晶面原子分布分析第111页
            5.2.3.2 半水硫酸钙晶面原子分布分析第111-114页
            5.2.3.3 无水硫酸钙晶面原子分布分析第114-116页
        5.2.4 溶液环境对硫酸钙晶体的影响机理探讨第116-118页
    5.3 小结第118-119页
第六章 半水硫酸钙晶须的热稳定性及焙烧工艺研究第119-135页
    6.1 水热产物的热分析第119-129页
        6.1.1 不同水热温度产物的TG和DSC分析第119-122页
        6.1.2 不同水热时间产物的TG和DSC分析第122-124页
        6.1.3 半水硫酸钙晶须热转变过程及脱水动力学第124-129页
            6.1.3.1 热转变过程分析第124-126页
            6.1.3.2 半水硫酸钙晶须脱水动力学第126-129页
    6.2 半水硫酸钙晶须的焙烧工艺第129-134页
        6.2.1 升温速率的影响第129-130页
        6.2.2 焙烧时间的影响第130-131页
        6.2.3 焙烧温度的影响第131-134页
    6.3 小结第134-135页
第七章 结论与建议第135-138页
    7.1 结论第135-136页
    7.2 创新点第136页
    7.3 展望第136-138页
致谢第138-139页
参考文献第139-147页
附录A 攻读博士期间工作成绩第147-150页
附录B 硫酸钙晶体的PDF卡片第150-154页
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