電石渣是電石與水反應放出乙炔氣體后的殘渣,其顏色呈灰色,結構疏松。目前大多企業對電石渣的處置均采用露天堆置,導致土地嚴重堿化,空氣污染,水源污染,同時含占用大量的土地資源,與目前提倡的環境友好型企業的要求格格不入。因而對電石渣的資源化利用就顯得尤為重要。隨著目前各行各業對作為工業上應用非常廠泛的一種填充劑輕質碳酸鈣的需求量日益增加,而輕質碳酸鈣又具有生產附加值高、用途廣、性能優等特點。
輕質碳酸鈣在各行各業都有有著非常巨大的開發潛能和廣闊的應用前景。所以利用電石渣為原料經過一定工藝加工以后,可以生產附加值比較高的輕質碳酸鈣。
本研究以碳酸鈉為碳源,聚乙二醇為保護劑,利用碳化法制備了面心立方結構的納米輕質碳酸鈣,并通過IR、粒徑分布、XRD、SEM等手段進行了表征。
1 實驗部分
1.1 原料及儀器
原料:聚乙二醇(分析純,上海化學試劑廠);碳酸鈉(分析純,天津市化學試劑三廠);電石渣。儀器:德國布魯克AXS 有限公司D8 Adwance型X 射線衍射儀;日本日立公司S-3400N型掃描電子顯微鏡;美國Nicolet公司Nexus 670傅里葉變換紅外光譜儀。
1.2 輕質碳酸鈣制備
利用電石渣制備輕質碳酸鈣的主要步驟可分為以下幾個步驟:電石渣的溶解制取氫氧化鈣溶液,確定氫氧化鈣的濃度,碳化,離心過濾,干燥。
(1)制取氫氧化鈣溶液
稱取電石渣 2.5kg,均勻地分成十份。依次將每一份電石渣攪拌溶解,每次溶解時加入1200mL的蒸餾水,半小時將其抽濾,回收濾液將其裝入瓶中。
(2)確定氫氧化鈣的濃度
配制0.5mol/L 的鹽酸用于滴定氫氧化鈣溶液,用甲基橙溶液作指示劑。取待測液25.00mL,加入2~3滴的指示劑滴定。計算出氫氧化鈣的濃度為0.021mol/L。
(3)碳化
取氫氧化鈣溶液1000mL,根據已知溶液中的Ca2+的量,加入相應的表面活性劑的量,并攪拌120分鐘,使Ca2+的與表面活性劑充分結合。向溶液中滴入0.02mol/L的Na2CO3溶液邊攪拌邊通入。直至溶液pH值為7時停止。
(4)離心過濾
用離心機過濾碳化后的溶液,轉速控制在3000r/min。
(5)干燥
將離心后的產品放在干燥箱中干燥,干燥溫度為100℃。
1.3 測試與表征
X射線衍射測試用德國布魯克AXS有限公司生產的D8 Adwance 型X 射線衍射儀,用以分析合成出的輕質碳酸鈣的物相,電壓為40 kV,電流為20 mA。掃描電鏡測試用日本日立公司的S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌,電壓為15kV~20 kV。紅外光譜測試用美國Nicolet 公司Nexus 670傅里葉變換紅外光譜儀上測定,波數范圍為:50cm-1~120 000cm-1,信噪比33400∶1,分辨率0.1cm-1,線性度0.07 %,檢測目的為定性分析,測定條件為KBr壓片法。
2 結果與討論
2.1 FT-IR 表征
圖1、圖2 分別為聚乙二醇的單體與氫氧化鈣的濃度比為1:1 和2:1 時的紅外吸收光譜圖。
通過紅外光譜分析圖1 可知,當以CO32-為碳源時加入聚乙二醇的單體的濃度為電石渣中的氫氧化鈣的濃度1 倍時紅外光譜圖相應的IR 光譜出現的吸收峰1430cm-1、875cm-1、710cm-1 皆為碳酸鈣的特征吸收峰,分別對應碳酸鈣中C-O反對稱伸縮振動,CO32-面外變形振動和O-C-O的面內變形振動。而在1430cm-1附近(C-O伸縮振動)的寬吸收以及875 cm-1處(面內變形振動)、710cm-1(面外變形振動)的尖銳吸收可證明是碳酸鈣組分。通過紅外光譜分析圖可知,當以CO32-為碳源時加入聚乙二醇的單體的濃度為電石渣中的氫氧化鈣的濃度2 倍時紅外光譜圖相應的IR 光譜出現的吸收峰1500cm-1、875cm-1、710cm-1 皆為碳酸鈣的特征吸收峰,分別對應碳酸鈣中C-O反對稱伸縮振動,CO32-面外變形振動和O-C-O的面內變形振動。
而在 1500cm-1附近(C-O伸縮振動)的寬吸收以及875cm-1 處(面內變形振動)、710cm-1(面外變形振動)的尖銳吸收可證明是碳酸鈣組分。
2.2 XRD 表征
從圖 3 可以發現,在2θ角為23.18o、29.52°、36.08°、39.48°、43.2°、47.64°、48.6°和57.34°處出現了衍射峰,這些衍射峰與立方面心結構納米碳酸鈣標準譜圖一致,說明制備的產品為立方面心結構納米碳酸鈣。
從圖4 可以發現,在2θ角為23.2°、29.58°、36.1°、39.6°、43.24°、47.68°、48.6°和57.46°處出現了衍射峰,這些衍射峰與立方面心結構納米碳酸鈣標準譜圖一致,說明制備的產品為立方面心結構納米碳酸鈣。
2.3 SEM 表征
通過圖5可以看出,產品的粒度分布相對均勻,有晶體團聚堆砌狀呈現,是一種以立方面心結構為主晶型的碳酸鈣。
通過圖6可以看出,產品的粒度分布更不均勻,晶體分散性更差,晶體抱團現象更加明顯,但仍是一種以立方面心結構為主晶型的碳酸鈣。
3 結論
(1)以碳酸鈉為碳源,利用碳化法成功制備了一種面心立方結構的輕質碳酸鈣,制備過程中使用聚乙二醇為分散劑。
(2)當聚乙二醇的單體與氫氧化鈣的濃度比為1:1 時,碳酸鈣的分散度比2:1 時的分散效果好。
作者:郭俊文,王俊中,孫煒巖(內蒙古工業大學化工學院,內蒙古呼和浩特 010051)
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