微波辅助微乳液法制备脱水相硫酸钙

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硫酸钙作为一种绿色环保的传统无机材料,应用领域广泛,天然矿藏和工业副产量均很大,合成方式也灵活,因而具有良好的可获得性。硫酸钙具有5种相态7个变体,且每种相态的结构形貌各有不同,其性能表现和应用方式上也存在较大的差异。因此,研发制备具有特定相态和晶型结构的硫酸钙,研究其形貌调控的有效手段,对拓展硫酸钙矿物相的资源化利用具有重要意义。目前制备硫酸钙脱水相主要采用传统加热方式,时间较长、能耗高。本论文采用微波辅助微乳液法合成硫酸钙,研究各参数条件对物相形成的影响和CTAB与SDS对硫酸钙形貌的调控作用,探讨了微波辐照与传统加热方法下,硫酸钙晶体在微乳液体系形成过程的差异,从而为发展高效的硫酸钙矿物相可控合成新方法提供有价值的参考。首先,采用微波加热方式,在水包油型微乳液体系中合成半水硫酸钙,研究了反应时间、温度、原料浓度、表面活性剂SDS用量、搅拌速率等因素对硫酸钙相态及结构形貌的影响。结果表明,增加反应时间、温度、SDS用量可促进β-半水硫酸钙的形成。常规加热在140℃下需经过2h才可形成半水硫酸钙,而微波加热只需在100℃下15min完成,反应时间大大缩短。所得半水硫酸钙形貌以长柱状为主,增大SDS用量会减少晶体长径比。有别于一般在水热体系中形成的α-半水硫酸钙,我们在微波辅助水包油型微乳液体系中合成了β-半水硫酸钙,并初步探讨了β-半水硫酸钙的形成机理。其次,采用微波辐照辅助反相微乳液法,在CTAB/正辛烷/水微乳液中合成半水硫酸钙。研究了反应温度、时间、原料浓度、表面活性剂用量、油水比等因素对硫酸钙相态及结构形貌的影响。结果表明,在微波加热140℃、5min条件下可形成半水硫酸钙,但难以判断属于α或β型。随着CTAB/油摩尔比增加,晶体直径减小,长径比增大,形貌从长柱状向针尖状转变。改用SDS为表面活性剂时,可降低硫酸钙脱水相的转化温度,即在100℃、5min条件下完成HH转化,在120℃下5min时制备出接近无水硫酸钙;产物晶体粒径较大,直径增加,长度减小。对比分析表明,两种表面活性剂对硫酸钙晶面选择性吸附差异导致晶体形貌差异。最后,对比探讨了采用传统加热方式和微波辐照加热对微乳液体系中硫酸钙形成过程的影响。采用微波辐照,所制备硫酸钙晶体尺寸较小,长径比较大,晶型较为完整,转化速率较快,可制备成晶须状半水硫酸钙。使用传统加热方式,所制备晶体尺寸较大,表面较为粗糙,缺陷较多,转化速率较慢,完成转化的时间延长数倍。因此,微波加热不仅可提高反应速率,促进晶体成核生长,还可使晶体细化,提高晶型完整度。通过测定微波加热微乳液各组分升温情况,初步揭示了水分子的优势微波响应和吸收可能是导致微波辐照促进微乳液胶团中硫酸钙快速结晶的主要原因。
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