CN113666406B - 一种在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，首先在常温下将氯化钙粉末充分溶解在乙二醇中，得到醇钙络合物的氯化钙乙二醇溶液；在常温下将碳酸钾粉末充分溶解在乙二醇中，得到醇钾络合物的碳酸钾乙二醇溶液；然后将氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液混合，快速搅拌混合均匀，然后放置0‑12小时，使得醇钙络合物和醇钾络合物充分反应；反应结束后，对生成的悬浊液进行离心处理，将得到的沉淀用水洗涤除去副产物氯化钾，最后将沉淀物离心并干燥得到白色粉末，即为纯净方解石相CaCO3。本发明工艺简单，通过醇钙络合物和醇钾络合物调控生成纳米颗粒的方解石相CaCO3，而且所得产品粒径均一性好。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，涉及无机非金属粉体材料制备技术，具体涉及到一种在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法。
背景技术
碳酸钙(CaCO3)，是应用最为广泛的无机非金属填料之一。按照制备方法，CaCO3分为重质CaCO3(重钙，GCC)和轻质CaCO3(轻钙，又称沉淀CaCO3，PCC)。重钙是用物理方法将含CaCO3在90％以上的石灰石、白云石等矿物经过清洗、破碎、粉碎、分级、分离等工序而制得的产品。轻钙是采用化学方法制备的，根据活化与否，又可分为普通轻质CaCO3和纳米活性CaCO3。
由于机械粉碎无法达到纳米级，所以纳米CaCO3的制备都是通过化学法制备的。根据合成机理的不同，化学法制备纳米CaCO3可以分为三种反应系统：Ca2+–H2O–CO2、Ca2+–H2O–CO3 2-和Ca2+–R–CO3 2-。Ca2+–H2O–CO2反应系统，即碳化法，是先将石灰消化形成氢氧化钙的乳浊液，然后通入二氧化碳气体对乳浊液进行碳化来制备纳米CaCO3。Ca2+–H2O–CO3 2-反应系统，又称复分解法，将含有Ca2+的盐溶液与含有CO3 2-的盐溶液在一定条件下混合反应来制备纳米CaCO3，属于液–固相反应过程。Ca2+–R–CO3 2-反应系统(R为有机介质)，它是通过有机介质R来调节Ca2+和CO3 2-之间的传质，从而达到控制晶核生长的目的。
在上述三个反应体系中，Ca2+–H2O–CO3 2-反应系统由于反应极其迅速以至于难以精确控制反应过程，并且清洗纳米CaCO3表面残留的Cl-会消耗很长的时间和大量的水，所以通过该方法来制取纳米CaCO3的成本较高，一般国内外较少采用[汤秀华，纳米碳酸钙的制备及应用评述，四川化工，2006，9(4)：20–23]。而Ca2+–R–CO3 2-反应系统制备纳米CaCO3起步较晚，尚处于实验室阶段，并且该工艺需要大量的有机介质，传质较慢，效率较低[吉欣，郭新勇，武国宝，仓向辉，乳状液膜法制备超细碳酸钙，化学研究，2002，13(3)：44–46；谢元彦，杨海林，阮建明，周忠诚，溶胶—凝胶法制备碳酸钙晶须，粉末冶金材料科学与工程，2009,14(3)：164–164]，因此该体系也没有在工业制备中采用。而目前纳米CaCO3的工业制备工艺主要是采用Ca2+–H2O–CO2反应系统，即碳化法。
传统的碳化法是采用石灰石煅烧、石灰消化、氢氧化钙碳化、分离、干燥、分级包装制取纳米CaCO3，通过控制氢氧化钙浓度、反应温度、窑气中的二氧化碳浓度、气液比、添加剂种类及数量等工艺条件，可制取不同晶形(如立方形、纺锤形和链锁形等)、不同粒径(0.1～0.02μm或≤0.02μm)的纳米级CaCO3。根据氢氧化钙浆的碳化方式的不同，又可分为低温鼓泡碳化法、喷雾碳化法、超重力碳化法和超声空化碳化法。
在低温鼓泡碳化工艺中，如何减小气泡、提高其分散性是最大的技术难题。由于CaCO3的结晶容易在固体上附着，且晶体逐渐长大，形成坚硬的垢层，使一些气体分布器失去作用。虽然有很多文献报道了对气体分布器的改进，但只是处于实验室研究阶段，在工业化应用尚无较大突破[《纳米碳酸钙生产与应用技术解密》，肖品东编著，北京：化学工业出版社，2009]。喷雾碳化法、超重力碳化法和超声空化碳化法都是在传统的鼓泡碳化工艺进行改进的，虽然各有优点，但缺点也是不容忽视的。喷雾碳化法一方面受到二氧化碳气体高浓度条件的限制，另一方面尚未克服由碳化黏壁而造成的喷雾效果差，使喷雾变成“喷淋”的现象，这是该工艺未能在纳米CaCO3行业得到推广和应用的最主要因素。超重力碳化法工艺现有的单机设计生产能力较低，二氧化碳气体的吸收率低，造成的气体浪费较大。另外，该工艺对系统的清洗要求较高，为避免塔内结垢，必须频繁地用酸液和清水清洗。超声空化碳化法虽然解决了单一的化学法和利用超声波的振动技术生产纳米CaCO3存在的气、液、固相间的传质速度较慢等缺陷，但是大规模工业化生产纳米CaCO3产品必须解决的超声分散设备工业化技术问题尚未得到有效解决[《纳米碳酸钙关键技术》，颜鑫，王佩良，舒均杰编著，北京：化学工业出版社，2007]。
在对传统的鼓泡碳化工艺、结晶原理和反应速度与结晶超细化关系的深入研究的基础上，鼓泡碳化工艺由单级鼓泡碳化工艺发展出两级和三次鼓泡碳化工艺。单级鼓泡碳化是指碳化反应过程在一个碳化反应器内一次性完成，主要通过温度和浆液浓度以及晶形控制剂的添加量来控制碳化初速度，以达到控制CaCO3的一次粒径和形状。反应器体积1～60m3不等，反应体系容积越小，反应过程越好控制，碳化结晶更均化、规整，产品分散性等更优异。搅拌剪切强度越大，转速越高，反应体系中反应均化程度越高，一次粒径分布范围越窄，分散性越好。然而，制冷机需消耗较高能量，因此总体上看高能耗是该工艺的缺点[《纳米沉淀碳酸钙工业化技术》，肖品东编著，北京：化学工业出版社，2004]。两级鼓泡碳化是将碳化过程分解为两级来完成，一级碳化在碳化塔内完成，主要控制碳化起始温度和碳化速度，当PH值＝9时，停止碳化反应，浆液移出反应器外，进入一个容积非常大的容器(一般在600～900m3)进行均化和“陈化”，达到预期时间后，进入另一个稍大的碳化反应器再次进行鼓泡碳化，最终将PH值降至7.0以下，完成碳化全部过程。该工艺特点是产品分散性优异，生产成本较低，充分利用陈化工艺特点在低能耗低基础上获得一个高分散性产品。缺点是设备投入较大，占地面积宽，“陈化”后浆液虽然靠压缩空气做动力保持悬浮液不沉降，但分层的情况不可避免，在使用大陈化桶浆时上层和下层物料会出现颗粒大小差异，产品的均化性受到影响[《纳米碳酸钙生产与应用技术解密》，肖品东编著，北京：化学工业出版社，2009]。三次鼓泡碳化是两级鼓泡碳化的进一步延伸和发展，在上述工艺之前增加了一次碳化过程，该过程特点是具有大气液比，不控制过程温度，只控制起始温度，碳化时间控制在7min左右，反应器有效容积小，仅3m3左右，进气量为36m3/min，大气量快速反应的结果是形成大量晶核，所以可以将该过程看作是晶核培育过程。后续过程基本与上面两级碳化相同。该工艺生产的产品最大特点是分散性非常优异，但工艺过程稍复杂，而且一次碳化过程需自动控制系统才能完成，成本高，最终该技术未能有效的改进和发展[《纳米碳酸钙关键技术》，颜鑫，王佩良，舒均杰编著，北京：化学工业出版社，2007]。
目前已经公开的专利很多都是针对传统的碳化工艺做出的改进，如：一种非冷冻法纳米碳酸钙的生产方法(CN1417126A)；一种高白度纳米碳酸钙的制备方法(CN1438279A)；一种活性纳米碳酸钙的生产方法(CN1418817A)；一种纳米活性碳酸钙的制备方法(CN1438178A)；一种轻质活性碳酸钙的生产方法(CN1456508A)，而本发明是与传统碳化和其他工艺完全不同的。
中国专利CN109574058A公开了一种碳酸钙的均匀沉淀制备方法，先在低温环境下将无机钙和碳酸盐溶于乙二醇溶剂中制得混合溶液，然后在搅拌下将所述混合溶液加热至60-90℃使之反应生成CaCO3沉淀，用乙醇洗涤3次并自然晾干后即可得到白色粉末状CaCO3。所述的无机钙为氧化钙或氢氧化钙，所述的碳酸盐为碳酸铵或碳酸氢铵。虽然该专利指出不会产生副产物可溶盐，得到的产品纯净，但是副产物的除去应该是通过升高反应温度实现的；开始溶解时需要低温，反应时需要高温，产物形成后必须用醇洗，这些都使得该技术操作复杂；而最后得到的产物却是最容易得到的方解石相CaCO3，因此相对于产物方解石而言，成本很高。另外，如果按照反应物为氧化钙和碳酸铵，而醇溶液中氧化钙并不能水解为氢氧化钙，因此形成CaCO3和“氧化铵”，似乎不符合科学原理。因此该技术想要实现市场化生产，难度极大。
发明内容
本发明目的在于提供一种在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、溶液配制，在常温下将氯化钙粉末充分溶解在乙二醇中，得到醇钙络合物的氯化钙乙二醇溶液；在常温下将碳酸钾粉末充分溶解在乙二醇中，得到醇钾络合物的碳酸钾乙二醇溶液；
步骤2、常温下，将氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液混合，快速搅拌混合均匀，然后静置陈化0-12小时，使得醇钙络合物和醇钾络合物充分反应；
步骤3、反应结束后，对生成的悬浊液进行离心处理，将得到的沉淀用水洗涤除去副产物氯化钾，最后将沉淀物离心并干燥得到白色粉末，即为纯净方解石相碳酸钙。
优选的，步骤1中，氯化钙乙二醇溶液的浓度范围是0.1mol/L-0.5mol/L，碳酸钾乙二醇溶液的浓度范围是0.1mol/L-0.5mol/L。
优选的，步骤1中，氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液的体积比为2:1-1:2。
优选的，步骤2中，用于混合的氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液中，氯化钙和碳酸钾的摩尔比为1:2-2:1。
优选的，步骤2中，快速搅拌1-5min中使其混合均匀。
优选的，步骤2中，所述步骤2中反应温度范围为10-30℃。
优选的，步骤3中，洗涤2-5次。
优选的，步骤3中，干燥温度为55-65℃，干燥时间为5～12h。
后续的检测技术是采用X射线衍射仪(XRD)对生成的CaCO3的晶型进行分析，采用扫描电子显微镜(SEM)对产物的颗粒形貌进行观察，表明所得到的CaCO3是纯净的方解石。
与现有技术相比，本发明的积极效果为:
1、本发明除干燥外，其他步骤在常温下即可完成，因此工艺条件简单、对设备的要求低、绿色环保，而且操作程序连续可调，容易控制实验过程，所以易于工业化生产。
2、该方法中的产物CaCO3和副产物氯化钾都不溶于乙二醇，因此本技术中的有机溶剂乙二醇可以重复利用，因此，本技术对于产物方解石相CaCO3成本极低，对实现工业化生产极为有利。
3、本发明通过醇钙络合物和醇钾络合物延缓CaCO3生成时间，使得氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液先均匀混合，然后再反应，有利于生成纯净并且粒径均一的方解石CaCO3。
附图说明
图1为实施例1中氯化钙乙二醇溶液浓度和碳酸钾乙二醇溶液浓度为0.1mol/L、反应温度为10℃，陈化不同时间，水洗后得到的方解石相CaCO3的XRD图谱，(a)1min；(b)60min；(c)240min；(d)720min；
图2为实施例2中氯化钙乙二醇溶液浓度和碳酸钾乙二醇溶液浓度为0.3mol/L、反应温度为20℃，陈化不同时间，水洗后得到的方解石相CaCO3的XRD图谱，(a)1min；(b)60min；(c)240min；(d)720min；
图3为实施例3中氯化钙乙二醇溶液浓度和碳酸钾乙二醇溶液浓度为0.3mol/L、反应温度为20℃，陈化60min，水洗后得到的方解石相CaCO3的SEM图像；
图4为氯化钙乙二醇溶液浓度和碳酸钾乙二醇溶液浓度为0.5mol/L、反应温度为30℃，陈化不同时间，水洗后得到的相CaCO3的XRD图谱，(a)1min；(b)60min；(c)240min；(d)720min。
具体实施方式
下面结合实施例进一步对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
1、配制浓度为0.1mol/L氯化钙乙二醇溶液和0.1mol/L碳酸钾乙二醇溶液；
2、将步骤1中的氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液在10℃下混合，搅拌2min使其充分反应，接着在10℃下静置陈化不同时间，陈化时间分别为1min、60min、240min和720min；
3、将陈化后的悬浊液进行离心、水洗、再离心，然后在电热恒温鼓风干燥箱中干燥5-12h，最后得到白色粉末；
4、对所得到的四组产物进行XRD检测，结果如图1所示，表明所得到的CaCO3是纯净的方解石。
实施例2
1、配制浓度为0.3mol/L氯化钙乙二醇溶液和0.3mol/L碳酸钾乙二醇溶液；
2、将1中的氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液在20℃下混合，搅拌2min使其充分反应，接着在20℃下静置陈化不同时间，陈化时间分别为1min、60min、240min和720min；
3、将陈化后的悬浊液进行离心、水洗、再离心，然后在电热恒温鼓风干燥箱中干燥5-12h，最后得到白色粉末；
4、对所得到的四组产物进行XRD检测观察，结果如图2和图3所示，表明所得到的CaCO3是纯净的方解石，方解石颗粒呈菱方或立方状。
实施例3
1、配制浓度为0.5mol/L氯化钙乙二醇溶液和0.5mol/L碳酸钾乙二醇溶液；
2、将1中的氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液在30℃下混合，搅拌2min使其充分反应，接着在30℃下静置陈化不同时间，陈化时间分别为1min、60min、240min和720min；
3、将陈化后的悬浊液进行离心、水洗、再离心，然后在电热恒温鼓风干燥箱中干燥5-12h，最后得到白色粉末；
4、对所得到的产物进行XRD检测，结果如图4所示，表明所得到的CaCO3是纯净的方解石。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有制备方法，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
以上所述仅是本发明的非限定实施方式，还可衍生出大量的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思和不作出创造性劳动的前提下，还可以做出若干变形和改进的实施例，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、溶液配制，在常温下将氯化钙粉末充分溶解在乙二醇中，得到醇钙络合物的氯化钙乙二醇溶液；在常温下将碳酸钾粉末充分溶解在乙二醇中，得到醇钾络合物的碳酸钾乙二醇溶液；
步骤2、常温下，将氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液混合，快速搅拌混合均匀，然后静置陈化0-12小时，使得醇钙络合物和醇钾络合物充分反应，反应温度范围为10-30°C；
步骤3、反应结束后，对生成的悬浊液进行离心处理，将得到的沉淀用水洗涤除去副产物氯化钾，最后将沉淀物离心并干燥得到白色粉末，即为纯净方解石相碳酸钙；
步骤1中，氯化钙乙二醇溶液的浓度范围是0.1 mol/L-0.5 mol/L，碳酸钾乙二醇溶液的浓度范围是0.1 mol/L-0.5 mol/L。
2.根据权利要求1所述在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，步骤1中，氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液的体积比为2:1-1:2。
3.根据权利要求1所述在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，步骤2中，用于混合的氯化钙乙二醇溶液和碳酸钾乙二醇溶液中，氯化钙和碳酸钾的摩尔比为1:2-2:1。
4.根据权利要求1所述在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，步骤2中，快速搅拌1-5min中使其混合均匀。
5.根据权利要求1所述在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，步骤3中，洗涤2-3次。
6. 根据权利要求1所述在无水体系中制备纯净方解石相碳酸钙的方法，其特征在于，步骤3中，干燥温度为55-65°C，干燥时间为5～12 h。
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