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10034-76-1/硫酸鈣的應用

背景及概述[1][2]

化學式CaSO4,式量136。14。白色固體或無色斜方晶體。易吸潮。密度2。 61g/cm3,熔點1450℃。帶兩個分子結晶水的叫石膏或生石膏CaSO4·2H2O,將石膏加熱到150~170℃時,失去大部分結晶水變成熟石膏CaSO4·1/2H2O,或寫為:2CaSO4·H2O,200℃以上長時間加熱成為無水物。不溶于水和乙醇,溶于銨鹽、硫代硫酸鈉、氯化鈉等溶液。無水硫酸鈣或熟石膏與適量水混和時,即慢慢地凝固。用做阻滯劑、粘合劑、吸濕劑、磨光粉、紙張充填物、氣體干燥劑、制石膏繃帶、制工藝品。用石膏可以調節水泥凝固時間。有天然石膏礦,磷酸鹽工業的副產品中含有硫酸鈣,硫酸銨溶液跟氯化鈣溶液反應,吸濾、洗滌沉淀,可制純品。

硫酸鈣的應用

我國石膏礦產資源豐富,現今已探明礦藏資源達576億t,另外工業副產品脫硫石膏年產量高達1億t,原料資源豐富,目前我國硫酸鈣晶須產量在1萬t。硫酸鈣晶須由于其獨特的結構形貌,廣泛應用于新材料、傳統材料的改性以及環境工程等領域,國家對其開發利用高度重視。

制備[2]

材料界對晶須的研究始于 1948 年,由美國科學家率先提出晶須概念,硫酸鈣晶須由西方學者在 19世紀 70 年代著手研究,在此以后的半個世紀里,國內外學者紛紛涌入晶須研究領域,先后研發出上百種晶須,主要分為有機晶須與無機晶須。但當時制備的晶須具有長徑比小、產率低及成本高等問題。在19世紀 80 年代,在日本科學家首次研發出價格低廉的鈦酸鉀晶須之后,晶須的實際應用價值才得以體現。各國學者經過半個多世紀的反復探索研究,對硫酸鈣晶的制備方法已經有了較全面的認識,目前主要有常壓酸化法、水熱合成法、離子交換法與微乳法。

應用[2]

硫酸鈣晶須的應用

1 用作材料的改性劑

1.1 高抗沖聚苯乙烯的改性

高抗沖聚苯乙烯(HIPS)以其獨特的加工性能、力學性能和熱性能在塑料行業占據一席之地。隨著現代工業對新材料要求的提高,原有傳統材料必須對其原有性能進行優化。周超等用硫酸鈣晶須對高抗沖聚苯乙烯進行改性,通過實驗證明,由質量分數為15 %的硫酸鈣晶須改性后的復合材料彎曲模量比純HIPS 增加了 162 %,沖擊強度也明顯提高,這更加穩固了 HIPS 在電器、儀表與日用品包裝行業的地位。

1.2 氟橡膠的改性

氟橡膠(FPM)是一種抗熱、耐油、抗酸堿腐蝕的現代航空航天材料。氟橡膠的改性劑一般為炭黑或者白炭黑,隨著航天事業的突飛猛進,具有更好性能的復合材料備受學者關注。李輝等將硫酸鈣晶須與無水硫酸鈣分別摻雜在氟橡膠中, 通過 Kissinger 法和Ozawa 法計算各自的熱分解活化能,結果證明,硫酸鈣晶須/氟橡膠復合材料的分解活化能高, 熱穩定性強,大大增加了氟橡膠在航空航天行業的應用范圍。

1.3 雙馬來酰亞胺樹脂的改性

雙馬來酰亞胺樹脂是一種具有良好耐熱性、工藝性、摩擦性的熱固性樹脂,但是摩擦性能會隨使用時間的增長而下降。胡曉蘭等利用硫酸鈣晶須對其進行改性研究,結果表明,硫酸鈣晶須改性后的雙馬來酰亞胺樹脂復合材料的塑性變形和裂紋情況得到明顯的改善,磨損方式由黏著磨損變為磨粒磨損,并且磨損量顯著降低,大大增加了雙馬來酰亞胺樹脂在摩擦材料行業的應用范圍。

1.4 尼龍 6 的改性

尼龍6(PA6)是一種熱塑性良好的樹脂總稱,因其分子主鏈上的酰胺基團重復出現,工業上常以玻纖為添加劑改變尼龍 6 的力學性能。曾斌等采用側向添加方式將硫酸鈣晶須添加到玻纖改性后的尼龍6中,測試結果顯示,當硫酸鈣晶須添加量低于10 %時,原材料的拉伸強度提高了8.7 %,彎曲強度提高了7.5%,彎曲模量提高了8 %,這一實驗為尼龍 6開拓了應用空間,更為新材料的性能改進提供了科學實例。

1.5 道路用瀝青的改性

瀝青是一種黏度高、流動性小的黑褐色有機液體,作為基礎建設材料廣泛應用于道路建設等行業。但是由于其耐高溫能力低,塑性與彈性差等缺點,吸引了眾多學者對其性能進行改性研究。李軍代等借助硫酸鈣晶須的高強度、高模量、耐高溫等優點對道路用瀝青進行改性,改性后的瀝青耐高溫性能、抗車轍能力有了顯著提高,延長了瀝青的使用壽命,降低了道路建設成本,具有一定的社會意義與經濟意義。

1.6 紙張強度的改性

紙張的表面強度一直是衡量紙張好壞的重要指標,紙張強度差一般會導致印刷產品邊緣有白邊或者發虛的現象,更甚者會出現墨橡皮布與紙張分離的現象。近年來,學者通過研究發現硫酸鈣晶須對紙張具有明顯的增強效果。劉焱等通過實驗證實,超過10 %的硫酸鈣晶須加入到紙張中,紙張的強度指標均有所增加,當強度指標最大時,硫酸鈣晶須的加入量為25%。 硫酸鈣晶須因其獨特的紙張強度增強功能,在造紙行業中應用的前景十分廣闊。

2 用作環境保護凈化劑

2.1 對水中磷的吸附凈化

磷是導致水體富營養化的罪魁禍首,近年來國家花大力度治理磷超標, 嚴格管控含磷廢水的排放,目前工業上主要運用化學法、生物法、人工濕地法等治理含磷廢水,但是效果都不盡人意。邱學劍等首次利用硫酸鈣晶須處理污水中的磷, 通過實驗證實:在堿性條件下,借助Langmuir 等溫吸附模型對磷的吸附過程進行了解釋,磷的去除率高達93%,大大提高了磷的去除效率,降低了處理成本,在工業實際應用中具有一定的現實意義。

2.2 對水中汞的吸附凈化

汞是目前工業廢水中危害最大的重金屬之一,水中汞含量一旦超標, 嚴重影響水生植物的光合作用,同時汞對人體的危害主要體現在神經系統、消化系統與生殖系統上,對水中汞的治理一直以來都是環境專家的研究重點。陳敏等利用通過殼聚糖-己二酸改性后的硫酸鈣晶須對工業廢水中的汞進行吸附處理,實驗結果表明,廢水中 pH 增大、溫度升高都對汞的吸附有一定的促進作用,改性后的硫酸鈣晶須對汞的吸附率高達90 %,對工業廢水的處理有一定的指導意義。

2.3 對印染廢水的脫色處理

印染行業的廢水組成成分復雜,多為有毒、有特殊顏色的有機物,一般的處理方法很難對其進行有效處理,國內外學者在這方面花費了大量的精力研究印染廢水的處理。楊雙春等在傳統吸附沉降的基礎上首次利用硫酸鈣晶須的比表面積大、密度小、結構松散的特性,對印染廢水進行處理,由于硫酸鈣晶須造價低,具有得天獨厚的價格優勢,另外脫色效果明顯好于傳統方法,在印染廢水脫色方面具有廣闊的應用前景。

2.4 對含油廢水的破乳除油處理

隨著現代工業的發展,大量含油廢水的處理成了環保專家的當務之急,但是近些年各類處理方法因速度慢、效率低等問題在實際應用中受到一定限制。劉 玲等率先提出運用硫酸鈣晶須的尺寸均勻,表面自由能大、比表面積大等特性對水中污油進行吸附處理,實驗結果表明,在微堿性溶液中硫酸鈣晶須對污油的處理速度快,效果好,加之硫酸鈣晶須原料便宜,便于實現工業化生產。

主要參考資料

[1] 中學教師實用化學辭典

[2]王露琦,熊道陵,李洋,宗毅,曹雪文,歐陽少波。硫酸鈣晶須制備及應用研究進展[J]。有色金屬科學與工程,2018,9(03):34-41。