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        硫酸鈣轉(zhuǎn)晶行為的研究進展

        2020-04-26 10:55:38李富華張金娜
        鹽科學與化工 2020年3期
        關鍵詞:二水硫酸鈣水合

        李富華,張金娜

        (天津長蘆海晶集團有限公司,天津 300457)

        1 前言

        硫酸鈣是自然界礦物中存在的一種豐富的硫酸鹽,到目前為止,表明硫酸鈣有六種晶型[1],根據(jù)含水不同,硫酸鈣主要分為無水硫酸鈣CaSO4(AH)、半水硫酸鈣CaSO4·0.5H2O(HH)和二水硫酸鈣CaSO4·2H2O(DH)。無水硫酸鈣有三種晶型,分別是Ⅰ—CaSO4、Ⅱ—CaSO4和Ⅲ—CaSO4,半水硫酸鈣有兩種晶型,分別是α—CaSO4·0.5H2O和β—CaSO4·0.5H2O,二水硫酸鈣只有一種晶型。硫酸鈣常作為一種重要和廣泛應用的建筑材料,如水泥、石膏板等[2-4],也常常作為生產(chǎn)生物相容材料,如骨空隙填料[5]。然而在許多工業(yè)過程中,硫酸鈣常作為鈣垢副產(chǎn)品存在而不受歡迎,工業(yè)過程包括了污水處理、石油、天然氣生產(chǎn)、海水淡化、真空制鹽等[6-8]。硫酸鈣結垢會導致工廠生產(chǎn)能力減少,降低傳熱性能,進而增加能耗,結垢還會危害設備安全,增大維護設備費用等[9]。

        文章主要對于硫酸鈣不同晶型之間的轉(zhuǎn)變進行探討,從而確定不同晶型之間的轉(zhuǎn)變條件及制備條件,另一方面為添加晶種進行阻垢工藝提供依據(jù)。

        2 晶型轉(zhuǎn)化方式及機理

        晶型轉(zhuǎn)化主要分為兩類:一種是固—固轉(zhuǎn)晶、另一種是溶劑介導轉(zhuǎn)晶,均為相變過程,晶型轉(zhuǎn)變依賴于所處體系的溫度,壓力以及熱力學條件的變化。

        固—固轉(zhuǎn)晶的過程不需要溶劑作為媒介而直接進行,在很多藥物多晶型的測量過程中會常發(fā)現(xiàn)固固轉(zhuǎn)晶現(xiàn)象。主要是指晶體內(nèi)部分子、內(nèi)部離子或是內(nèi)部原子進行重新排列形成新的結構的過程,硫酸鈣固—固轉(zhuǎn)晶主要是無水硫酸鈣晶型之間的轉(zhuǎn)化,現(xiàn)階段很少有研究學者對該類型轉(zhuǎn)晶行為進行研究。轉(zhuǎn)晶過程一般分為三個過程:介穩(wěn)晶型分子間作用力松動及斷裂;無序分子形態(tài)的生成;新分子間作用力和晶體結構的形成。

        溶劑介導轉(zhuǎn)晶需要以溶劑作為媒介進行,大多數(shù)晶型轉(zhuǎn)化的研究屬于溶劑介導轉(zhuǎn)晶。轉(zhuǎn)晶過程分為三個步驟:介穩(wěn)晶型的溶解;穩(wěn)定晶型的成核;該條件下,穩(wěn)定晶型的生長。

        硫酸鈣介導轉(zhuǎn)晶主要分為水合反應和脫水反應,硫酸鈣在低溫條件下發(fā)生水合反應,從而使AH轉(zhuǎn)化為DH或者HH,HH水合反應轉(zhuǎn)化為DH;在高溫的時候發(fā)生脫水反應,將DH轉(zhuǎn)化為HH或AH,HH脫水轉(zhuǎn)化為AH,眾多研究學者將轉(zhuǎn)化機制簡化,采用溶解—沉淀機制作為硫酸鈣轉(zhuǎn)化的機制[10-11,14]。

        3 硫酸鈣晶型轉(zhuǎn)變機制

        一定條件下,不同晶型在體系中的溶解度的差別越大,晶型之間的推動力就會越大,晶型轉(zhuǎn)化速度就會越快;兩種晶型在體系中溶解度差別很小,相應推動力較小,晶型之間的轉(zhuǎn)化較慢。在硫酸鈣晶型的研究過程中,由于HH的穩(wěn)定性差,在轉(zhuǎn)晶點附近兩種晶型的溶解度相差不大,轉(zhuǎn)晶的推動力相對小,轉(zhuǎn)晶的速度會比較慢,所以,研究硫酸鈣的轉(zhuǎn)晶是一個很大的難題。

        3.1 水合反應

        硫酸鈣的水合反應,是無水硫酸鈣(AH)向半水硫酸鈣(HH)或二水硫酸鈣(DH)轉(zhuǎn)化的過程。硫酸鈣水化反應式如下:

        (1)

        (2)

        (3)

        由于無水硫酸鈣水合反應較慢,向二水硫酸鈣轉(zhuǎn)化的時間太長,因此研究硫酸鈣的水合反應相對較少。Jasminka Kontrec[12]研究了無水硫酸鈣(AH)在溫度區(qū)間為10 ℃~40 ℃向二水硫酸鈣(DH)的轉(zhuǎn)變,表明AH在該溫度區(qū)間內(nèi)為介穩(wěn)晶型,不穩(wěn)定,DH為穩(wěn)定晶型,因此會自發(fā)地向DH轉(zhuǎn)變,但是轉(zhuǎn)變的速度相對較慢,加入DH的種子會加速轉(zhuǎn)變的速度,其轉(zhuǎn)換的動力學包含了三個過程,DH的溶解、AH的溶解和DH的生長過程。N.B. Singh[13]表明了HH(α-CaSO4·0.5H2O和β-CaSO4·0.5H2O)的特性,進一步解釋了向DH轉(zhuǎn)化的水化機制及DH晶體的生長特性。

        3.2 脫水反應

        硫酸鈣的脫水反應,在眾多硫酸鈣晶型轉(zhuǎn)化過程中研究最為廣泛。主要是煙氣脫硫(FGD)石膏綜合利用方面的研究,通過脫硫石膏生產(chǎn)α-CaSO4·0.5H2O[14-15],減少污染的同時獲得附加值產(chǎn)品。硫酸鈣脫水反應即是二水硫酸鈣(DH)脫水形成半水硫酸鈣(HH)或無水硫酸鈣(DH),半水硫酸鈣(HH)脫水形成無水硫酸鈣的過程。硫酸鈣的脫水反應式如下:

        (4)

        (5)

        (6)

        Helen E. Farrah[16]研究了DH在溫度為30 ℃~105 ℃時的溶解度,表明在溫度低于80 ℃以下時,DH沒有發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,在溫度高于80 ℃時發(fā)生轉(zhuǎn)晶行為,在溫度為105 ℃時的水溶液中,二水硫酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨蛩徕},加入Mn2+或加硫酸都會影響二水硫酸鈣的轉(zhuǎn)變溫度,并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水硫酸鈣。但是Ghazal Azimi[17]研究表明在溫度低于80 ℃~90 ℃時,DH不發(fā)生轉(zhuǎn)晶;超過150 ℃時,4 h后全部DH轉(zhuǎn)化為HH;在200 ℃時DH轉(zhuǎn)變?yōu)锳H。在工業(yè)的生產(chǎn)HH中,主要是通過DH的脫水制得[18],兩種不同晶型的半水硫酸鈣產(chǎn)生方式不同,α-CaSO4·0.5H2O的產(chǎn)生是通過濕法制得,β-CaSO4·0.5H2O是通過干燥的方法獲得。

        3.3 雜質(zhì)影響

        當溶液中含有雜質(zhì)離子的存在時,會改變硫酸鈣結晶的介穩(wěn)區(qū)間,能夠改變硫酸鈣結晶的速率,促進硫酸鈣轉(zhuǎn)晶的過程[19]。不同的雜質(zhì)離子對介穩(wěn)區(qū)間的影響不同,所以對晶型轉(zhuǎn)化的影響也有很大的差異。一部分的雜質(zhì)離子對晶體的轉(zhuǎn)化有促進作用,還有一部分的離子對轉(zhuǎn)晶具有抑制作用。有很多的研究者對這一方面進行了研究。

        吳世琴[20]研究了雜質(zhì)離子對DH在溫度為70 ℃時CaCl2-HCl-H2O體系中轉(zhuǎn)晶過程的影響。Mg2+、Al3+及Fe3+對DH向HH轉(zhuǎn)變有促進作用,促進作用強弱順序為Mg2+>Al3+>Fe3+。M.Ossorio[21]研究氯化鈉溶液中硫酸鈣在40 ℃~120 ℃的穩(wěn)定晶型,表明如果時間足夠長,HH是不穩(wěn)定的,氯化鈉的濃度越高,DH與AH的轉(zhuǎn)晶溫度點越小,在氯化鈉為4.3 mol/L時,60 ℃以下DH為穩(wěn)定相,60 ℃~120 ℃時是AH。鄒廣慧[22]研究低溫條件下,AH向DH的轉(zhuǎn)變。在NaCl濃度一定時,AH在NaCl溶液中轉(zhuǎn)變成DH的速度隨著溫度升高而減慢。為了獲得特定的硫酸鈣晶型,確保晶型穩(wěn)定性,通過在一定體系中添加雜質(zhì)離子或者添加劑是現(xiàn)代研究工作者的研究重點。半水硫酸鈣(HH)的穩(wěn)定相較差,在工業(yè)脫硫石膏生產(chǎn)HH時,添加雜質(zhì)離子或添加劑能夠更好地獲得所需半水硫酸鈣產(chǎn)品[23-26]。

        4 展望

        關于半水硫酸鈣穩(wěn)定性問題,不同研究者持有不同的觀點,一部分人認為硫酸鈣只有兩種穩(wěn)定相,一種是無水硫酸鈣,另一種是二水硫酸鈣,半水硫酸鈣是不穩(wěn)定相,只有在特定的條件才能存在;但是有一部分人持有反對的意見,并沒有得出確定的答案。因此,研究方向應注重不同硫酸鈣晶型轉(zhuǎn)晶點及半水硫酸鈣特定晶型制備的研究。

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