消化用水的温度对纳米碳酸钙产品性能的影响

消化用水的温度对纳米碳酸钙产品性能的影响
苏承炎;刘亚雄;韩艳敏;林新仁
【摘要】Nano calcium carbonate can be produced by carbonating Ca（OH）2 slurry.The effect of digestion temperture for calcium carbonate,included the yield of milk of lime,particle size distribution,specific surface area,oil absorption and whiteness,was studied.The result was that through the high digestion temperature,a high yield of milk of lime about 92% can be achieved,the specific surface area of nano calcium carbonate was increased obviously,while the particle size and oil absorption of nano calcium carbonate was decreased,but less impact on the whiteness of nano calcium carbonate.The best digestion temperature was 60 ℃ to get higher specific surface area and lower oil absorption of nano calcium carbonate.%采用碳化法制备了纳米碳酸钙,考察了消化时的水温对石灰乳产率、制备的纳米碳酸钙产品
的粒径分布、比表面积、吸油值和白度等物理性能的影响。

结果表明：石灰经高温消化,能够提高石灰乳的产率,产率可达92%;高温消化有利于碳酸钙比表面积的升高、同时降低碳酸钙的颗粒粒度及吸油值,对碳酸钙的白度影响较小。

当消化用水
的温度为60℃时,制备的碳酸钙比表面积较高,而其粒度和吸油值较低。

【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2011(039)023
【总页数】3页(P63-64,84)
【关键词】生石灰;碳酸钙;消化温度;比表面积
【作者】苏承炎;刘亚雄;韩艳敏;林新仁
【作者单位】福建省万旗非金属材料有限公司,福建泉州362500;福建省万旗非金
属材料有限公司,福建泉州362500;福建省万旗非金属材料有限公司,福建泉州362500;福建省万旗非金属材料有限公司,福建泉州362500
【正文语种】中文
【中图分类】TQ132.32
碳酸钙是一种重要的无机化工材料，广泛应用于橡胶、塑料、涂料、油墨、造纸等行业［1－2］。

不同行业对碳酸钙产品的性能需求不同，比如碳酸钙用于塑料、
涂料、油墨行业时其吸油值应尽可能小，而对应于橡胶、造纸行业使用的碳酸钙的吸油值应在保证分散性的前提下尽可能的大。

纳米级的碳酸钙是指化学方法合成的，在三维空间内至少有以为的尺寸小于100 nm的碳酸钙，主要的化学方法有复分
解法和碳化法。

目前，国内工业上生产纳米碳酸钙普遍使用后者，即石灰石经高温煅烧、生石灰消化、氢氧化钙碳化、脱水、干燥、粉碎、分级包装制得碳酸钙成品。

研究表明，在碳化法生产纳米碳酸钙的工艺条件中，采用不同的氢氧化钙的浓度、反应温度、CO2的浓度以及添加剂的种类等条件，可制得不同晶型、不同粒径的
纳米级碳酸钙产品［3－7］。

目前，关于石灰消化的条件对制备的纳米碳酸钙产
品性能的影响，鲜有研究报道。

本文主要研究了石灰消化时所用消化水的温度对制取的碳酸钙产品物理性能的影响，为工业生产提供参考。

石灰消化时，主要是CaO与 H2 O发生水化反应生成Ca(OH)2，伴随有石灰石中的杂质，如MgO与水发生水化反应。

CaO的水化反应式如下所示:
CaO(s)+H2 O(l)Ca(OH)2(s)+66.6 kJ
其机理被认为是，CaO先与H2 O反应生成Ca2+和2OH－，然后Ca2+和2OH
－结晶生成Ca(OH)2。

由CaO的水化反应式可以看出石灰的消化是一个放热反应，因此石灰消化时水的温度势必影响消化反应的进行。

1.1 碳酸钙合成工艺
(1)将石灰石(产地:福建德化)于950℃的温度下经马弗炉煅烧6 h得到氧化钙，冷
却至室温后按石∶水=1∶5的比例加入不同温度的水消化。

(2)闷灰2 h后，过筛除去未消化的渣滓，得到精制石灰乳。

(3)陈化24 h后，调节石灰乳中氢氧化钙浓度为8% ～10%，温度为20℃，倒入
鼓泡碳化反应塔中，用浓度为23% ～25%的CO2碳化，至pH约为8停止碳化。

(4)碳化后的碳化液经抽滤、干燥、粉碎即得纳米碳酸钙产品。

1.2 碳酸钙性能检测
(1)比表面积:采用U形管透气法测定;
(2)粒度分析:采用OMEC公司生产的LS－POP(Ⅲ)型激光粒度分析仪;
(3)白度测定:采用PN－488型白度测定仪。

2.1 消化用水的温度对石灰乳产率的影响
在热力学上，石灰消化是一个放热反应，因此温度升高，会使反应平衡向左移动，反应的推动力减小，从而降低反应速度。

从动力学的角度来看，温度越高，石灰消化的反应速度常数越大，进而提高消化反应速度。

随着反应速度的增加，氢氧化钙结晶时晶核的形成速度大于晶体的成长速度，因此石灰消化反应得到的石灰乳的粒子较为细腻。

并且反应速度加快使得消化反应的放热加快，水温迅速升高到100℃，从而使水汽化，将石灰胀开，可以得到粒度细、分散性好的石灰乳，并能提高石灰乳的产率。

采用不同温度的水对石灰进行消化，其对石灰乳产率的影响见表1。

350目筛余物灼烧重量指的是消化后的石灰浆经过350目过筛，得到的余
渣于950℃的马弗炉煅烧后得到的重量，石灰乳产率=(1～350目筛余物灼烧重量/生石灰重量)×100%，由表1可知随着消化反应温度的升高，石灰乳的产率增加，
当消化温度高于60℃时，石灰乳产率可以达到91%，进一步提高消化温度，石灰乳的产率没有明显增加。

考虑到生产成本的问题，石灰消化时所用的消化水的温度为60℃为宜。

2.2 消化用水的温度对碳酸钙产品性能的影响
2.2.1 消化用水的温度对碳酸钙产品比表面积的影响
比表面积是纳米碳酸钙性能的一项重要指标，通常情况下，纳米碳酸钙的粒度越细，比表面积就越大。

而要制备高比表面积的纳米碳酸钙，控制石灰乳碳化时的碳化条件是必须的，但是石灰乳的颗粒细度以及分散性对于合成粒度较小的纳米碳酸钙也是有影响的。

石灰乳的碳化过程是汽、液、固三相共存的多相反应过程，在其他反应条件不变的情况下，碳化反应的速率与氢氧化钙溶解速度有关，氢氧化钙的溶解速度快，碳化反应速度也加快，碳酸钙晶体的晶核形成速度就大于晶体成长速度，从而能得到粒度更小的纳米碳酸钙。

而高温消化能得到较为细腻、分散性好的的石灰乳，因此能增加氢氧化钙的溶解速度，从而提高碳化反应的速度，制备高比表面积的碳酸钙产品。

本文采用透气法测定合成的碳酸钙的比表面积，在不同消化温度下制备的碳酸钙的比表面积如表2所示。

由表2可知，随着消化用水的温度的升高，碳酸钙的比表
面积增大，消化用水的温度高于60℃时，纳米碳酸钙的比表面积可到达8.51，进一步提高消化反应的水温，纳米碳酸钙的比表面积增加不大。

因此考虑生产成本问题，制备高比表面积的碳酸钙产品，采用60℃的水消化生石灰为最佳。

2.2.2 消化用水的温度对碳酸钙产品粒度的影响
碳酸钙的粒度分布以激光粒度分析仪测定，其中ξ指的是粒度分布的宽窄度
ξ=D90－D10，ξ值的大小可以表示碳酸钙粒度分布的均匀度，ξ值越大说明碳酸钙的粒度分布的均匀度越差，反之亦然。

由于纳米碳酸钙会发生二次团聚形成大颗粒粒子，因此检测时检测出的平均粒径为微米级别。

表3是以20℃、40℃、60℃、80℃消化的石灰石碳化得到的碳酸钙产品的粒度
分布结果。

可以看出随着消化用水的温度的升高，碳酸钙产品的平均粒度降低，说明温度越高对于形成粒度越小的碳酸钙产品越有利，但是高温消化的结果使得碳酸钙产品的粒度分布较为宽泛，80℃消化制备的碳酸钙的ξ值达到11。

因此对于制备平均粒度小且粒径分布较为均匀的碳酸钙产品，采用60℃的水消化石灰石最好。

2.2.3 消化用水的温度对碳酸钙产品吸油值的影响
吸油值也是碳酸钙产品的一个重要性能指标，不同的用途对于碳酸钙的吸油值有不同的要求，吸油值指的是100 g的碳酸钙吸收DOP(邻苯二甲酸二辛酯)达到完全
润湿时需要用到的DOP的最低量，一般用mL表示。

颗粒大，粒径分布均匀、表面光洁的碳酸钙产品的比表面积小，吸油值低，反之亦然。

由表4可知，随着用
水的温度的升高，碳酸钙产品的吸油值降低，因此可以初步的判断高温消化对于生产粒径小、比表面积大的碳酸钙产品有利。

表4的实验结果可以对生产何种吸油
值的碳酸钙产品起到一定的参考作用。

2.2.4 消化用水的温度对碳酸钙产品的白度的影响
表5是不同消化用水温度下制备的碳酸钙的白度测定结果。

由表5可以看出，随着碳化温度的升高，碳酸钙的白度略有下降，这可能是由于
高温消化条件下，石灰石中的一些杂质也易于形成微小颗粒而进入到石灰乳中，而这种微小的杂质颗粒难以在过筛中除去，因此影响到碳酸钙产品的白度，使得碳酸钙产品的白度略有降低，但相差不大。

碳化法制备纳米碳酸钙的工艺中，石灰的消化反应用水的温度对后续生产有很大的影响，采用高温消化石灰石，得到的石灰乳产率高，且石灰乳较为细腻、分散性好。

在碳化工艺相同的条件下，高温消化得到的石灰乳经碳化制备的碳酸钙产品比表面积较高，二次团聚后的粒径小，并且吸油值较低，而白度略有降低。

综合考虑生产成本以及制备性能好的纳米碳酸钙产品，本研究得出的最佳消化用水的温度为
60℃。

【相关文献】
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