纳米碳酸钙的制备共32页

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一、实验目的
纳米技术是化工材料科学领域的一个新的生长点。 由于纳米技术能显著的改善材料的物理和化学性能， 因而使材料的应用领域大大拓展。本实验以纳米碳酸 钙的制备为对象，初步探讨超细化制备技术，以达到 以下目的。
1、了解碳酸钙生产的工艺流程及过程特性；
2、了解碳化过程的特性及pH值和电导率随 时间的变化规律；
3、了解碳酸钙产品的有关性能参数。
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二、实验任务
1、 测定碳化过程中pH值和电导率随时间 的变化曲线；
2、 测定碳酸钙产品的性能参数。
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三、实验原理
其热C化a(学O方H)程2悬式浮可液以与表C示O2为气：体进行碳化反应式，
C ( O ) 2 ( a s ) H H 2 O ( l ) C 2 C O 3 ( s ) a 2 H 2 O ( C l ) 7 . 1 K O 1 / m 8
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从发展情况看，国外生产及市场较为成熟。
日本在超细碳酸钙的研制、生产、应用方面处于
国际领先地位，20世纪20年代日本白石公司已经 研制出超细碳酸钙产品白燕华CC、DD、CDD等 产品，50年代日本开始工业化生产纳米碳酸钙。 美国着重于超细碳酸钙在造纸和涂料上的应用，
美国MTI公司已经成为国际上最大的轻质碳酸钙 生产商，其中包括多种晶形的纳米碳酸钙产品。
C2 a (a)q C3 2 O (a)q Ca3(C s) O
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该反应体系涉及气液固三相，包括化学反应、成核及晶体 生长三个步骤，是一个复杂的过程，该反应体系存在着 CO2的扩散传质和Ca(OH)2的溶解，并存在着晶体成核与晶 体生长的竞争。 在碳酸钙的生产过程中，碳化过程是核心环节。碳化过程
英国侧重于高档涂料应用，ICI公司主宰着国际 高档涂料用超细碳酸钙市场。
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我国从上世纪80年代开始研制和生产纳米碳酸钙，
80年代末实现工业化生产，由于纳米碳酸钙生产技术
含量高，国内尚未形成规模，再加上品种少，产量低，
生产工艺及设备落后，质量不稳定，迄今为止高档产
品仍主要依靠进口。目前，国内纳米碳酸钙的装置能
实验导读
碳酸钙是一种重要的无机化工产品。 由于其具有价格低、原料广、无毒无害 等显著优点，被广泛应用于塑料、橡胶、 造纸、涂料、油墨、化妆品等行业，起 到增加体积、降低成本的作用，具有极 佳的经济效益。
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碳酸钙的分类
1、按生产方法：轻质碳酸钙（是将石灰石等原料煅烧生 成石灰和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳，然 后再通入二氧化碳碳化生成碳酸钙，最后脱水、干燥 和粉碎而制得）和重质碳酸钙（是用机械方法直接粉 碎天然的方解石、石灰石等而制得）。
力在20000t/a左右，实际需求量在80000—100000t，国
产纳米碳酸钙因产品晶形结构不同及是否活化处理，
价格各异，价位在2000—6000元/t。由于纳米碳酸钙附
加值高（为普通碳酸钙价格的10—20倍），且潜在市
场广阔，纳米碳酸钙已成为国内科研开发的热点，并
成为碳酸钙生产企业发展的目标 [5—9]。
纳米碳酸钙一般指特征维度尺寸在纳米数量级 （1—100nm）的碳酸钙颗粒[1]，包括了轻质碳酸钙行 业中统称的超细碳酸钙（粒径0.02—0.1μm）和超微细 碳酸钙（粒径≤0.02μm），是一种新型高档功能性填 充材料。它具有纳米材料所特有的性能，如体积效应、 表面效应等。普通碳酸钙用作填料仅起到增容降价的作 用，而纳米碳酸钙不仅可以起到增容降价的作用，而且 用于塑料、橡胶和纸张中，还具有补强作用。因此，纳 米碳酸钙的研制、开发，受到国内外的关注[24]。
是在气—液—固三相反应体系中进行的，涉及到Ca(OH)2 固体的溶解、CO2气体的吸收和CaCO3微粒的结晶等，其反 应过程也极其复杂。研究碳化过程，试验中采用电导率仪
及pH计跟踪碳化反应全过程。
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三、实验内容
2、碳酸钙按平均粒径又可分为：微粒碳酸钙d＞5μm、微 粉 碳 酸 钙 1μm ＜ d ≤5μm 、 微 细 碳 酸 钙 0.1μm ＜ d ≤1μm；超细碳酸钙0.02μm＜d ≤0.1μm；超微细 碳酸钙d≤0.02μm。
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3、按照晶形可分为：纺锤形、立方形、球形、片状、针 形、棒形等。
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4、碳酸钙按照表面处理与否又可分为普通碳酸钙 和活性碳酸钙。活性碳酸钙是用表面改性剂对轻质 碳酸钙或重质碳酸钙进行表面改性而制得。
5、碳酸钙按照生产工艺及碳化设备，可分为间歇 鼓泡法、喷雾碳化法、喷射吸收法、超重力反应结 晶法、超声空化法和内循环法。
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纳米碳酸钙
0.5μm 图3-1 纺锤形CaCO3电镜照片
Fig.3-1 TEM of spindle
nanometer CaCO3
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100nm 图3-2 立方形纳米CaCO3电镜照片
Fig.3-2 TEM of cubic nanometer
CaCO3
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143nm 图 3-3 链状纳米CaCO3电镜照片 Fig.3-3 TEM of chain nanometer
根据水溶液的电离理论，该碳化反应可以按照下列 步骤进行：
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C2(O g) C2(O a)q
C ( O a ) 2 ( s H ) C 2 ( a a ) q 2 O ( a H )q
C2(O a) qO(H a)q H3 C (a)O q
H 3 ( a C ) O q O ( a H ) C q 3 2 ( a O ) H q 2 O ( a )q
CaCO3
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100nm 图3-5 片形CaCO3电镜照片 Fig.3-5 TEM of flake CaCO3
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100nm
图3-7 球形纳米CaCO3电镜照片 Fig.3-7 TEM of spherical nanometer CaCO3
100nm
图3-8 棒形CaCO3电镜照片 Fig.3-8 TEM of virgulate CaCO3