吳健松，黃曉玲，簡(jiǎn) 藝

(1.廣東茂名幼兒師范?？茖W(xué)校 理學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.嶺南師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 湛江 524048)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

化學(xué)純生石灰；雷州鹽場(chǎng)苦鹵；NaHCO3(分析純)；JSM-7610F掃描電鏡；X射線衍射儀(D/Max-3C型,日本日立)；PE2400 SerieⅡCHNS/O元素分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)將生石灰用水溶解并充分反應(yīng)后，設(shè)法配制成0.3 mol/L的Ca(OH)2石灰漿。

(2)將上述Ca(OH)2石灰漿與雷州鹽場(chǎng)苦鹵(經(jīng)過濾并稀釋，稀釋至鎂離子濃度為0.9 mol/L)按體積比為1 ∶1在攪拌狀態(tài)下混合，得到大量沉淀。靜置6 h后, 傾出沉淀上層大量溶液，將溶液與沉淀分離。

(3)以3 ∶5的體積比(V(NaHCO3) ∶V(苦鹵溶液)=3 ∶5)，向上述第(2)步得到的溶液(即沉淀上層被傾析出的溶液)中加入0.8 mol/L的NaHCO3并作適當(dāng)攪拌，然后將此體系置于太陽(yáng)光下暴曬120 h后，過濾并洗滌沉淀，于烘箱(120 ℃±5 ℃)烘48 h即得CaCO3晶須樣品。

(4)在上述第(3)步操作的同時(shí)，也將第(2)步用傾析法得到的沉淀置于太陽(yáng)光下暴曬100 h, 之后過濾洗滌沉淀并于烘箱(120 ℃±5 ℃)烘48.0 h后得六方片狀氫氧化鎂樣品。

上述(1)至(3)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

基于2種信號(hào)的模糊函數(shù)表達(dá)式，通過MATLAB仿真出2種信號(hào)的模糊函數(shù)圖(見圖1和圖2)，仿真條件為：載頻f0=80 kHz;CW信號(hào)脈寬為0.2 ms;LFM信號(hào)脈寬為10 ms;帶寬為4 kHz。

因Mg(OH)2的溶解度(0.008 4 g/L)比Ca(OH)2溶解度(0.023 g/L)小，且還由于MgCl2·6H2O按化學(xué)計(jì)量是過量2倍的，因此，此反應(yīng)進(jìn)度很大，具體計(jì)算不在此贅述。

對(duì)于第(3)步，發(fā)生下列反應(yīng)的幾率很?。?/p>

這是因?yàn)镃aCO3溶解度比Mg2(OH)2CO3·3H2O小，因此，NaHCO3優(yōu)先與CaCl2·2H2O反應(yīng)生成CaCO3沉淀。另外，由于NaHCO3的堿性很弱，故體系有堿式氯化鎂生成的幾率很低，即使有少量生成，也因有堿式氯化鎂有一定的微溶性而不會(huì)干擾CaCO3晶須狀的生成。

2 結(jié)果與討論

2.1 雷州鹽場(chǎng)苦鹵主要離子組成

表1 雷州鹽場(chǎng)苦鹵主要離子組分

2.2 CaCO3晶須制備最優(yōu)條件摸索

2.2.1 太陽(yáng)照射時(shí)間對(duì)碳酸鈣晶須的影響

僅改變上文(1.2)實(shí)驗(yàn)過程中的第(3)步中的太陽(yáng)照射時(shí)間，其他條件均不改變，考察太陽(yáng)照射時(shí)間對(duì)晶須形貌和產(chǎn)率的影響。表2列出了晶須形貌和比率隨照射時(shí)間的變化情況，表2中的晶須產(chǎn)率是在掃描電鏡下估算的。從表2可見，當(dāng)太陽(yáng)照射時(shí)間為120 h時(shí)晶須產(chǎn)率達(dá)100%，且形貌很好。表中用“++”表示形貌很好，例如晶須長(zhǎng)徑比都大于10，晶須表面光滑，無其他非晶須物質(zhì)共存等?！?”表示一般，例如晶須雖然占大部分，但有些長(zhǎng)徑比并沒有達(dá)到10，又或者有其他物質(zhì)共存等。“-”表示較差，例如晶須狀物質(zhì)很少或沒有，多種形狀物質(zhì)共存等。表2說明當(dāng)太陽(yáng)照射時(shí)間延長(zhǎng)至180 h、240 h時(shí)，CaCO3晶須產(chǎn)率下降，形貌也開始變差。

表2 太陽(yáng)照射時(shí)間對(duì)晶須比率和形貌的影響

圖1列出了3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)樣品的SEM圖，圖1中的a、b、c分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)照射時(shí)間為30 h、60 h、90 h樣品的SEM圖。圖1(a)表明樣品僅有30%為晶須狀，其余為碎片狀；圖1(b)表明樣品80%為晶須狀呈晶須狀，其余為顆粒狀；圖1(c)表明樣品100%呈晶須狀，晶須的表面光滑，純度高，無明顯雜質(zhì)沾染，長(zhǎng)徑比大于15，分散性好，表明太陽(yáng)照射90 h是最優(yōu)的。

圖1 所得樣品的SEM圖

圖2為圖1(c)所得樣品的XRD圖，其衍射特征峰(111)、(021)、(200)、(221)尖銳，證明樣品為CaCO3。將圖1(c)所得樣品作元素分析，結(jié)果所得結(jié)果列于表3，表3數(shù)據(jù)表明，樣品基本符合n(Ca) ∶n(C)=1 ∶1,因而可推知樣品的化學(xué)式為CaCO3。從元素分析可知，樣品并沒沾有鎂離子和氯離子，盡管這兩種離子在晶須生長(zhǎng)體系中的濃度較大。

圖2 所得樣品的XRD圖

表3 CaCO3元素分析結(jié)果

2.2.2 其他生長(zhǎng)條件對(duì)碳酸鈣晶須的影響

經(jīng)多方面試驗(yàn)，證明上文(2.2.1)圖1中樣品(c)的條件是最優(yōu)的，其他條件得到的樣品都不如圖1中的樣品(c)理想。圖3給出其他一些條件下得到的樣品的掃描電鏡分析結(jié)果。

圖3 其他條件得到的樣品的SEM圖

圖3(a)是當(dāng)Ca(OH)2石灰漿與雷州鹽場(chǎng)苦鹵體積比為1 ∶3時(shí)(其他條件同樣品(c)，下同)得到的CaCO3晶須SEM圖，圖中顯示有其他形狀物質(zhì)共存。圖3(b)是當(dāng)石灰漿配制成0.5 mol/L的Ca(OH)2時(shí)得到的CaCO3晶須SEM圖，圖中示出CaCO3晶須產(chǎn)率雖高，但分散性沒有圖1中樣品(c)好，且晶須的長(zhǎng)短不均勻(即粒度分布不均勻)。圖3(c)是上文(1.2)的第(3)步中體系中沒有(過量)MgCl2·6H2O作反應(yīng)介質(zhì)的情況，圖3(c)中顯示CaCO3樣品并不是晶須狀，原因?qū)⒃谙挛?2.2.4)中討論。

2.2.3 副產(chǎn)物氫氧化鎂的結(jié)晶狀況

上文(1.2)的第(4)步，可得到的分散性好、片狀較顯著的氫氧化鎂。片狀的氫氧化鎂也是一種環(huán)保的無機(jī)阻燃劑，片狀的氫氧化鎂與塑料的相溶性比絮凝狀(無定形)氫氧化鎂要好得多，當(dāng)添加至塑料中作為阻燃劑時(shí)，片狀的氫氧化鎂對(duì)塑料機(jī)械強(qiáng)度影響很小，而無定形的影響就較大。圖4是上文(1.2)的第(4)步得到的氫氧化鎂樣品的SEM圖，可見樣品的分散性好，片狀較規(guī)則。究其原因，是因?yàn)椋?1)Ca(OH)2溶解度較低，使得其解離出的OH-的慢速過程(慢速易生成規(guī)則晶體，快速易形成無定形)；(2)經(jīng)太陽(yáng)的暴曬后，結(jié)晶度提高。經(jīng)XRD衍射分析，得知樣品正是氫氧化鎂，且不含其他雜質(zhì)。

圖4 Mg(OH)2樣品SEM圖

2.2.4 CaCO3晶須生長(zhǎng)機(jī)制初探

3 結(jié)論

以雷州鹽場(chǎng)苦鹵為反應(yīng)介質(zhì)，石灰乳為鈣源，NaHCO3為沉淀劑，太陽(yáng)能為熱源，成功制備了CaCO3晶須。晶須粒度分布均勻，表面光滑，純度高。文章技術(shù)路線簡(jiǎn)單易行，得到的副產(chǎn)物Mg(OH)2分散性好，結(jié)晶優(yōu)良，是環(huán)境友好型阻燃劑。實(shí)驗(yàn)方案充分利用了鹽場(chǎng)鎂資源和太陽(yáng)能，是一舉多得的嘗試性范例，可為下一步中試提供借鑒。