10034-76-1/硫酸鈣的應(yīng)用

背景及概述^[1][2]

化學(xué)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(diǎn)1450℃。帶兩個(gè)分子結(jié)晶水的叫石膏或生石膏CaSO₄·2H₂O，將石膏加熱到150～170℃時(shí)，失去大部分結(jié)晶水變成熟石膏CaSO₄·1/2H₂O，或?qū)憺椋?CaSO₄·H₂O，200℃以上長(zhǎng)時(shí)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(shí)，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(diào)節(jié)水泥凝固時(shí)間。有天然石膏礦，磷酸鹽工業(yè)的副產(chǎn)品中含有硫酸鈣，硫酸銨溶液跟氯化鈣溶液反應(yīng)，吸濾、洗滌沉淀，可制純品。

我國(guó)石膏礦產(chǎn)資源豐富，現(xiàn)今已探明礦藏資源達(dá)576億t，另外工業(yè)副產(chǎn)品脫硫石膏年產(chǎn)量高達(dá)1億t，原料資源豐富，目前我國(guó)硫酸鈣晶須產(chǎn)量在1萬t。硫酸鈣晶須由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形貌，廣泛應(yīng)用于新材料、傳統(tǒng)材料的改性以及環(huán)境工程等領(lǐng)域，國(guó)家對(duì)其開發(fā)利用高度重視。

制備^[2]

材料界對(duì)晶須的研究始于 1948 年，由美國(guó)科學(xué)家率先提出晶須概念，硫酸鈣晶須由西方學(xué)者在 19世紀(jì) 70 年代著手研究，在此以后的半個(gè)世紀(jì)里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛涌入晶須研究領(lǐng)域，先后研發(fā)出上百種晶須，主要分為有機(jī)晶須與無機(jī)晶須。但當(dāng)時(shí)制備的晶須具有長(zhǎng)徑比小、產(chǎn)率低及成本高等問題。在19世紀(jì) 80 年代，在日本科學(xué)家首次研發(fā)出價(jià)格低廉的鈦酸鉀晶須之后，晶須的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值才得以體現(xiàn)。各國(guó)學(xué)者經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的反復(fù)探索研究，對(duì)硫酸鈣晶的制備方法已經(jīng)有了較全面的認(rèn)識(shí)，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(yīng)用^[2]

硫酸鈣晶須的應(yīng)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(dú)特的加工性能、力學(xué)性能和熱性能在塑料行業(yè)占據(jù)一席之地。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)新材料要求的提高，原有傳統(tǒng)材料必須對(duì)其原有性能進(jìn)行優(yōu)化。周超等用硫酸鈣晶須對(duì)高抗沖聚苯乙烯進(jìn)行改性，通過實(shí)驗(yàn)證明，由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %的硫酸鈣晶須改性后的復(fù)合材料彎曲模量比純HIPS 增加了 162 %，沖擊強(qiáng)度也明顯提高，這更加穩(wěn)固了 HIPS 在電器、儀表與日用品包裝行業(yè)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(xiàn)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(yè)的突飛猛進(jìn)，具有更好性能的復(fù)合材料備受學(xué)者關(guān)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(jì)算各自的熱分解活化能，結(jié)果證明，硫酸鈣晶須/氟橡膠復(fù)合材料的分解活化能高， 熱穩(wěn)定性強(qiáng)，大大增加了氟橡膠在航空航天行業(yè)的應(yīng)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(huì)隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。胡曉蘭等利用硫酸鈣晶須對(duì)其進(jìn)行改性研究，結(jié)果表明，硫酸鈣晶須改性后的雙馬來酰亞胺樹脂復(fù)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?yōu)槟チＤp，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(yè)的應(yīng)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(tuán)重復(fù)出現(xiàn)，工業(yè)上常以玻纖為添加劑改變尼龍 6 的力學(xué)性能。曾斌等采用側(cè)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(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)硫酸鈣晶須添加量低于10 %時(shí)，原材料的拉伸強(qiáng)度提高了8.7 %，彎曲強(qiáng)度提高了7.5%，彎曲模量提高了8 %，這一實(shí)驗(yàn)為尼龍 6開拓了應(yīng)用空間，更為新材料的性能改進(jìn)提供了科學(xué)實(shí)例。

1.5 道路用瀝青的改性

瀝青是一種黏度高、流動(dòng)性小的黑褐色有機(jī)液體，作為基礎(chǔ)建設(shè)材料廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)等行業(yè)。但是由于其耐高溫能力低，塑性與彈性差等缺點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者對(duì)其性能進(jìn)行改性研究。李軍代等借助硫酸鈣晶須的高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)對(duì)道路用瀝青進(jìn)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(zhǎng)了瀝青的使用壽命，降低了道路建設(shè)成本，具有一定的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)意義。

1.6 紙張強(qiáng)度的改性

紙張的表面強(qiáng)度一直是衡量紙張好壞的重要指標(biāo)，紙張強(qiáng)度差一般會(huì)導(dǎo)致印刷產(chǎn)品邊緣有白邊或者發(fā)虛的現(xiàn)象，更甚者會(huì)出現(xiàn)墨橡皮布與紙張分離的現(xiàn)象。近年來，學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)硫酸鈣晶須對(duì)紙張具有明顯的增強(qiáng)效果。劉焱等通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，超過10 %的硫酸鈣晶須加入到紙張中，紙張的強(qiáng)度指標(biāo)均有所增加，當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)最大時(shí)，硫酸鈣晶須的加入量為25%。 硫酸鈣晶須因其獨(dú)特的紙張強(qiáng)度增強(qiáng)功能，在造紙行業(yè)中應(yīng)用的前景十分廣闊。

2 用作環(huán)境保護(hù)凈化劑

2.1 對(duì)水中磷的吸附凈化

磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的罪魁禍?zhǔn)?，近年來?guó)家花大力度治理磷超標(biāo)， 嚴(yán)格管控含磷廢水的排放，目前工業(yè)上主要運(yùn)用化學(xué)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(xué)劍等首次利用硫酸鈣晶須處理污水中的磷， 通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在堿性條件下，借助Langmuir 等溫吸附模型對(duì)磷的吸附過程進(jìn)行了解釋，磷的去除率高達(dá)93%，大大提高了磷的去除效率，降低了處理成本，在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 對(duì)水中汞的吸附凈化

汞是目前工業(yè)廢水中危害最大的重金屬之一，水中汞含量一旦超標(biāo)， 嚴(yán)重影響水生植物的光合作用，同時(shí)汞對(duì)人體的危害主要體現(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)與生殖系統(tǒng)上，對(duì)水中汞的治理一直以來都是環(huán)境專家的研究重點(diǎn)。陳敏等利用通過殼聚糖-己二酸改性后的硫酸鈣晶須對(duì)工業(yè)廢水中的汞進(jìn)行吸附處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，廢水中 pH 增大、溫度升高都對(duì)汞的吸附有一定的促進(jìn)作用，改性后的硫酸鈣晶須對(duì)汞的吸附率高達(dá)90 %，對(duì)工業(yè)廢水的處理有一定的指導(dǎo)意義。

2.3 對(duì)印染廢水的脫色處理

印染行業(yè)的廢水組成成分復(fù)雜，多為有毒、有特殊顏色的有機(jī)物，一般的處理方法很難對(duì)其進(jìn)行有效處理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面花費(fèi)了大量的精力研究印染廢水的處理。楊雙春等在傳統(tǒng)吸附沉降的基礎(chǔ)上首次利用硫酸鈣晶須的比表面積大、密度小、結(jié)構(gòu)松散的特性，對(duì)印染廢水進(jìn)行處理，由于硫酸鈣晶須造價(jià)低，具有得天獨(dú)厚的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，另外脫色效果明顯好于傳統(tǒng)方法，在印染廢水脫色方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 對(duì)含油廢水的破乳除油處理

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量含油廢水的處理成了環(huán)保專家的當(dāng)務(wù)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(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。劉 玲等率先提出運(yùn)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(duì)水中污油進(jìn)行吸附處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在微堿性溶液中硫酸鈣晶須對(duì)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

主要參考資料

[1] 中學(xué)教師實(shí)用化學(xué)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(yīng)用研究進(jìn)展[J]。有色金屬科學(xué)與工程,2018,9(03):34-41。