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牡蛎壳为原料制备纳米碳酸钙及表面改性的研究

李文艳  
【摘要】: 资源与环境问题已经成为21世纪人类需要重点解决的课题之一。随着我国经济和社会的快速发展,宝贵而不可再生的资源越来越少,怎样利用现有的不可再生资源,研发可持续发展的可再生资源,已经成为国内外科研专家学者的工作重心。随着人们生活水平的提高,水产养殖业快速发展,在这种大环境下,牡蛎养殖业和加工业也水涨船高,同时大量被严重低估价值的牡蛎壳变成了废弃物或低值资源,占据了一些滩涂和土地,腐败发臭,给环境带来许多不良影响。因此,牡蛎壳的综合开发利用意义重大,如何有效开发利用牡蛎壳资源,使之变废为宝是本课题的研究目的。为此,本课题在牡蛎壳的资源化利用方面展开研究,既有效利用资源,又保护生态环境。 首先,本课题首次研究了以牡蛎壳为原料,在加入适宜添加剂的条件下采用复分解方法制备纳米碳酸钙,设计了一条常温常压的工艺流程;并选择适宜改性剂对纳米碳酸钙进行表面改性。对整个工艺流程进行优化研究,确定各个工艺的实验参数。该工艺与其它工艺相比较,其优点在于牡蛎壳不经过高温煅烧,能耗低,工艺流程简单,操作条件温和,污染程度小,是一条环境友好化的工艺技术,该技术具有良好的环境效益、社会效益和推广前景。 其次,本课题首次采用选取控制步骤法,并引入修正的Debye-Hückel活度系数模型研究复分解方法合成纳米碳酸钙反应的动力学方程,在常温常压的条件下,通过动力学分析得出反应级数为n=0.5;反应速率常数为k=0.3974×10~(-4);反应速率方程为r=0.3974×10~(-4)×(ω-1)~(0.5)。该反应主要受碳酸钙沉淀析出的控制,并拟合实验数据,进行模型验证,得到理想的动力学方程。 最后,本课题首次将响应面分析法用于纳米碳酸钙制备及表面改性优化实验中。在单因素实验基础上通过响应面实验分析,以A和E为添加剂、搅拌转速为900r/min的条件下,得到纳米碳酸钙制备的最佳理论工艺条件:反应温度20.26℃、反应时间48.44min、氯化钙浓度0.34mol/L、A和E均为0.22g[4.4%wt(CaCl_2)]。产物平均粒径为44.31nm。采用XRD、TEM对产物进行分析表征,可知产物为方解石型片状结构。以硬脂酸钠为改性剂、搅拌转速为1050r/min、烘干温度为100℃、烘干时间为2h的条件下,得到纳米碳酸钙表面改性的最佳理论工艺条件:改性剂用量7.56‰wt(CaCO_3)、料浆浓度3.22%、改性温度73.09℃、改性时间38.42min。产物的活化度高达99.98%。


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