本發(fā)明涉及制備球霰石技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用動態(tài)磁攪拌槳制備球霰石的方法及裝置。

背景技術(shù)：

碳酸鈣作為生物礦石，其功能多樣成本低，一直是重要的工業(yè)生產(chǎn)原料。碳酸鈣粉末廣泛用于藥品、洗滌劑、生物醫(yī)藥、橡膠、塑料、造紙、牙膏、化妝品、涂料及食品工業(yè)，用作增白劑、吸附劑、添加劑及生物醫(yī)學(xué)材料。以上這些用途決定于所制備碳酸鈣材料的特征屬性，例如平均粒徑、粒徑分布、比表面積、形貌或化學(xué)純度。沉淀碳酸鈣的理化性質(zhì)受合成步驟、方法和合成條件的高度影響，因此通過控制一定的反應(yīng)條件，制備不同晶型和粒度的碳酸鈣，將有可觀的工業(yè)應(yīng)用前景。

無水碳酸鈣是一種多晶型物質(zhì)，分別為方解石、文石和球霰石，方解石和文石存在于自然界中，并以方解石居多，球霰石則需要通過人工合成得到。方解石為三方晶系，通常為菱形；文石為斜方晶系，通常為針狀；球霰石為六方晶系，通常為球形。常溫常壓下，方解石最穩(wěn)定，文石次之，球霰石最不穩(wěn)定。球霰石是一種熱力學(xué)上的不穩(wěn)定相，尤其在水溶液中，碳酸鈣沉淀首先形成球霰石，但在幾個小時以內(nèi)，球霰石會很快重結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的方解石，并通常失去其球形。

雖然球霰石不穩(wěn)定，但是相對于方解石和文石，其質(zhì)地柔軟、色澤好、比重小、比表面積大、分散性好，在涂料、塑料和橡膠等行業(yè)有很重要的用途，能有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度和光澤等，改善目標(biāo)產(chǎn)品的物理性能、填充性能和印刷性能，特別是在牙膏產(chǎn)品中用作研磨劑，供不應(yīng)求。

碳酸鈣的制備方法包括固相法和液相沉淀法，主要以后者為主。文獻(xiàn)和專利報道的球霰石制備方法有很多，多是采用添加晶型控制劑(蛋白質(zhì)、離子液體、聚電解質(zhì)、超支化聚合物和多糖等)并調(diào)控pH、調(diào)控溫度等方法來阻止球霰石向方解石的轉(zhuǎn)變。專利US20100215564將氯化鈣、明膠和尿素的混合溶液在4℃預(yù)先冷凍24h，然后在70℃下保溫24h，制得球霰石含量為98％的碳酸鈣。專利CN102249281將碳酸鈉水溶液和氯化鈣水溶液加入離子液體型表面活性劑1-丁基-3-甲基咪唑十二烷基硫酸酯溶液，制得含量為100％的球霰石。專利CN102583485和專利CN102557099分別在鈣鹽水溶液中添加超支化縮水甘油醚和端羧基超支化聚醚，然后加入碳酸鹽或碳酸氫鹽制得球霰石。專利CN104692437通過控制溫度制得多種形貌碳酸鈣，溫度為15℃時制得球霰石。

對于添加晶型控制劑并調(diào)控pH的制備方法，其最終的產(chǎn)物需要去除控制劑以純化產(chǎn)品，不僅工藝繁瑣，而且增加生產(chǎn)成本，晶型控制劑的穩(wěn)定性、可靠性對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。而調(diào)控溫度的方法，操作流程復(fù)雜，受控溫能耗所限，不僅經(jīng)濟(jì)性受影響，而且很多情況下還不能得到100％純度的球霰石。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種利用動態(tài)磁攪拌槳制備球霰石的方法及裝置。研發(fā)了新的無需添加劑、高純度、低成本的球霰石制備方法，實現(xiàn)了球霰石制備過程的綠色化。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種利用動態(tài)磁攪拌槳制備球霰石的方法，該方法為：將永磁體按順序排列制成磁攪拌槳，將所述磁攪拌槳置于反應(yīng)器內(nèi)，在攪拌條件下，將碳酸鹽溶液勻速引入反應(yīng)器內(nèi)的鈣鹽溶液中，利用磁攪拌槳上永磁體構(gòu)成的強(qiáng)磁場，使反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溶液進(jìn)行切割磁力線運動，然后反應(yīng)溶液經(jīng)抽濾、洗滌、干燥處理制得球霰石。

優(yōu)選地，所述磁攪拌槳的攪拌速率為300-1000轉(zhuǎn)/分鐘。

優(yōu)選地，所述磁攪拌槳由2對或2對以上的永磁體組成，所述永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2000-6000高斯。

優(yōu)選地，所述碳酸鹽溶液為0.005-1.0mol/L的Na₂CO₃或NaHCO₃溶液，所述鈣鹽溶液為0.005-0.5mol/L的CaCl₂溶液。

優(yōu)選地，所述碳酸鹽溶液勻速引入鈣鹽溶液的速率為1.0-7.5mL/min。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)溶液采用去離子水洗滌；所述干燥溫度為105℃，干燥時間為2h。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)溶液攪拌切割磁力線的時間為0.5-2h。

本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用動態(tài)磁攪拌槳式方法，將反應(yīng)溶液通過磁攪拌槳的攪拌而產(chǎn)生動態(tài)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁場，使溶液在強(qiáng)磁場中切割磁力線并被磁化，洛倫茲力的作用將極大促進(jìn)碳酸鈣的成核，從而強(qiáng)化促成熱力學(xué)不穩(wěn)定相球霰石型碳酸鈣的生成，制備出高純度的球霰石。本發(fā)明方法制備的球霰石，其粒徑范圍為1-5μm，純度為100％。

本發(fā)明還提供了一種利用動態(tài)磁攪拌槳制備球霰石的裝置，該裝置包括：反應(yīng)器、磁攪拌槳和控制器；

所述反應(yīng)器內(nèi)安裝磁攪拌槳，磁攪拌槳同控制器相連，以控制磁攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳的攪拌使反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溶液混合均勻；

所述磁攪拌槳由2對或2對以上的永磁體自上而下排列組成，每對永磁體中一塊永磁體的N極朝上，另一塊永磁體的S極朝上。

優(yōu)選地，所述磁攪拌槳上的每對永磁體的N、S極沿攪拌槳桿中心軸方向并以中心軸對稱設(shè)置。

優(yōu)選地，所述永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2000-6000高斯。

采用上述裝置制備球霰石的具體實施步驟如下：

第一步、在反應(yīng)器內(nèi)安裝磁攪拌槳，并將磁攪拌槳同控制器相連，以控制磁攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳的攪拌使反應(yīng)溶液混合均勻。磁攪拌槳上永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度為2000-6000高斯。

第二步、開啟控制器，在攪拌速率為300-1000轉(zhuǎn)/分鐘條件下，將濃度為0.005-1mol/L的Na₂CO₃或NaHCO₃溶液以1.0-7.5ml/min的速率，勻速引入反應(yīng)器內(nèi)濃度為0.005-0.5mol/L的CaCl₂溶液中。反應(yīng)溶液在磁攪拌槳的攪拌作用下切割由攪拌槳上永磁體構(gòu)成的強(qiáng)磁場，旋轉(zhuǎn)的攪拌磁場促進(jìn)碳酸鈣的成核反應(yīng)，并提供球霰石穩(wěn)定所需的能量。

第三步、在反應(yīng)溶液攪拌0.5-2h后，關(guān)閉控制器，溶液經(jīng)抽濾、去離子水洗滌、105℃干燥2h后得到球霰石型碳酸鈣粉末。經(jīng)X射線衍射(XRD)儀和電子掃描顯微鏡(SEM)分析，該碳酸鈣粉末其粒徑范圍為1-5μm，球霰石純度為100％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1，本發(fā)明采用的制備球霰石的方法與傳統(tǒng)添加晶型控制劑并調(diào)控pH等方法相比，為純物理方法，無需任何添加劑，工藝簡單，易操作，成本低，生產(chǎn)過程綠色環(huán)保。

2，本發(fā)明方法采用動態(tài)磁攪拌槳產(chǎn)生永磁強(qiáng)磁場，與傳統(tǒng)靜態(tài)永磁磁場相比，磁場作用強(qiáng)，產(chǎn)品純度高，可生成100％含量的球霰石型碳酸鈣，可以大規(guī)模地應(yīng)用于球霰石碳酸鈣的制備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明利用動態(tài)磁攪拌槳制備球霰石裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a為本發(fā)明實施例1制得的球霰石的XRD圖。

圖2b為本發(fā)明實施例1制得的球霰石的SEM圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

參見圖1，該圖為本發(fā)明利用動態(tài)磁攪拌槳制備球霰石裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，以下實施例中涉及的球霰石制備均采用該裝置。如圖1所示，該裝置包括：反應(yīng)器1、磁攪拌槳2和控制器3。所述反應(yīng)器1內(nèi)安裝磁攪拌槳2，磁攪拌槳2同控制器3相連，以控制磁攪拌槳2的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳2的攪拌使反應(yīng)溶液混合均勻，并使反應(yīng)溶液切割磁力線。所述的磁攪拌槳2由2對或2對以上的永磁體自上而下排列組成，每對永磁體中一塊永磁體的N極朝上，另一塊永磁體的S極朝上。所述磁攪拌槳上的每對永磁體的N、S極沿攪拌槳桿中心軸方向并以中心軸對稱設(shè)置。

實施例1

本實施例針對低濃度的Na₂CO₃反應(yīng)溶液進(jìn)行球霰石的制備。

在反應(yīng)器內(nèi)安裝磁攪拌槳，并將磁攪拌槳同控制器相連，以控制磁攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳的攪拌使反應(yīng)溶液混合均勻。磁攪拌槳上永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度為2000高斯。

開啟控制器，在攪拌速率為300轉(zhuǎn)/分鐘條件下，將15ml濃度0.005mol/L的Na₂CO₃溶液以1.0ml/min的速率，勻速引入反應(yīng)器內(nèi)的濃度為0.005mol/L的15ml CaCl₂溶液中。反應(yīng)溶液在磁攪拌槳的攪拌作用下切割由攪拌槳上永磁體構(gòu)成的強(qiáng)磁場，旋轉(zhuǎn)的攪拌磁場促進(jìn)碳酸鈣的成核反應(yīng)，并提供球霰石穩(wěn)定所需的能量。

在反應(yīng)溶液攪拌0.5h后，關(guān)閉控制器，溶液經(jīng)抽濾、去離子水洗滌、105℃干燥2h后得到球霰石型碳酸鈣粉末。經(jīng)X射線衍射(XRD)儀和電子掃描顯微鏡(SEM)分析，結(jié)果如圖2a和圖2b所示，圖2a為制得的球霰石的XRD圖；圖2b為制得的球霰石的SEM圖。對粉末XRD衍射峰計算表明該球霰石純度為100％，SEM圖像粒徑范圍為1-5μm。

本實施例表明，采用低濃度0.005mol/L的Na₂CO₃溶液和0.005mol/L的CaCl₂溶液，可制備出100％純度的球霰石。

實施例2

本實施例針對低濃度的NaHCO₃反應(yīng)溶液，改變磁處理條件，進(jìn)行球霰石的制備。

在反應(yīng)器內(nèi)安裝磁攪拌槳，并將磁攪拌槳同控制器相連，以控制磁攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳的攪拌使反應(yīng)溶液混合均勻。磁攪拌槳上永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度為3000高斯。

開啟控制器，在攪拌速率為500轉(zhuǎn)/分鐘條件下，將150ml濃度0.005mol/L的NaHCO₃溶液以7.5ml/min的速率，勻速引入反應(yīng)器內(nèi)的濃度為0.005mol/L的75ml CaCl₂溶液中。反應(yīng)溶液在磁攪拌槳的攪拌作用下切割由攪拌槳上永磁體構(gòu)成的強(qiáng)磁場，旋轉(zhuǎn)的攪拌磁場促進(jìn)碳酸鈣的成核反應(yīng)，并提供球霰石穩(wěn)定所需的能量。

在反應(yīng)溶液攪拌1h后，關(guān)閉控制器，溶液經(jīng)抽濾、去離子水洗滌、105℃干燥2h后得到球霰石型碳酸鈣粉末。經(jīng)X射線衍射(XRD)儀和電子掃描顯微鏡(SEM)分析，結(jié)果表明該球霰石純度為100％，SEM圖像粒徑范圍為1-5μm。

本實施例表明，采用低濃度0.005mol/L的NaHCO₃溶液和0.005mol/L的CaCl₂溶液，改變磁處理條件，可制備出100％純度的球霰石。

實施例3

本實施例針對高濃度的Na₂CO₃反應(yīng)溶液，進(jìn)行球霰石的制備。

在反應(yīng)器內(nèi)安裝磁攪拌槳，并將磁攪拌槳同控制器相連，以控制磁攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳的攪拌使反應(yīng)溶液混合均勻。磁攪拌槳上永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度為4000高斯。

開啟控制器，在攪拌速率為800轉(zhuǎn)/分鐘條件下，將150ml濃度0.1mol/L的Na₂CO₃溶液以7.5ml/min的速率，勻速引入反應(yīng)器內(nèi)的濃度為0.1mol/L的150ml CaCl₂溶液中。反應(yīng)溶液在磁攪拌槳的攪拌作用下切割由攪拌槳上永磁體構(gòu)成的強(qiáng)磁場，旋轉(zhuǎn)的攪拌磁場促進(jìn)碳酸鈣的成核反應(yīng)，并提供球霰石穩(wěn)定所需的能量。

在反應(yīng)溶液攪拌1.5h后，關(guān)閉控制器，溶液經(jīng)抽濾、去離子水洗滌、105℃干燥2h后得到球霰石型碳酸鈣粉末。經(jīng)X射線衍射(XRD)儀和電子掃描顯微鏡(SEM)分析，結(jié)果表明該球霰石純度為100％，SEM圖像粒徑范圍為1-5μm。

本實施例表明，采用高濃度0.1mol/L的Na₂CO₃溶液和0.1mol/L的CaCl₂溶液，改變磁處理條件，可制備出100％純度的球霰石。

實施例4

本實施例針對高濃度的NaHCO₃反應(yīng)溶液，改變磁處理條件，進(jìn)行球霰石的制備。

在反應(yīng)器內(nèi)安裝磁攪拌槳，并將磁攪拌槳同控制器相連，以控制磁攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，利用磁攪拌槳的攪拌使反應(yīng)溶液混合均勻。磁攪拌槳上永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度為6000高斯。

開啟控制器，在攪拌速率為1000轉(zhuǎn)/分鐘條件下，將150ml濃度0.1mol/L的NaHCO₃溶液以7.5ml/min的速率，勻速引入反應(yīng)器內(nèi)的濃度為0.1mol/L的75ml CaCl₂溶液中。反應(yīng)溶液在磁攪拌槳的攪拌作用下切割由攪拌槳上永磁體構(gòu)成的強(qiáng)磁場，旋轉(zhuǎn)的攪拌磁場促進(jìn)碳酸鈣的成核反應(yīng)，并提供球霰石穩(wěn)定所需的能量。

在反應(yīng)溶液攪拌2h后，關(guān)閉控制器，溶液經(jīng)抽濾、去離子水洗滌、105℃干燥2h后得到球霰石型碳酸鈣粉末。經(jīng)X射線衍射(XRD)儀和電子掃描顯微鏡(SEM)分析，結(jié)果表明該球霰石純度為100％，SEM圖像粒徑范圍為1-5μm。

本實施例表明，采用高濃度0.1mol/L的NaHCO₃溶液和0.1mol/L的CaCl₂溶液，改變磁處理條件，可制備出100％純度的球霰石。

上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明并不僅限于實施例的內(nèi)容。對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說，在本發(fā)明的技術(shù)方案范圍內(nèi)可以有各種變化和更改，所作的任何變化和更改，均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。