硫酸钙的应用

发布日期:2020/10/21 8:45:43

背景及概述^[1][2]

化学式CaSO₄，式量136。14。白色固体或无色斜方晶体。易吸潮。密度2。 61g/cm3，熔点1450℃。带两个分子结晶水的叫石膏或生石膏CaSO₄·2H₂O，将石膏加热到150～170℃时，失去大部分结晶水变成熟石膏CaSO₄·1/2H₂O，或写为：2CaSO₄·H₂O，200℃以上长时间加热成为无水物。不溶于水和乙醇，溶于铵盐、硫代硫酸钠、氯化钠等溶液。无水硫酸钙或熟石膏与适量水混和时，即慢慢地凝固。用做阻滞剂、粘合剂、吸湿剂、磨光粉、纸张充填物、气体干燥剂、制石膏绷带、制工艺品。用石膏可以调节水泥凝固时间。有天然石膏矿，磷酸盐工业的副产品中含有硫酸钙，硫酸铵溶液跟氯化钙溶液反应，吸滤、洗涤沉淀，可制纯品。

我国石膏矿产资源丰富，现今已探明矿藏资源达576亿t，另外工业副产品脱硫石膏年产量高达1亿t，原料资源丰富，目前我国硫酸钙晶须产量在1万t。硫酸钙晶须由于其独特的结构形貌，广泛应用于新材料、传统材料的改性以及环境工程等领域，国家对其开发利用高度重视。

制备^[2]

材料界对晶须的研究始于 1948 年，由美国科学家率先提出晶须概念，硫酸钙晶须由西方学者在 19世纪 70 年代着手研究，在此以后的半个世纪里，国内外学者纷纷涌入晶须研究领域，先后研发出上百种晶须，主要分为有机晶须与无机晶须。但当时制备的晶须具有长径比小、产率低及成本高等问题。在19世纪 80 年代，在日本科学家首次研发出价格低廉的钛酸钾晶须之后，晶须的实际应用价值才得以体现。各国学者经过半个多世纪的反复探索研究，对硫酸钙晶的制备方法已经有了较全面的认识，目前主要有常压酸化法、水热合成法、离子交换法与微乳法。

应用^[2]

硫酸钙晶须的应用

1 用作材料的改性剂

1.1 高抗冲聚苯乙烯的改性

高抗冲聚苯乙烯（HIPS）以其独特的加工性能、力学性能和热性能在塑料行业占据一席之地。随着现代工业对新材料要求的提高，原有传统材料必须对其原有性能进行优化。周超等用硫酸钙晶须对高抗冲聚苯乙烯进行改性，通过实验证明，由质量分数为15 %的硫酸钙晶须改性后的复合材料弯曲模量比纯HIPS 增加了 162 %，冲击强度也明显提高，这更加稳固了 HIPS 在电器、仪表与日用品包装行业的地位。

1.2 氟橡胶的改性

氟橡胶（FPM）是一种抗热、耐油、抗酸碱腐蚀的现代航空航天材料。氟橡胶的改性剂一般为炭黑或者白炭黑，随着航天事业的突飞猛进，具有更好性能的复合材料备受学者关注。李辉等将硫酸钙晶须与无水硫酸钙分别掺杂在氟橡胶中，通过 Kissinger 法和Ozawa 法计算各自的热分解活化能，结果证明，硫酸钙晶须/氟橡胶复合材料的分解活化能高，热稳定性强，大大增加了氟橡胶在航空航天行业的应用范围。

1.3 双马来酰亚胺树脂的改性

双马来酰亚胺树脂是一种具有良好耐热性、工艺性、摩擦性的热固性树脂，但是摩擦性能会随使用时间的增长而下降。胡晓兰等利用硫酸钙晶须对其进行改性研究，结果表明，硫酸钙晶须改性后的双马来酰亚胺树脂复合材料的塑性变形和裂纹情况得到明显的改善，磨损方式由黏着磨损变为磨粒磨损，并且磨损量显著降低，大大增加了双马来酰亚胺树脂在摩擦材料行业的应用范围。

1.4 尼龙 6 的改性

尼龙6（PA6）是一种热塑性良好的树脂总称，因其分子主链上的酰胺基团重复出现，工业上常以玻纤为添加剂改变尼龙 6 的力学性能。曾斌等采用侧向添加方式将硫酸钙晶须添加到玻纤改性后的尼龙6中，测试结果显示，当硫酸钙晶须添加量低于10 %时，原材料的拉伸强度提高了8.7 %，弯曲强度提高了7.5%，弯曲模量提高了8 %，这一实验为尼龙 6开拓了应用空间，更为新材料的性能改进提供了科学实例。

1.5 道路用沥青的改性

沥青是一种黏度高、流动性小的黑褐色有机液体，作为基础建设材料广泛应用于道路建设等行业。但是由于其耐高温能力低，塑性与弹性差等缺点，吸引了众多学者对其性能进行改性研究。李军代等借助硫酸钙晶须的高强度、高模量、耐高温等优点对道路用沥青进行改性，改性后的沥青耐高温性能、抗车辙能力有了显著提高，延长了沥青的使用寿命，降低了道路建设成本，具有一定的社会意义与经济意义。

1.6 纸张强度的改性

纸张的表面强度一直是衡量纸张好坏的重要指标，纸张强度差一般会导致印刷产品边缘有白边或者发虚的现象，更甚者会出现墨橡皮布与纸张分离的现象。近年来，学者通过研究发现硫酸钙晶须对纸张具有明显的增强效果。刘焱等通过实验证实，超过10 %的硫酸钙晶须加入到纸张中，纸张的强度指标均有所增加，当强度指标时，硫酸钙晶须的加入量为25%。硫酸钙晶须因其独特的纸张强度增强功能，在造纸行业中应用的前景十分广阔。

2 用作环境保护净化剂

2.1 对水中磷的吸附净化

磷是导致水体富营养化的罪魁祸首，近年来国家花大力度治理磷超标，严格管控含磷废水的排放，目前工业上主要运用化学法、生物法、人工湿地法等治理含磷废水，但是效果都不尽人意。邱学剑等首次利用硫酸钙晶须处理污水中的磷，通过实验证实：在碱性条件下，借助Langmuir 等温吸附模型对磷的吸附过程进行了解释，磷的去除率高达93%，大大提高了磷的去除效率，降低了处理成本，在工业实际应用中具有一定的现实意义。

2.2 对水中汞的吸附净化

汞是目前工业废水中危害的重金属之一，水中汞含量一旦超标，严重影响水生植物的光合作用，同时汞对人体的危害主要体现在神经系统、消化系统与生殖系统上，对水中汞的治理一直以来都是环境专家的研究重点。陈敏等利用通过壳聚糖-己二酸改性后的硫酸钙晶须对工业废水中的汞进行吸附处理，实验结果表明，废水中 pH 增大、温度升高都对汞的吸附有一定的促进作用，改性后的硫酸钙晶须对汞的吸附率高达90 %，对工业废水的处理有一定的指导意义。

2.3 对印染废水的脱色处理

印染行业的废水组成成分复杂，多为有毒、有特殊颜色的有机物，一般的处理方法很难对其进行有效处理，国内外学者在这方面花费了大量的精力研究印染废水的处理。杨双春等在传统吸附沉降的基础上首次利用硫酸钙晶须的比表面积大、密度小、结构松散的特性，对印染废水进行处理，由于硫酸钙晶须造价低，具有得天独厚的价格优势，另外脱色效果明显好于传统方法，在印染废水脱色方面具有广阔的应用前景。

2.4 对含油废水的破乳除油处理

随着现代工业的发展，大量含油废水的处理成了环保专家的当务之急，但是近些年各类处理方法因速度慢、效率低等问题在实际应用中受到一定限制。刘玲等率先提出运用硫酸钙晶须的尺寸均匀，表面自由能大、比表面积大等特性对水中污油进行吸附处理，实验结果表明，在微碱性溶液中硫酸钙晶须对污油的处理速度快，效果好，加之硫酸钙晶须原料便宜，便于实现工业化生产。