CC BY
91
УДК 546.41:543.2
П. А. Кекин, И. А. Почиталкина*, И. А. Петропавловский
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. Адрес: 125047 г. Москва, Миусская пл., д. 9, кафедра ТНВ. * e-mail: [email protected]
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ*
С помощью лазерного анализатора частиц Nanotrac и микроскопа Levenhuk C 130 оценен текущий размер частиц СаСО3 в процессе кристаллизации в диапазоне от 0,8 нм до 75 мкм с получением распределения частиц по размерам. Получена графическая зависимость d,j = f(x). Полученный осадок проанализирован рентгеновским методом. Установлено, что исследуемый образец представлен одной фазой - карбонатом кальция со структурой кальцита.
Ключевые слова: карбонат кальция, рентгенофазовый анализ, световая микроскопияПроцессы осаждения и растворения кристаллов карбоната кальция имеют важное значение для водоподготовки и энергетики. Концентрация карбоната кальция во многих природных водах соответствует или несколько превышает уровень растворимости этой соли, что приводит к образованию кристаллов и их осаждению.
В работах, посвященных исследованию процесса образования и кристаллизации карбоната кальция из растворов [1-3], не уделяется должного внимания изучению свойств твердой фазы. В данной работе показана динамика роста частиц карбоната кальция и установлен фазовый состав полученного кристаллического продукта.
Характеристика исходных веществ: бидистиллированная вода, кальций хлористый (CaCb) - б/в, ч.д.а. ГОСТ 4460-79; натрий углекислый (Na2COs) - б/в, х.ч. ГОСТ 83-79; натрий хлористый (NaCl) - фиксанал - 0,1 М ТУ 609-2540-72.
Исследование проводилось на модельных растворах карбоната кальция со степенью пересыщения Х = 2-6 при t = 25 °C и постоянной фоновой ионной силе, создаваемой хлоридом натрия 0,1 М. Реакция образования карбоната кальция:
Na2COs + CaCb = CaCOs + 2NaCl (1)
На первом этапе исследования с помощью лазерного анализатора частиц Nanotrac, в основу работы которого положен метод динамического рассеяния оптического излучения, получено текущее распределение частиц карбоната кальция по размерам. Диапазон измерений прибора (от 0,8 нм до 6,5 мкм) позволяет определить размер частиц на стадии зарождения кристалла (т = 0-30 мин). Показания прибора обрабатывались в программной среде Microtrac FLEX. Результаты измерений, полученных данным методом, показаны на рис. 1а - г. По данным анализа для получения зависимости dч(СаСОз) = f(T) выбирался размер частиц с наибольшим содержанием.
На втором этапе исследования (т = 30 - 540 мин) с целью дальнейшего наблюдения за ростом кристаллов карбоната кальция использовали микроскоп ЬеуепЬик С 130 с установленной цифровой камерой. На полученном снимке (рис. 2) при 10-кратном увеличении и трехкратном пересыщении раствора СаСОз выбиралась область, в пределах которой производился подсчет количества видимых частиц карбоната кальция. С учетом масштаба рассчитывался индивидуальный размер частицы.
С течением времени количество снимков и интервал времени между ними выбирался опытным путем, отмеченная область не менялась.
По полученным экспериментальным данным построена кинетическая зависимость ^(СаСО3) = Г(т), представленная на рис. 3. На графике можно выделить три стадии процесса, соответствующие: 1 - периоду индукции - в течение которого происходит образование зародышей карбоната кальция (размер частиц изменяется незначительно); 2 - периоду массовой кристаллизации, характеризующийся резким увеличением текущего размера частиц; 3 - выходу на равновесие, когда рост частиц прекращается. После этого осажденную фазу декантировали, сушили при комнатной температуре до постоянной массы и далее анализировали с помощью рентгенографических методов.
Из полученной рентгенограммы осадка (рис. 4), видно, что положение пиков исследуемого образца совпадает со штрих-рентгенограммой кальцита по индексу международного идентификатора. Методом рентгенофазового анализа установлено, что образец представлен одной фазой - карбонатом кальция со структурой кальцита.
Рис. 2. Снимок цифровой камеры.
Время In i [мин]
Рис. 3. Зависимость размера частиц карбоната кальция от времени.
[47-1743] CaCO3 / Calcium Carbonate / Calcite
Jl
• / i. -i
)
Рис. 1. Текущее распределение частиц карбоната кальция по размерам. а) т = 2 мин; б) т = 4 мин; в) т = 6 мин; г) т = 8 мин.
Анализ фазового состава и структуры полученного кристаллического продукта проводили на дифрактометре RIGAKU D/MAX -2500 с вращающимся медным анодом и графитовым монохроматором на отраженном пучке, напряжение на трубке 45 кВ, ток трубки 250 мА. Сканирование образца проводилось при следующих параметрах: начальный угол 20 = 10°; конечный угол 20 = 80°; шаг сканирования 20 = 0,02°; скорость 5°/мин.
Рис. 4. Рентгенограмма образца СаСОз.
Таким образом, с использованием лазерного анализатора частиц и светового микроскопа проведено измерение размера частиц в процессе кристаллизации карбоната кальция из пересыщенного раствора. Получена графическая зависимость dч = А(т). Методом РФА показано, что осажденная фаза представлена карбонатом кальция со структурой кальцита.
*Измерения распределения частиц по размерам выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Кекин Павел Александрович аспирант кафедры технологии неорганических веществ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Почиталкина Ирина Александровна к.т.н., доцент кафедры технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Петропавловский Игорь Александрович д.т.н., профессор кафедры технологии неорганических веществ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Библиографические ссылки
1. Хорошилов А.В., Семенова И.В. Физико-химическая модель образования карбоната кальция в
слабощелочных растворах. // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. Т. 37. №5. с. 25-27.
2. Хорошилов. А.В., Семенова И.В., Симонова С.В. Закономерности образования кальцита при
щелочной обработке воды. // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. Т. 30. № 3. с. 20-22.
3. Tzotzi Ch., Pahiadaki T., Yiantsios S.G., Karabelas A.J., Andritsos N. A study of CaCO3 scale formation
and inhibition in RO and NF membrane processes. // Journal of membrane science. 2007. V. 296. p. 171-184.
Kekin Pavel Aleksandrovich, Pochitalkina Irina Aleksandrovna, Petropavlovsky Igor Aleksandrovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: [email protected]
A STUDY OF THE PROPERTIES OF THE SOLID PHASE DURING CALCIUM CARBONATE CRYSTALLIZATION
Current size of CaCO3 particles has been evaluated with a laser particle size analyzer Nanotrac and microscope Levenhuk C 130 during crystallization in the range from 0,8 nm to 75 microns to obtain a particle size distribution. Obtained a curve d = f(T). The resultant precipitate was analyzed by powder XRD. Found that the sample was represented by a single phase - calcium carbonate with a structure of calcite.
Key words: calcium carbonate, powder XRD, light microscopy
