中國粉體網訊 球形碳酸鈣其本身具有各向同性，有著優(yōu)秀的分散性與耐磨性，被廣泛的運用于油墨、油漆、造紙、塑料、電子、陶瓷、醫(yī)藥等領域，是難得的高附加值產品。
球形碳酸鈣可改變油墨的附著性能，縮短干燥時間以及增加油墨的穩(wěn)定性；球形碳酸鈣可以顯著的增加紙張的柔韌性和白度；球形碳酸鈣具備高表面積和化學穩(wěn)定性，也被用于藥物輸送、陶瓷和骨科等領域。
超重力場中制備的碳酸鈣SEM圖
1、球形碳酸鈣生產技術
球形碳酸鈣在多數情況下是由球霰石生長而成的，但球霰石屬于熱力學最不穩(wěn)定的晶型，極易向文石和方解石型轉化。因此，球形碳酸鈣主要通過人工合成的方式獲得。目前，人工合成球形碳酸鈣的方法主要有碳化法、復分解法、生物仿生合成法、微乳液法等以及一些新型組合技術。
其中碳化法主要有鼓泡碳化法和超重力法，間歇鼓泡碳化法生產效率低，難以實現碳酸鈣晶體調控，生產出的球形碳酸鈣粒徑粗且不均勻；超重力法生產效率高、粒度分布均勻，但所涉及的設備投資大，生產成本高。微乳法需要制備微乳液，使得碳酸鈣的結晶反應在微乳液滴內進行，不適合應用于工業(yè)上大規(guī)模的生產。復分解法存在工藝條件復雜、成本較高及制備出來的碳酸鈣粒徑較大等缺陷，因而也不易于工業(yè)化生產。
但由于碳化技術是碳酸鈣工業(yè)化生產的主流技術，所以其依舊是工業(yè)化生產球形碳酸鈣重要的研究方向。
2、碳化法制備碳酸鈣原理
碳化反應是一個涉及氣-液-固的多相快速反應，傳質過程是碳化反應的主要控制步驟，主要為不同相際間的傳質，碳化和碳酸鈣的形成分為三個步驟，第一步驟為二氧化碳在氣液界面的溶解，第二步驟為氫氧化鈣在液固界面的溶解，第三步驟為碳酸鈣的成核與生長過程，所涉及到的反應如下：
其中最關鍵的步驟為，氣相二氧化碳溶解于液相與氫氧化鈣的溶解過程，這兩個過程是整個碳化過程的控制步驟，通過影響反應速度，成核速度以及生長速度來影響碳酸鈣的粒子大小，晶型種類和碳酸鈣最終的分散性。
3、超重力碳化技術制備球形碳酸鈣
超重力是指物質受到遠大于重力加速度的力，通常由旋轉填充床產生強大的離心力來模擬超重力環(huán)境。實踐證明，由于超重力反應結晶法碳化時間短、生產效率高、粒度分布均勻、不同批次產品的重現性好,有利于工業(yè)化的應用。
碳酸鈣在不同重力場下的生長示意圖
利用離心泵工作時產生的離心加速度在微界面反應器的作用下將CO2氣體和Ca(OH)2懸浮液的氣-液-固界面的幾何尺度高效撕裂為微納米級的微界面，其傳質速率比傳統攪拌式反應器高1~3個數量級，提高了相際間接觸面積和質能傳遞效率，提高了CO2的利用率，從而降低了能耗物耗。
與鼓泡碳化塔相比，CO2的利用率大幅提高。采用鼓泡碳化塔制備碳酸鈣，CO2的利用率約為10.39%；在最佳反應條件下，采用超重力-微界面法制備碳酸鈣，CO2的利用率達到了58.06%，提升了將近5倍。
不同反應器中氣泡粒徑分布(a)超重力-微界面碳化反應器；(b)傳統鼓泡塔反應器
孫金磊等以聚乙烯亞胺(PEI)為晶型控制劑、甲醇為分散劑、氫氧化鈣溶液和CO2為原料，采用超重力-微界面法進行類球形納米碳酸鈣制備研究�？疾旆磻獪囟取O2流量、氫氧化鈣溶液濃度、甲醇體積分數、PEI添加量對碳酸鈣產物形貌的影響。結果表明，超重力-微界面碳化反應器可以將CO2氣泡由毫米級高效轉化為微米級，增大了氣液相界面積，提高了氣液傳質；氫氧化鈣與CO2碳化反應最佳反應條件是氫氧化鈣濃度為8%、PEI添加量為氫氧化鈣質量的4%、甲醇體積分數為20%、CO2流量為2.5L/min、反應溫度為12℃，所制備的類球形納米碳酸鈣粒徑為40nm~60nm。
廣西大學公布了一種在超重力場條件下，連續(xù)制備球形碳酸鈣晶體的方法。具體實現步驟為：在配制濃度為0.01～0.20mol/LCaCl2水溶液中，滴加一定量的氨水調節(jié)其pH值，同時添加0.05～1.0wt%可溶性淀粉作為晶型控制劑，密封攪拌后轉移至超重力反應器中�？刂铺蓟瘻囟仍�0～50℃，在超重力反應器中，高速旋轉的CaCl2混合液與流量為(30～500L/h)的CO2進行逆流接觸進行碳化反應。當漿液pH=6.5～7.0時，停止通氣，碳化反應結束。將碳化完全后漿液進行離心，70℃下干燥5小時，粉碎，即得平均粒徑為12～17um的球形碳酸鈣產品。與其它碳化法相比，在以可溶性淀粉作晶型控制劑的條件下，采用超重力碳化法制備出的球形碳酸鈣產品具有較窄的粒度分布，形貌均一且分散性好的優(yōu)點，此外碳化時間大大縮短。
4、超重力碳化技術生產碳酸鈣產業(yè)現狀
超重力碳化技術生產碳酸鈣在國內外均有產業(yè)化應用，這是運用該技術生產球形碳酸鈣的基礎。例如山西新泰恒信納米材料股份有限公司生產的納米碳酸鈣就是運用的這項技術。
目前，國內許多高校、研究機構、企業(yè)對超重力碳化技術生產碳酸鈣都有所涉獵，球形、立方形、花瓣狀、晶須等不同形貌的產品也均有研究。這可以反映出，企業(yè)、高校乃至市場對超重力技術裝備的認可和需求度，也可以看出其在碳酸鈣生產方面的應用潛力。
北京化工大學
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一種在超重力場條件下，連續(xù)制備球形碳酸鈣晶體的方法
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粉體網編輯認為，隨著成本問題、產品價值、市場需求達到某種平衡，超重力碳化技術或許會很快取得重大突破甚至是逐漸普及，屆時一大批高端碳酸鈣的誕生或許可以再次推動行業(yè)向前發(fā)展。
參考來源
李裕興，多種晶型納米碳酸鈣制備及生長機理的研究進展，山西大學
孫金磊，超重力-微界面法制備類球形納米碳酸鈣，廣西大學
劉晨民，超重力場中球形與片狀碳酸鈣的制備研究，廣西大學
黎聲鵬，超重力場中球形碳酸鈣的制備及其機理研究，廣西大學
高凱，碳化塔結構對碳酸鈣晶體質量影響分析，新疆至臻化工工程研究中心有限公司
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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