Kedra_Krolik
advertisement
Karolina Kędra-Królik „Opracowanie nowej metody wytwarzania submikrometrycznych kryształów węglanu wapnia w kontrolowanej reakcji wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla” Celem niniejszej pracy było opracowanie podstaw naukowych metody wytrącania wysokiej czystości submikrometrycznych cząstek węglanu wapnia o jednorodnej, trwałej i nanometrycznej strukturze, których właściwości pozwalają na ich potencjalne zastosowania praktyczne. Do osiągnięcia celu zastosowano zmodyfikowany, prototypowy reaktor z obrotowymi dyskami do prowadzenia procesów w układzie gaz – ciecz – ciało stałe. Koncepcja działania reaktora zakłada ciągłe tworzenie się cienkiej warstwy cieczy na bocznej powierzchni obracających się dysków, gdzie przenoszenie masy zachodzi drogą dyfuzyjno – konwekcyjną. Taki sposób prowadzenia wytrącania stwarza możliwość kontrolowania procesu. W wyniku rozpuszczania gazowego dwutlenku węgla w zawiesinie wodorotlenku wapnia, któremu towarzyszy szybka reakcja chemiczna, w mieszaninie reakcyjnej dochodziło do krystalizacji CaCO3. Dużą uwagę poświecono optymalizacji warunków prowadzenia procesu wytrącania w reaktorze z obrotowymi dyskami w celu otrzymywania węglanu wapnia o pożądanych właściwościach oraz dokładnemu scharakteryzowaniu mikrostruktury wytrącanych proszków. Strukturę i czystość CaCO3 określono za pomocą dyfrakcyjnej analizy rentgenowskiej, morfologię kryształów za pomocą mikroskopii elektronowej (skaningowej, SEM lub transmisyjnej, TEM), powierzchnię właściwą oraz jej morfologię przez pomiary niskotemperaturowej adsorpcji azotu na podstawie izotermy Brunauera-Emmeta-Tellera, wielkość i rozkład wielkości cząstek/agregatów w zawiesinie z pomiarów rozpraszania światła przez oraz z kinetyk sedymentacji. Zbadano również kinetykę procesu wytrącania przez pomiar pH i konduktometryczny w warunkach różnych stężeń substratów i różnej szybkości obrotowej dysków. Opracowana metoda umożliwia otrzymywanie termodynamicznie trwałych krystalitów czystego kalcytu o wymiarze nanometrycznym (średnica wyznaczona ze zdjęć SEM lub TEM wynosi od 30 do 40 nm), które podlegają agregowaniu do układów submikrometrycznych. Nanometryczny rozmiar ziaren potwierdziły wyniki uzyskane z dyfrakcji rentgenowskiej (24 – 35 nm). Symulacja procesu wytrącania CaCO3 zachodzącego w warstwie cieczy rozwiniętej na powierzchni dysku wykazała, że wielkość ziaren zależy od rozmiaru zarodków krystalicznych, który nie zmienia się w sposób istotny w czasie trwania procesu. Jest to zgodne z wynikami badań eksperymentalnych. Stwierdzono, że niezależnie od temperatury produktem jest czysty kalcyt a większe stężenie początkowe zawiesiny Ca(OH)2 i bardziej intensywne mieszanie prowadzi do powstawania mniejszych krystalitów. Ustalono optymalne parametry procesu, w których otrzymywany proszek charakteryzuje się najbardziej rozwiniętą powierzchnią (SBET,N2= 23,7 m2g-1) oraz obecnością mezoporów. Możliwe jest kontrolowanie średnicy o objętości porów wytrącanego kalcytu poprzez zmianę warunków prowadzenia procesu. Działanie zewnętrznego pola ultradźwiękowego w czasie tworzenia fazy krystalicznej powoduje zmniejszenie średnicy ziaren do 27 nm jednocześnie zwiększając ich tendencję do ich agregowania. Pomiary potencjału elektrokinetycznego wykazały słabą barierę elektrostatyczną przeciw koalescencji cząstek w zawiesinie. Zaproponowano sposób stabilizowania cząstek kalcytu w zawiesinie poprzez pokrywanie ich warstwą surfaktanta – kwasu tetradekanowego.
