摘 要

工业制备木质素时通常使用硫酸酸沉法，使用硫酸时会引入大量的硫酸根离子，后继难以处理，这对污水处理带来了很大的压力，对环境构成了严重威胁，如何资源化利用硫酸根离子不仅能缓解环境问题，而且能够带来收益，本文将探索利用木质素黑液中的硫酸根离子制备硫酸钙晶须，具体研究如下：

1.硫酸钙晶须制备时的条件优化。

硫酸钙晶须在水热法制备时水热的温度、时间会给硫酸钙晶须生长带来影响，在对水热法温度及时间进行对比试验后成功得出了硫酸钙晶须制备时的最优条件即110℃，2 h。

2.硫酸钙晶须稳定性。

在制备硫酸钙晶须之后，需对硫酸钙晶须的稳定性进行测试，首先对硫酸钙晶须的含水量进行测试，经过烘干等操作测得硫酸钙晶须含水量为0，其次，对室温搅拌一天的硫酸钙晶须进行镜检，经比较长径比未发生变化。

3.其他离子对硫酸钙晶须生长的影响。

在水热制备时排除了温度以及时间的影响，在其中加入镁离子、铜离子、铵离子以及亚铁离子考察其他离子是否对硫酸钙晶须生长有影响，经与空白实验对照，加入了铜离子与亚铁离子的硫酸钙晶须生长较好，得出结论铜离子与亚铁离子可能对硫酸钙晶须的生长有促进作用。

4. 硫酸钙晶须在PVC材料中的应用

将实验制备的无水硫酸钙晶须作为填料加入PVC塑料中后，对其进行三点弯曲性能试验，其平均弯曲模量(Ef)和加入碳酸钙相比由1834.93 Mpa增大至2030.75 Mpa，即塑料的硬度明显增大。弯曲强度下弯曲应变有5.79增加至6.05，即塑料的韧性明显增加。这表明无水硫酸钙晶须对增强塑料强度具有显著的效果。

关键词：硫酸钙晶须 水热法 硫酸根离子

Preparation and Process Development of CaSO₄ Whisker

Abstract

Sulfuric acid and acid precipitation are commonly used in the industrial preparation of lignin. When sulfuric acid is used, a large amount of sulfate ion is introduced, which is difficult to handle in succession. This brings a lot of pressure on sewage treatment, poses a serious threat to the environment, and how to utilize resources. Sulfate ions can not only alleviate environmental problems, but also bring benefits,This article will explore the preparation of calcium sulfate whiskers from sulfate ions in lignin black liquor. The specific studies are as follows:

1. Optimization of conditions for preparation of calcium sulfate whiskers.

The temperature and time of the calcium sulfate whisker hydrothermal method will influence the growth of the calcium sulfate whisker in the preparation of the hydrothermal method. After a comparative test of the hydrothermal method temperature and time, the calcium sulfate whisker was successfully prepared. The optimal condition is 110°C, 2 h.

2. Calcium sulfate whisker stability.

After the calcium sulfate whisker is prepared, the stability of the calcium sulfate whisker needs to be tested. First, the moisture content of the calcium sulfate whisker is tested. After the drying and other operations, the water content of the calcium sulfate whisker is 0, and second, Calcium sulphate whiskers that were stirred for one day at room temperature were microscopically examined and did not change after comparing the aspect ratio.

3. The effect of other ions on the growth of calcium sulfate whiskers.

The effects of temperature and time were eliminated during hydrothermal preparation. Magnesium, copper, ammonium, and ferrous ions were added to investigate whether other ions had an effect on the growth of calcium sulfate whiskers. In contrast to the blank experiment, copper was added. The calcium sulfate whiskers of ions and ferrous ions grow well. It is concluded that copper ions and ferrous ions may promote the growth of calcium sulfate whiskers.

4. Application of calcium sulfate whiskers in PVC materials

he experimentally prepared anhydrous calcium sulfate whisker was added as a filler to a PVC plastic and subjected to a three-point bending test. The average bending modulus (Ef) was increased from 1834.93 Mpa to 2030.75 Mpa when calcium carbonate was added. That is, the hardness of the plastic increases significantly. The bending strain at bending strength increases from 5.79 to 6.05, which means that the toughness of the plastic increases significantly. This indicates that anhydrous calcium sulfate whiskers have a significant effect on the strength of reinforced plastics.

Keywords: calcium sulfate whisker; hydrothermal method process; sulfate ion

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 硫酸钙晶须的特性 1

1.2 硫酸钙晶型问题 1

1.3 硫酸钙晶须晶型及其特点 2

1.4 硫酸钙晶须国内与国外研究现状 3

1.5 硫酸钙晶须的制备 3

1.5.1 水热法 3

1.5.2 水热法的类型 3

1.6 硫酸钙晶须的用途 4

1.6.1 用于摩擦材料 4

1.6.2用作增强组元 4

1.6.3用于环境工程 4

1.6.4用于沥青改性剂 4

1.7 硫酸钙晶须的前景 4

1.8本章小结 5

第二章 利用木质素中硫酸根制备硫酸钙晶须的可行性探索及其应用 6

2.1 实验材料 6

2.1.1 实验药品 6

2.1.2 实验仪器 6

2.2 硫酸钙晶须制备 6

2.2.1 实验预处理 6

2.2.2 实验方法 6

2.3 硫酸钙晶须相关表征分析 7

2.4 硫酸钙晶须稳定性测定 8

2.4.1 实验方法 8

2.4.2 实验数据 9

2.5 硫酸钙晶须制备条件优化 9

2.5.1 实验方法 9

2.6 其它离子对硫酸钙晶须生长的影响 10

2.7 木质素黑液中S0₄^2-离子回收利用 12

2.7.1 实验方法 12

2.8 硫酸钙晶须在PVC塑料中的应用 13

2.8.1 实验背景 13

2.8.2 实验方案 13

2.8.3 实验结果 13

2.9 本章小结 14

第三章 结论与展望 15

3.1 结论 15

3.2 展望 15

参考文献 17

致 谢 18

第一章 文献综述

木质素时植物骨架主要成分，是可再生资源，在自然界中木质素的数量仅次于纤维素，其分子结构中的各类官能团可以发生氧化、磺化等化学反应。在造纸行业中，以植物纤维为原料的制浆造纸中，占原料约60%的木质素、聚戊糖等成分被分离，与制浆过程中加入的残留化工原料和水等形成黑液，木质素黑液经离心后上清中存在许多硫酸根离子，造成了资源的浪费，同时对环境造成污染^[1]。

硫酸钙晶体，如硫酸钙石膏,也有二水、半水和无水之分,化学式分别为CaSO₄·2H₂O、CaSO₄·0.5H₂0以及CaSO₄。其中二水硫酸钙俗称石膏，半水硫酸钙俗称熟石膏、烧石膏无水硫酸钙俗称硬石膏^[28]。

1.1 硫酸钙晶须的特性

硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、红外反射性良好、易于表面处理易加工等物理化学性能。^[2]在工业领域应用广泛^[3]。

1.2 硫酸钙晶型问题

硫酸钙的性能因晶型和晶习的差异而存在显著不同。从晶体形貌（晶习）角度来讲，硫酸钙存在多种状态，不同晶习的硫酸钙其堆积密度不同，力学性能不同，不同的晶习可以有相同的晶体结构。从晶体结构上来讲，硫酸钙存在5种无水晶型和10种水合物晶型，结晶水的个数在从0到2不等，二水合物、半水合物、无水合物较为常见，其中半水合物又可以有α-半水合物晶型和β-半水合物晶型，不同晶型的硫酸钙，其力学性能和稳定性存在较大差异。几种典型的硫酸钙晶体结构如下图1所示。硫酸钙的性能因晶型和晶习而异，不同性能的硫酸钙可以应用到不同领域，比如建筑、装饰、塑料、医疗、磨具、纸张等。

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