本科毕业论文
1. 物理性质
(1)密度:各种碳酸钙的同质异构体的密度不同。密度平均值:方解石为2.710g/cm3,霰石为2.929g/cm3,球霰石为2.650g/cm3。
(2)硬度:方解石的莫氏硬度为3,霰石约为3.5~4。
(3)强度:只可测出方解石根据直径d(mm)不同,经多大力P(kgf,1kgf=9.8N)就被压碎。直径在0.1~2mm之间时关系为P=0.95d+0.091d2。
(4)分解温度:在常温下,方解石的分解温度为898℃,霰石的分解温度为825℃,球霰石则在温度升到分解温度之前已转变为方解石,所以球霰石的分解温度不存在。
(5)熔点:在较大的压力范围内,方解石在温度升到熔点之前已分解为氧化钙和二氧化碳,所以在较大的压力范围内,方解石的熔点不存在。当压力为10.4MPa时,方解石的熔点为1339℃。由于霰石在高温高压下会转变成方解石,所以霰石的熔点不存在。球霰石是不稳定型,其熔点也不存在。
(6)浓度积、溶解度和pH值:各种碳酸钙的同质异构体的浓度积是相同的。在25℃时,碳酸钙在水中的浓度积为8.7×10-9。碳酸钙在冷水(25℃)和热水(100℃)中的溶解度(100克水中溶解克数)分别为0.0014和0.0020。在常温下,碳酸钙水溶液的pH值为9.5~10.2。水中如溶解有二氧化碳,则碳酸钙的溶解度会增大。在常温下,被空气饱和的水中,碳酸钙水溶液的pH值为8.0~8.6。
(7)热膨胀系数:方解石的热膨胀系数取决于测量时的方向。在常温下,平行于c轴的热膨胀系数约为2.5×10-6。C-1,垂直于c轴方向的热膨胀系数约为5×10-6。C-1,而垂直于菱面体晶格面的热膨胀系数约为11×10-6。C-1。在常温下。
- 9 -
本科毕业论文
霰石在晶轴a、b、c方向的热膨胀系数aa、ab和ac约为分别约为10×10-6℃-1、16×10-6℃-1、和32×10-6℃-1。
(8)比热容:方解石和霰石在普通温度和较高温度下的热溶差别不大,在1200℃以内的平均定压比热容Cp=0.825+0.000762T kJ/(kg·K)。
(9)热导率:方解石的热导率与测量时的温度和方向有关,方解石的热导率无论是平行于c轴还是垂直于c轴都随温度的升高而减小,而且平行于c轴方向的导热系数比垂直于c轴方向的热导率大。
(10)反射率:方解石的反射率取决于所用光的波长。从235nm开始,随着波长的缩短,反射率逐渐增加,到170nm以下,则迅速增加。约从波长187nm开始,有11%~14%的入射光波被反射回。
(11)折射率:当光在方解石中传播时,被分成两种波,即寻常光线和非常光线。其中寻常光线的传播速度与折射方向无关,而非常光线的传播速度则随折射方向而异。因而有寻常光线折射率n0和非常光线折射率ne之分。两种折射率的差(n0-ne)机为衡量双折射的尺度。
(12)介电常数:方解石的介电常数取决于频率以及与光轴所呈的方向。在常温下,平行于c轴方向的介电常数为7.5~8.8,垂直于c轴方向的介电常数为8.5~8.8。霰石的介电常数与方向的关系更为突出。在常温下,霰石在晶轴a、b和c方向的介电常数εa、εb和εc分别约为9.5、7.3和6.5。
(13)电导率:方解石的电导率与测量时的温度和方向有关,方解石的电导率无论是平行于c轴还是垂直于c轴都随温度的升高而增大,而且平行于c轴方向的电导率比垂直于c轴方向的电导率大。
(14)颜色:天然方解石的最纯形式冰洲方解石是无色透明的,而其他形
- 10 -
本科毕业论文
式的方解石(如白垩)通常呈白色。霰石则通常呈白色或黄白色。 2. 化学性质
(1)在常压下加热到898℃(方解石)或825℃(霰石)时,碳酸钙将分解成氧化钙(CaO)和二氧化碳(CO2):
CaCO3==CaO+CO2
(2)碳酸钙几乎与所有的强酸发生反应,生成相应的钙盐,同时放出二氧化碳。如:
CaCO3+2HCl==CO2+CaCl2+H2O
(3)碳酸钙在含二氧化碳的水中的溶解度比在无二氧化碳的水中高得多,这是因为这是碳酸钙生成了比较易溶的碳酸氢钙(Ca(HCO3)2):
CaCO3+ H2O+ CO2==Ca(HCO3)2
(4)碳酸钙可以形成6个水的水合物CaCO3 ·6H2O,可以通过往单蔗糖钙溶液中通入CO2而制得。普通碳酸钙则不形成水合物。
(5)除酸以外,许多腐蚀性物质都不能腐蚀或只能缓慢的腐蚀碳酸钙。
1.2.4沉淀碳酸钙的生产原理
本节以碳化法生产沉淀碳酸钙为主要介绍沉淀碳酸钙的生产原理。碳化法生产沉淀碳酸钙的原理主要有以下几步反应:
(1)石灰石的煅烧
沉淀碳酸钙的生产,首先是石灰石经高温煅烧分解生成氧化钙(生石灰)和二氧化碳。石灰石在石灰窑中的分解主要决定于温度,一般空气中含有少量二氧化碳,其含量为空气体积的0.03%,在大气压力下,二氧化碳的分压为
- 11 -
本科毕业论文
29.43Pa,而当碳酸钙加热到530℃,其表面分解所产生的二氧化碳也正好为29.43Pa,可以认为高于530℃碳酸钙就开始分解,由于其表面二氧化碳的分解压大于空气中二氧化碳的分解压,所以石灰石表面的二氧化碳就向空气中扩散。此过程虽在进行,但其速率却很小。当温度达到850℃时,其表面分解放出的二氧化碳分压为4.91×104Pa,可明显地看出分解的进行。当温度上升到接近910℃(1183K)时,碳酸钙表面二氧化碳分压达到9.81×104Pa,分解则急剧进行,二氧化碳会腾涌而出,其反应方程式如下:
CaCO3==CaO+CO2↑ △H>0
由于石灰石中含有一定量的碳酸镁,在高温下它也有类似的反应。与碳酸钙相比,碳酸镁的分解温度较低,约为540℃,其反应式为:
MgCO3==MgO+CO2↑ △H>0
以上两个反应都是吸热反应,焓变大于零,需要由燃料的燃烧来提供必要的能量。
为了使反应连续进行,根据化学平衡的原理,一方面应加热,另一方面应将分解出的二氧化碳气体迅速移走。
另外,石灰石中还含有少量其他化合物,如氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)、二氧化硅(SiO2)等,在高温下可以与氧化钙进行反应。
X CaO+Al2O3→X CaO·Al2O3
Y CaO+Fe2O3→Y CaO·Fe2O3
Z CaO+SiO2→Z CaO·SiO2
上式的反应产物按不同的成分组合,可以形成一系列的低熔点物质,在高温下引起窑体结瘤,影响正常的生产。尤其是主要成分为二氧化硅的泥沙很容
- 12 -
本科毕业论文
易生成玻璃状的熔体覆盖在石灰块的表面,降低石灰的消化性能。而氧化铝含量高时,在石灰消化过程中会形成一种粘性大的膏体,以致堵塞化灰机的筛网。这些氧化物的存在要消耗CaO,影响生石灰的得率。为了保证生产顺利进行,必须对入窑石灰石进行冲洗和杂质剔除。
在燃烧过程中,碳燃烧成二氧化碳: C+O2→CO2 燃料中的硫则燃烧后生成了二氧化硫酸性气体: S+O2→SO2
这些燃烧产物都会进入窑气中,前者可以增加窑气的二氧化碳的含量,而后者将对窑气净化设备造成严重的腐蚀。
(2)生石灰的消化
将石灰窑所得的生石灰,即氧化钙(CaO),加水消化,产生消石灰,即氢氧化钙(Ca(HO)2),其反应如下:
CaO+H2O→Ca(OH)2 △H<0 生石灰中所含的氧化镁也有类似的反应
MgO+H2O→Mg(OH)2 △H<0
以上两个反应为放热反应,生成两种碱,其中氢氧化钙为强碱,而氢氧化镁为中强的碱。氢氧化钙在水中的溶解度较氢氧化镁大,如在20℃水中的溶解度,Mg(OH)2为5×10-4mol/L,Ca(OH)2为6.9×10-3mol/L。由于钙、镁离子性质相近,且都难溶于水,因此石灰乳中不易将氢氧化镁除去。为了获得颗粒度细、分散度高的石灰乳,消化反应最好在较高温度下进行。
(3)窑气的净化降温
- 13 -