RESEARCH ARTICLE

Effects of metal ions on the morphology of calcium sulfate hemihydrate whiskers by hydrothermal method

  • Tianjie Liu ,
  • Hao Fan ,
  • Yanxia Xu ,
  • Xingfu Song ,
  • Jianguo Yu
Expand
  • National Engineering Research Center for Integrated Utilization of Salt Lake Resources, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Received date: 23 Mar 2017

Accepted date: 25 May 2017

Published date: 06 Nov 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany

Abstract

The effects of Na+, Mg2+, Al3+ and Fe3+ ion concentrations on the crystal morphology of calcium sulfate hemihydrate whiskers formed via a hydrothermal method have been studied. In the presence of Al3+ concentrations higher than 1×103 mol/L the whiskers were significantly shorter and thicker and the presence of Mg2+ and Fe3+ resulted in shorter whiskers. The presence of Na+ did not affect the morphology of the whiskers. Through elemental analysis, it was determined that Mg2+ and Al3+ were selectively adsorbed on the surfaces of the crystals, whereas Fe3+ underwent a hydrolysis reaction to form a brown precipitate which decreased the ion concentration in the solution. These results indicate that in raw materials used for the industrial preparation of calcium sulfate whiskers, Al3+ and Fe3+ should be removed and the Mg2+ concentration should be less than 8 × 103 mol/L in order to obtain pure whiskers with high aspect ratios.

Cite this article

Tianjie Liu , Hao Fan , Yanxia Xu , Xingfu Song , Jianguo Yu . Effects of metal ions on the morphology of calcium sulfate hemihydrate whiskers by hydrothermal method[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2017 , 11(4) : 545 -553 . DOI: 10.1007/s11705-017-1665-8

Acknowledgements

The authors thank the National High Technology Research and Development Program of China (No. 2011AA06A107) and Qinghai Science and Technology project (2015-GX-Q19A) for financial support.
1
Wang H, Mu  B, Ren J ,  Jian L, Zhang  J, Yang S . Mechanical and tribological behaviors of PA66/PVDF blends filled with calcium sulphate whiskers. Polymer Composites, 2009, 30(9): 1326–1332

2
Wang J, Yang  K, Lu S . Preparation and characteristic of novel silicone rubber composites based on organophilic calcium sulfate whisker. High Performance Polymers, 2011, 23(2): 141–150

3
Zhang Y, Wang  G, Miao M ,  Shi L. Dual-surface modification of calcium sulfate whisker with sodium hexametaphosphate/silica and use as new water-resistant reinforcing fillers in papermaking. Powder Technology, 2015, 271: 1–6

4
Yuan W, Cui  J, Cai Y ,  Xu S. A novel surface modification for calcium sulfate whisker used for reinforcement of poly (vinyl chloride). Journal of Polymer Research, 2015, 22(9): 173

5
Luo K B, Li  H P, Tan  Y X. Study on the preparation of calcium sulfate whisker by hydrothermal method. Advanced Materials Research, 2013, 602: 1369–1372

6
He H, Dong  F, He P ,  Xu L. Effect of glycerol on the preparation of phosphogypsum-based CaSO4·0.5H2O whiskers. Journal of Materials Science, 2014, 49(5): 1957–1963

7
Zhao W, Wu  Y, Xu J ,  Gao C. Effect of ethylene glycol on hydrothermal formation of calcium sulfate hemihydrate whiskers with high aspect ratios. RSC Advances, 2015, 5(62): 50544–50548

8
Mao X, Song  X, Lu G ,  Sun Y, Xu  Y, Yu J . Control of crystal morphology and size of calcium sulfate whiskers in aqueous HCl solutions by additives: Experimental and molecular dynamics simulation studies. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(17): 4781–4787

9
Xu A Y, Li  H P, Luo  K B, Xiang  L. Formation of calcium sulfate whiskers from CaCO3-bearing desulfurization gypsum. Research on Chemical Intermediates, 2011, 37(2): 449–455

10
Wang X, Jin  B, Yang L ,  Zhu X. Effect of CuCl2 on hydrothermal crystallization of calcium sulfate whiskers prepared from FGD gypsum. Crystal Research and Technology, 2015, 50(8): 633–640

11
Wang Y, Li  Y, Yuan A ,  Yuan B, Lei  X, Ma Q ,  Han J, Wang  J. Preparation of calcium sulfate whiskers by carbide slag through hydrothermal method. Crystal Research and Technology, 2014, 49(10): 800–807

12
Yang L, Wu  Z, Guan B ,  Fu H, Ye  Q. Growth rate of a-calcium sulfate hemihydrate in K-Ca-Mg-Cl-H2O systems at elevated temperature. Journal of Crystal Growth, 2009, 311(20): 4518–4524

13
Guan B, Yang  L, Wu Z . Effect of Mg2+ ions on the nucleation kinetics of calcium sulfate in concentrated calcium chloride solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(12): 5569–5574

14
Li Z, Demopoulos  G P. Effect of NaCl, MgCl2, FeCl2, FeCl3, and AlCl3 on solubility of CaSO4 phases in aqueous HCl or HCl+CaCl2 solutions at 298 to 353 K. Journal of Chemical & Engineering Data, 2006, 51(2): 569–576

15
Song X, Sun  S, Zhang D ,  Wang J, Yu  J. Synthesis and characterization of magnesium hydroxide by batch reaction crystallization. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2011, 5(4): 416–421

16
Li F, Liu  J, Yang G ,  Pan Z, Ni  X, Xu H ,  Huang Q . Effect of pH and succinic acid on the morphology of α-calcium sulfate hemihydrate synthesized by a salt solution method. Journal of Crystal Growth, 2013, 374: 31–36

17
Song X, Tong  K, Sun S ,  Sun Z, Yu  J. Preparation and crystallization kinetics of micron-sized Mg(OH)2 in a mixed suspension mixed product removal crystallizer. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(2): 130–138

18
Wang X, Yang  L, Zhu X ,  Yang J. Preparation of calcium sulfate whiskers from FGD gypsum via hydrothermal crystallization in the H2SO4-NaCl-H2O system. Particuology, 2014, 17(6): 42–48

19
Hou S, Wang  J, Wang X ,  Chen H, Xiang  L. Effect of Mg2+ on Hydrothermal Formation of α-CaSO4·0.5H2O Whiskers with High Aspect Ratios. Langmuir, 2014, 30(32): 9804–9810

20
Xin Y, Hou  S C, Xiang  L, Yu Y . Adsorption and substitution effects of Mg on the growth of calcium sulfate hemihydrate: An ab initio DFT study. Applied Surface Science, 2015, 357: 1552–1557

21
Feldmann T, Demopoulos  G P. Influence of impurities on crystallization kinetics of calcium sulfate dihydrate and hemihydrate in strong HCl-CaCl2 solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(19): 6540–6549

22
Mao X, Song  X, Lu G ,  Sun Y, Xu  Y, Yu J . Effects of metal ions on crystal morphology and size of calcium sulfate whiskers in aqueous HCl solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(45): 17625–17635

23
Miao M, Feng  X, Wang G ,  Cao S, Shi  W, Shi L . Direct transformation of FGD gypsum to calcium sulfate hemihydrate whiskers: Preparation, simulations, and process analysis. Particuology, 2015, 19(2): 53–59

24
Zhao W, Gao  C, Zhang G ,  Xu J, Wang  C, Wu Y . Controlling the morphology of calcium sulfate hemihydrate using aluminum chloride as a habit modifier. New Journal of Chemistry, 2016, 40(4): 3104–3108

25
Rashad M M, Mahmoud  M H H, Ibrahim  I A, Abdel-Aal  E A. Crystallization of calcium sulfate dihydrate under simulated conditions of phosphoric acid production in the presence of aluminum and magnesium ions. Journal of Crystal Growth, 2004, 267(1): 372–379

26
Kruger A, Focke  W W, Kwela  Z, Fowles R . Effect of ionic impurities on the crystallization of gypsum in wet-process phosphoric acid. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(5): 1364–1369

27
Lü P, Fei  D, Dang Y . Effects of calcium monohydrogenphosphate on the morphology of calcium sulfate whisker by hydrothermal synthesis. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2014, 92(10): 1709–1713

28
Guan B, Yang  L, Wu Z ,  Shen Z, Ma  X, Ye Q . Preparation of α-calcium sulfate hemihydrate from FGD gypsum in K, Mg-containing concentrated CaCl2 solution under mild conditions. Fuel, 2009, 88(7): 1286–1293

29
Singh N B, Middendorf  B. Calcium sulphate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2007, 53(1): 57–77

30
Dumazer G, Narayan  V, Smith A ,  Lemarchand A A . Modeling gypsum crystallization on a submicrometric scale. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(4): 1189–1195

31
Seyama H, Soma  M. X-ray photoelectron spectroscopic study of montmorillonite containing exchangeable divalent cations. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1. Physical Chemistry in Condensed Phases, 1984, 80(1): 237–248

32
Arata K, Hino  M. Solid catalyst treated with anion: XVIII. Benzoylation of toluene with benzoyl chloride and benzoic anhydride catalysed by solid superacid of sulfate-supported alumina. Applied Catalysis, 1990, 59(1): 197–204

33
Bourcier W L, Knauss  K G, Jackson  K J. Aluminum hydrolysis constants to 250 °C from boehmite solubility measurements. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1993, 57(4): 747–762

34
Bottero J Y, Cases  J M, Fiessinger  F, Poirier J E . Studies of hydrolyzed aluminum chloride solutions. 1. Nature of aluminum species and composition of aqueous solutions. Journal of Physical Chemistry, 1980, 84(22): 2933–2939

35
Subrt J, Bohácek  J, Stengl V ,  Grygar T ,  Bezdicka P . Uniform particles with a large surface area formed by hydrolysis of Fe2(SO4)3 with urea. Materials Research Bulletin, 1999, 34(6): 905–914

36
Musić S, Orehovec  Z, Popović S ,  Czakó-Nagy I . Structural properties of precipitates formed by hydrolysis of Fe3+ ions in Fe2(SO4)3 solutions. Journal of Materials Science, 1994, 29(8): 1991–1998

Outlines

/