低氯根球状碳酸铈颗粒制备工艺研究

2019-04-10周武风戴裕龙钟杨根游奇峰蔡建安刘建峰

生物化工 2019年1期

周武风，戴裕龙，钟杨根，游奇峰，蔡建安，刘建峰

（江西金世纪新材料股份有限公司，江西省稀土材料工程技术研究中心，江西南昌 330013）

稀土元素广泛应用于航天航空、国防军工领域。铈是稀土矿中含量最多的元素，其应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈，而稀土粒子的形貌、尺寸、结构、分散性、表面性能等物化性能决定材料性能。随着科技的发展，人们对特殊性能新材料的追求日益迫切，具有特殊形貌和大小的无机材料的可控合成是发展新材料的一个重要方法[1]。有研究发现，在结晶体系中加入一定的形貌控制剂，如添加有机小分子、聚合物（生物高分子材料、双亲嵌段共聚物、树枝状聚合物及简单的聚合物电解质）[2]，可以制备出不同形貌的超细粉体。往往添加聚合物会引入杂质离子，影响着合成材料的性能，本文通过化学转型、物理干燥法制备低氯根球状碳酸铈晶体颗粒。

1 实验

1.1 试剂与仪器

试剂：普通Ce2(CO3)3，公司自产；NH4HCO3，工业级；硝酸，工业级；二次蒸馏水，自制。

仪器：JSM-6510JSM-6510型扫描电子显微镜、UV-1800紫外可见分光光度计、JJ-1A电动搅拌器、PHSJ-4A型实验室pH计、SHB-3型循环水式真空泵、QFN-8000N型喷雾干燥机、DHG9000系列鼓风干燥箱。

1.2 样品制备

称取一定量普通Ce2(CO3)3固体加入2 L烧杯中，另加入一定体积硝酸，调pH至2，加入蒸馏水，制备一定浓度硝酸铈溶液。将碳酸氢氨固体配成一定浓度溶液，缓慢加入硝酸铈溶液中，反应过程中控制溶液温度至55 ℃，调pH至7，真空泵过滤，用90 ℃热水淋洗10 min，抽干。将得到的沉淀物分别在鼓风干燥箱和喷雾干燥机中干燥，得到两种碳酸铈样品。

1.3 分析方法

采用扫描电子显微镜观察碳酸铈表面形貌，在SEM样品台上贴上一层导电胶，将碳酸铈粉体撒于导电胶上，用吸耳球轻轻吹去多余的粉末，然后低真空通过扫描电镜观察；采用紫外可见分光光度计分析样品氯根含量。

2 结果与分析

2.1 样品氯根分析

如表1，通过测试分析新制备的3批次碳酸铈，其氯根含量与普通碳酸铈相比均大幅度降低，证明经硝酸转型、碳酸氢铵沉淀可制备低氯根碳酸铈[3]。

表1 样品氯根分析结果（单位：%）

2.2 SEM分析

鼓风干燥碳酸铈样品的SEM照片如图1所示，喷雾干燥碳酸铈样品的SEM照片如图2所示。由图1可见，在鼓风干燥条件下，反应生成的碳酸铈样品为不定形片状结构。由图2可见，经喷雾干燥后，得到的碳酸铈样品呈球状。这说明烘干方式对碳酸铈的形貌起到了影响。

图1 鼓风干燥碳酸铈样品的SEM照片

2.2.1 硝酸铈浓度的影响

图3为在碳酸氢铵母液质量分数1%时，经喷雾干燥，不同硝酸铈浓度制备的Ce2（CO3）3晶体的SEM照片。由图3a可见，c[Ce(NO3)3]=0.03 mol/L时，生成的碳酸铈为不规则形状。由图3b可见，当c[Ce(NO3)3]=0.06 mol/L时，碳酸铈样品中为不规则形状。由图3c可见，当c[Ce(NO3)3]=0.09 mol/L时，颗粒形貌开始转变。由图3d可见，当c[Ce(NO3)3]=0.12 mol/L时，碳酸铈样品全为球状形貌。

图2 喷雾干燥碳酸铈样品的SEM照片

图3 不同硝酸铈浓度制备的Ce2(CO3)3晶体的SEM照片

2.2.2 机理探讨

反应条件、干燥方式等因素对样品颗粒形貌起着重大影响。因鼓风干燥过程样品不是流动的，产生团聚、不分散现象，颗粒基本为片状。而利用喷雾干燥制备的粉体具有成功率高、颗粒流动性好、球状等优点[4]；其机理是：当样品被输送到旋转盘后，因离心力作用，使样品在旋转盘表面形成薄层并快速向边缘运动，离开边缘时样品已雾化。雾化的样品与热空气接触，水分蒸发，最终得到干燥的粉体。在干燥过程中，样品的固相含量、黏度等均会对样品的形貌以及粒度分布造成影响，故通过调控样品制备反应条件，就可以获得一定形貌的颗粒。