纳米硫酸钡的制备及表征

朱艳艳，刘 洁

（1.临沂市恒泰安全生产科技咨询院，山东 临沂 276034；2.临沂大学化学化工学院，山东 临沂 276034）

纳米硫酸钡的制备及表征

朱艳艳1，刘 洁2

（1.临沂市恒泰安全生产科技咨询院，山东 临沂 276034；2.临沂大学化学化工学院，山东 临沂 276034）

摘 要：以硫酸钠和碳酸钡为原料，碳酸钡经过浆化处理后，与硫酸钠直接反应制备纳米硫酸钡。实验考察了浆化溶剂用量对纳米硫酸钡粒度的影响，随着浆化溶剂用量的增加，纳米硫酸钡的产率提高，颗粒分布更均匀，粒径更小。经SEM和XRD测试分析，计算得出粒子的平均粒径为20nm左右。结果表明，该法可以制备出粒径小、分布窄的纳米硫酸钡粒子。

关键词：纳米硫酸钡；溶剂；浆化反应；粒度；表征

硫酸钡是一种重要的无机化工原料，广泛用于填料、陶瓷等行业［1］。纳米硫酸钡作为钡化合物系列产品的主要品种之一，广泛用于颜料、涂料、油墨、油漆、橡胶、塑料、蓄电池的原料及填充剂［2］，还用作阴极板的膨胀剂和消化系统的造影剂，同时也是制造其它钡盐的原料。目前，我国硫酸钡的生产多采用传统方法，该法制备出来的BaSO4晶粒生长不易控制，产品粒径大，不均匀，只能作为普通的廉价填料使用［3］。纳米硫酸钡是一种新型的无机材料，它既具有普通硫酸钡的作用，又具有新的特殊功能，因而具有广泛的应用前景。本文以硫酸钠和碳酸钡为原料，利用浆化反应法成功制备出粒径小、分布窄的纳米硫酸钡。

1 实验

1.1 实验原料及仪器

硫酸钠（工业品，纯度≥99%），碳酸钡（工业品，纯度≥99%），硫酸（分析纯，含量95%～98%），自来水。

电子节能控温仪，JJ-1增力电动搅拌器，搅拌电机，HH-S2 数显恒温水浴锅，电子天平。

三口烧瓶，烧杯，量筒，抽滤瓶，真空水泵。

1.2 实验方法

称取100g碳酸钡置于三口烧瓶中，分别加入120mL水，水浴60℃加热，浆化搅拌2h，然后加入72g无水硫酸钠继续搅拌2h。反应结束后，用水洗涤至中性。将样品分为A和B两部分，A经过滤后直接烘干，B再次转入三口烧瓶中，并加入pH=1的硫酸溶液进行洗涤，在80℃的水浴中搅拌反应0.5h，反应结束后，洗涤至中性，抽滤烘干。

以同样的方法，分别加入240mL和300mL的自来水进行实验。

1.3 分析测试

采用日立-H800型透射电子显微镜、日本理光D/ax-rBX 型X射线衍射仪、美国Bruker激光粒度分析仪等对产品进行分析测试。

通讯联系人：刘洁（1980-），女，助理实验师，研究方向:物理化学。电话:15553928860，E-mail:liujielydx@163.com

2 结果与讨论

2.1 溶剂用量对产率的影响

在固定反应物用量、温度及转速下，考察自来水用量对BaSO4产率的影响，实验结果如图1所示。

图1 溶剂用量对产率的影响

从图1可以看出，随着自来水用量的增加，BaSO4的产率逐渐增大，且在120～240mL之间时，BaSO4的产率有较大提高；240mL时BaSO4的产率已达98%，300mL时达到99%以上。此时，再继续增加自来水用量，BaSO4的产率提高很有限。

众所周知，几乎所有反应在一定条件下都能逆向反应，因为反应不是绝对的，离子只要浓度小到一定程度也是可以共存的，逆反应也是可以进行的，因此该反应是可逆反应。自来水用量的增加，使得溶剂中硫酸钠含量相比于碳酸钡含量有较大增加，根据可逆反应原理，更有利于正向反应（BaCO3+ SO42-→BaSO4+ CO32-），所以硫酸钡产率上升。反应结束后，残留的碳酸钡经硫酸洗涤后，转变为硫酸钡，产率进一步提高。

2.2 溶剂用量对硫酸钡粒度的影响

2.2.1 自来水用量对硫酸钡粒度的影响

在固定反应物用量、温度及转速下，考察自来水用量对BaSO4粒度的影响，实验结果如图2所示。

图2 溶剂用量对硫酸钡粒度的影响

从图2可以看出，随着自来水用量的升高，BaSO4的粒度范围分布变窄，平均粒径减小。原因可能是，随着自来水用量的增加，其溶剂中的硫酸钠含量也随之增加，更有利于正向反应的进行，能够形成更好的晶体结构，颗粒分布更均匀，粒径更小。

2.2.2 酸处理对硫酸钡粒度的影响

制备的BaSO4样品经过硫酸处理后，其与无酸处理后的样品粒度分布对比如图3所示。

图3 酸处理对硫酸钡粒度的影响

从图3可以看出，硫酸钡样品经过硫酸处理后，粒度分布明显变小，平均粒径减小。制备的样品经过硫酸处理后，虽然产品的转化率有所提升，但是同时也破坏了硫酸钡的晶体结构，导致颗粒粒径变小。

3 产品测试与表征

3.1 样品的TEM分析

图4为硫酸钡颗粒的TEM图。从图4可以看出，本方法制备的硫酸钡颗粒分散性好，粒径小，粒度分布均匀，且粒子形状较为规则。同时，通过计算得出粒子的平均粒径为20nm左右。

图4 硫酸钡颗粒的TEM图

3.2 样品的X RD分析

图5为硫酸钡颗粒的XRD图谱。从图中可以看出，硫酸钡颗粒的衍射峰比较尖锐，表明制备的硫酸钡结晶性能良好，颗粒纯度较高。其d值与JCPDS标准图谱24-1035中的d值一致，属于六方晶系结构。经宽化处理后，通过谢乐公式［4］可计算出，粒子的粒径为19.9nm，与TEM的测试结果基本一致。

图5 硫酸钡颗粒的XRD图

根据复分解反应原理（此处指溶解度大的控制溶解度小的），标准状况下BaSO4的溶解度为0.00022g，而BaCO3此时的溶解度为0.00086g，所以BaCO3+SO42-=BaSO4+ CO32-是可以进行的。而同时，该反应的逆反应也是可以进行的。因此该反应在一定情况下是可逆反应，反应结束后就会残存一定量的硫酸钠和碳酸钡，经过硫酸洗涤后，残存的碳酸钡转变为硫酸钡，产率提高。

5 结论

1）碳酸钡经过浆化处理后，与硫酸钠直接反应能够制备出粒径小、分布均匀的硫酸钡颗粒。

2）随着浆化反应中自来水用量的增加，硫酸钡的产率逐渐提高，经过硫酸洗涤后，产率进一步提高；但是其结晶结构遭到破坏，粒径变小。

3）本方法制备工艺简单，反应易于控制，易于实验工业生产。

参考文献：

［1]天津化工研究院.无机盐工业手册［M］.北京:化学工业出版社，1988.

［2]李连成.我国纳米碳酸钙市场［J］.无机盐工业，2000，32（6）:23-25.

［3]刘有智，等.纳米硫酸钡的多种制备方法及表征研究［J］.应用基础及科学学报，2001，9（2）:8-11.

［4]张立德.纳米材料科学和纳米结构［M］.北京:科学出版社，2001.

中图分类号：O 614.23+3

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）02-0012-03

作者简介：朱艳艳（1982-），女，助理工程师，注册安全工程师，研究方向:化工安全。电话:13854983205，E-mail:zhuyanyan2002@163.com

收稿日期：2015-12-05

Preparation and Characterization of Nano Barium Sulfate

ZHU Yan-yan， LIU Jie
（Hengtai Institute of Safety Production and Sci-tech Consultation， Linyi 276034， China；2. College of Chemistry and Chemical Industry， Linyi University， Linyi 276034， China）

Abstract:The nano barium sulfate was prepared applied sodium sulfate and barium carbonate as raw material. After slurry treatment，barium carbonate reacted with barium carbonate directly. The infuence of the amount of solvent on the particle size of nano barium sulfate was investigated. The yield of the barium sulfate increased with the increase of the amount of the slurry， while the particle size distribution was more uniform and the particle size was smaller. Through the analysis of SEM and XRD， the average particle size of the particles was about 20nm. The results showed that nano barium sulfate with small size and narrow distribution could be prepared by this method.

Key words:nano barium sulf； solvent； slurry reaction； particle size； characterize