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碳酸鈣

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碳酸鈣是一種無機化合物,化學式為CaCO₃,是石灰石、大理石等的主要成分。碳酸鈣基本上不溶於水,溶於鹽酸與鹽酸反應 [8]  )。它是地球上常見物質之一,存在於霰石、方解石、白堊、石灰岩、大理石、石灰華等岩石內,亦為某些動物骨骼或外殼的主要成分。碳酸鈣也是重要的建築材料,工業上用途甚廣。 [1] 
中文名
碳酸鈣
外文名
Calcium carbonate
化學式
CaCO₃
分子量
100.0869
CAS登錄號
471-34-1
EINECS登錄號
207-439-9
熔    點
1339 ℃
水溶性
不溶於水
密    度
2.93 g/cm³
外    觀
白色固體
應    用
用於造紙、冶金、玻璃、制鹼、橡膠、醫藥、顏料、有機化工等部門
安全性描述
S26;S36/37/39;S37/39
危險性符號
R36/37/38;R41
危險性描述
Xi
吸潮能力
有輕微的吸潮能力
遮蓋力
有較好的遮蓋力
折射率
1.49
比熱容
0.836~0.8951 J/(g·℃)(0~100℃)
線性熱膨脹係數
11.7×10-6/℃(15~100℃)
電解質類型
強電解質

碳酸鈣性質

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碳酸鈣物理性質

大理石 大理石
碳酸鈣是白色微細結晶粉末,無味、無臭。有無定形結晶兩種形態。結晶型中又可分為斜方晶系六方晶系(無水碳酸鈣為無色斜方晶體,六水碳酸鈣為無色單斜晶體 [10]  ),呈柱狀或菱形,密度為2.93g/cm3。熔點1339℃ (825-896.6℃ 時已分解 ),10.7MPa下熔點為1289℃。難溶於醇,溶於氯化銨溶液,幾乎不溶於水。 [2] 
霰石 霰石

碳酸鈣化學性質

1.碳酸鈣在825-896.6℃時分解為氧化鈣和二氧化碳。(工業製取CO₂):
2.碳酸鈣會和與稀酸(如稀醋酸、稀鹽酸稀硝酸等)發生泡沸,並溶解。反應同時放出二氧化碳,呈放熱反應。例如:和稀鹽酸反應生成氯化鈣和二氧化碳(實驗室製取CO₂):
3.混有CaCO3的水通入過量二氧化碳,會生成碳酸氫鈣溶液。碳酸鈣和碳酸溶液(雨水)反應,生成碳酸氫鈣。往變渾濁的石灰水中通入CO2,沉澱消失。這些現象的原理是:
[2] 
方解石 方解石
4.無水碳酸鈣加熱至1000K轉變為方解石。 [10] 

碳酸鈣分類

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根據碳酸鈣生產方法的不同,可以將碳酸鈣分為重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣、膠體碳酸鈣和晶體碳酸鈣。根據碳酸鈣粉體平均粒徑(d)的大小,可以將碳酸鈣分為微粒碳酸鈣(d>5μm)、微粉碳酸鈣(1μm)、超細碳酸鈣(0.02μm)。根據組成碳酸鈣的原子和離子的排列是否有規律,可以將碳酸鈣分為晶體碳酸鈣和非晶體碳酸鈣。此外,還有納米碳酸鈣等。

碳酸鈣重質碳酸鈣

重質碳酸鈣(俗稱重鈣)是用機械方法(用雷蒙磨或其它高壓磨)直接粉碎天然的方解石、石灰石、白堊貝殼等製得的。 [3] 

碳酸鈣輕質碳酸鈣

輕質碳酸鈣(俗稱輕鈣),又稱沉澱碳酸鈣,是將石灰石等原料煅燒生成石灰(主要成分為氧化鈣)和二氧化碳,再加水消化石灰生成石灰乳(主要成分為氫氧化鈣),然後再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉澱,最後經脱水、乾燥和粉碎而製得。或者先用碳酸鈉和氯化鈣進行複分解反應生成碳酸鈣沉澱,然後經脱水、乾燥和粉碎而製得。 [3] 

碳酸鈣膠體碳酸鈣

膠體碳酸鈣,又稱活化碳酸鈣、改性碳酸鈣、表面處理碳酸鈣、膠質碳酸鈣或白豔華,簡稱活鈣,是用表面改性劑對輕質碳酸鈣或重鈣碳酸鈣進行表面改性而製得。由於經表面改性劑改性後的碳酸鈣一般都具有補強作用,即所謂的“活性”,所以習慣上把改性碳酸鈣都稱為活性碳酸鈣。
性質:白色細膩、輕質粉末,粒子表面吸附一層脂肪酸皂,使CaCO3具有膠體活化性能。比重1.99~2.01。 [3] 

碳酸鈣晶體碳酸鈣

性質:純白色,六方結晶型粉末。比容1.2~1.4毫升/克。溶於酸,幾乎不溶於水。 [3] 

碳酸鈣納米碳酸鈣

納米碳酸鈣(超細碳酸鈣)用於塑料中與樹脂親合性好,可有效增加或調節材料剛性、韌性以及彎曲強度等,並可改善塑料加工體系的流變性能,降低塑化温度,提高製品尺寸穩定,耐熱性及表面光潔性;在NR,BR,SBR等橡膠體系中,容易混練,分散均勻,並可使膠質柔軟,還能提高壓出加工性能和模型流動性.使橡膠製品具有表面光滑,伸長率大,抗張強度高,永久變形小,耐彎曲性能好,耐撕裂強度高等特點。 [6] 

碳酸鈣安全措施

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碳酸鈣環境危害

該物質對環境基本沒有危害,但未經政府許可,勿將其倒入水中。 [8] 

碳酸鈣健康危害

從事開採加工的工人常出現上呼吸道炎症支氣管炎,可伴有肺氣腫。X線胸片上出現淋巴結鈣化,肺紋理增強。 作業工人患塵肺主要與本品中所含有二氧化硅雜質有關。

碳酸鈣貯存方法

1.食品級塑料袋外套編織袋包裝。
2.貯存於陰涼、乾燥通風處。可在(25 ℃,100 kPa)下密封保存。本品不受管制。 [2] 
3.不與毒害化學物品,液體酸類共貯。注意防潮。 [8] 

碳酸鈣安全信息

危險運輸編碼:暫無
安全標識:S26 S37/S39 S36/S37/S39
危險標識:R36 R41 R36/38 R37/38 [8] 

碳酸鈣毒理資料

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急性毒性:LD50:6450mg/kg(大白鼠經口),對眼睛有強烈刺激作用,對皮膚有中度刺激作用。 [8] 

碳酸鈣主要用途

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碳酸鈣實驗室用途

1.在生物”提取綠葉中的色素“實驗裏,研磨時加入少許碳酸鈣可以防止研磨中色素被破壞。 [9] 
2.碳酸鈣在製備CaO、Ca(OH)2、NaOH時有應用:
將碳酸鈣高温煅燒,生成氧化鈣和二氧化碳,反應方程式:
(此反應得到的氧化鈣可作乾燥劑),將製備的氧化鈣和水反應生成氫氧化鈣:
,氫氧化鈣可以和碳酸鈉反應制備燒鹼:
3.碳酸鈣與鹽酸(一般為稀鹽酸)反應可以製備二氧化碳:CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O(產物氯化鈣溶液可標化皂液) [2] 

碳酸鈣工業用途

碳酸鈣是用途極廣的寶貴資源石灰石作為礦物原料的商品名稱。石灰岩在人類文明史上,以其在自然界中分佈廣、易於獲取的特點而被廣泛應用。作為重要的建築材料有着悠久的開採歷史,在現代工業中,石灰石是製造水泥石灰電石的主要原料,是冶金工業中不可缺少的熔劑灰巖,優質石灰石經超細粉磨後,被廣泛應用於造紙、橡膠、油漆、塗料、醫藥、化妝品、飼料、密封、粘結、拋光等產品的製造中。據不完全統計,水泥生產消耗的石灰石和建築石料、石灰生產、冶金熔劑,超細碳酸鈣消耗石灰石的總和之比為1∶3。石灰岩是不可再生資源,隨着科學技術的不斷進步和納米技術的發展,石灰石的應用領域還將進一步拓寬。 [5] 
1.塑料生產中的應用
碳酸鈣被廣泛用在填充聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯晴丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等樹脂之中。添加碳酸鈣對提高改善塑料製品某些性能以擴大其應用範圍有一定作用,在塑料加工中它們可以減少樹脂收縮率,改善流變態,控制粘度。還能起到以下作用:
(1)提高塑料製品尺寸的穩定性;
(2)提高塑料製品的硬度和剛性;
(3)改善塑料加工性能;
(4)提高塑料製品的耐熱性;
(5)改進塑料的散光性;
(6)可使製品具有某些特殊性能;
(7)降低塑料製品成本。 [7] 
2.食品工業中的應用
在食品工業中可作為添加劑使用。如,可用於各種飼料添加劑,含鈣量達 55.6% 以上,無有害成分 。可作補鈣劑吸收率可達39%,僅次於果酸鈣,可溶於胃酸,已成為劑型最多、應用最多的補鈣劑。 [3] 
3.建築業中的應用
可用做塑料廠,橡膠廠,塗料廠,防水材料廠的原料及內外牆粉刷。具有高純度、高白度、無毒、無臭、細油質低、硬度低的特點。大理石也是重要的、可用於房屋建造的建築材料。
4.化工製造業中的應用
350目至400目的可用於製造扣板,落水管道,化工。白度在 93 度以上。400目至600目的可用於牙膏膏體,肥皂。白度在 94 度以上。800目的可用於橡膠,電纜, pvc ,白度在 94 度以上。 [3] 
也可用於製造光學釹玻璃原料等。

碳酸鈣製法工藝

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碳酸鈣工業製法

1.輕質碳酸鈣製法:
由石灰石生產輕質碳酸鈣包括煅燒、消化、碳化、分理、乾燥、粉碎等工序。原料石灰石中的碳酸鈣含量應在96%以上,含鎂鹽1%左右,含鐵、鋁氧化物在0.5%以下。因此石灰石在使用前要挑選,並破碎至50~150mm。煤要求白煤,首先應破碎至38~50mm的粒度。
石灰窯為立窯,連續操作。將煤與石灰石之比為1∶8~1∶11的比例混合好,從頂上加入窯中,於900~1100℃下煅燒。原料從窯頂連續加入,生成的氧化鈣從窯底不斷取出。分解反應生成的二氧化碳經除塵、洗滌、乾燥、壓縮後送到碳化工序。氧化鈣加到化灰池中,用3~5倍的水進行消化,消化温度為90℃左右,時間1.5~2h。消化後的石灰乳濃度為10~18°Bé。經過濾除去雜質後放於生漿儲池,攪拌下送至碳化塔中,碳化塔為立式氣體鼓泡反應器。將經過精製的二氧化碳氣體壓縮後,從碳化塔底部引入,通過氣體分佈器進入塔內,與石灰乳接觸發生碳化反應。碳化温度為60~70℃,碳化壓力為0.08MPa左右,碳化反應時間與二氧化碳的濃度,流量及料液容積而不同。碳化終點可用pH值的測定決定,當pH值為7左右時,即為終點。
碳化後的碳酸鈣漿料為熟漿,放於熟漿池中,然後用離心機脱水,脱水後的碳酸鈣含水在32%至42%之間,稱為濕粉。將濕粉連續地輸入迴轉乾燥爐進行乾燥,乾燥爐出料的物料含水低於0.3%。再經冷卻、粉碎、過篩,即得成品。
2.活性碳酸鈣製法:生產原理與輕質碳酸鈣的生產原理基本相同。不同之處是碳化條件控制嚴格,以生成細微顆粒的碳酸鈣並加入1%~5%的硬脂酸、樹脂酸、木質素或陽離子表面活性劑等進行表面處理,以調整粒子的凝聚狀態並阻止結晶粒子長大。
以硬脂酸法為例介紹如下。
(1)膠的配製:取4.5kg36°Bé的氫氧化鈉,加入70℃熱水40kg,攪拌為溶液。將15kg硬脂酸和40kg水加熱溶解後,在攪拌下緩緩加入上述配製的鹼液中,生成硬脂酸鈉。然後,再加入6kg太古油。將溶液調至中性,再加水至總重量為162kg。此膠量可供3t成品表面處理。
(2)施膠操作:在生產輕質碳酸鈣的過程中,從石灰石煅燒到碳化的所有設備及操作均適用於活性碳酸鈣的生產。將碳化後所生成的碳酸鈣漿狀物放入熱漿池中,在攪拌下,緩緩加入上述配製好的硬脂酸鈉太古油膠液。每噸產品加膠量54kg,要求成品中含酯量為0.5%。加完膠後繼續攪拌一段時間,使物料充分混合。
(3)後處理:施膠後的碳酸鈣經離心脱水後,置於乾燥器內,先經自然或常温通風風乾,使含水量降至10%~15%,再於80℃下烘乾,使含水量在0.5%以下。然後先過24目篩、再過100目篩,即得成品。
3.碳酸鈣晶須製法:預先在Ca(OH)2漿料加入1~2μm的針狀碳酸鈣晶須和磷酸類化合物,再通入CO2氣體得到碳酸鈣晶須。或將工業生石灰進行消化後,在一定濃度的氯化鎂溶液中,再通入二氧化碳氣體進行氣液反應,經脱水、乾燥得到碳酸鈣晶須。
4.超細輕質碳酸鈣製法:通常採用石灰乳碳酸化法生產超細輕質碳酸鈣。石灰石經過煅燒分解為生石灰和二氧化碳。生石灰消化生成石灰乳。再向石灰乳中通入二氧化碳,進行碳酸化反應產生碳酸鈣,向碳酸鈣漿液中加入表面處理劑,進行粒子表面處理。然後,依次進行過濾、乾燥、粉碎和篩分等工藝過程得到產品。
5.重質碳酸鈣製法:
(1)粉碎法:首先將含有CaCO3在90%以上的白石在旋轉式破碎機中進行粗粉碎,使大塊岩石被破碎至能通過76mm的篩網。然後在錘式粉碎機,旋轉錘式磨、鼠籠式粉碎機或搗碎機、旋輥磨、硬磨機或輪碾機中進行細粉碎,使CaCO3破碎到能通過100目的篩網。最後再經附有粉碎收集器和真空管的雷蒙德真空磨或礫磨機進行粉化。再經空氣分離,即利用反作用旋轉或多葉導向板依靠離心分離作用除去過大尺寸的粒料。所得物料經篩選分級即得成品。
(2)置換法:將一定濃度的氯化鈣溶液加入至一定濃度的碳酸鈉溶液中,進行置換反應,再經沉澱、分離、乾燥、粉碎、過篩而得。
6.超細碳酸鈣製法:
(1)研磨法:濕磨鈣的原料是重質碳酸鈣或白度>93°、含鈣量>98%的方解石,經配料、濕磨、壓濾、燒乾、包裝得。
(2)沉澱法:石灰石經高温煅燒生成氧化鈣和二氧化碳,將石灰水消化得氫氧化鈣,石灰乳經分級後與淨化的二氧化碳反應,碳化結晶時加入結晶控制劑,以控制結晶型,或加入乳化劑和表面處理劑,使活性劑與剛生成的微細碳酸鈣顆粒表面均勻覆蓋,碳化結晶後再經離心脱水、乾燥、分級、包裝製得。
7.稱取100g優質大理石粉末,慢慢溶解於600mL 12%的稀鹽酸中,得到CaCl2溶液,繼續往此溶液中加入5g大理石粉末,攪拌後靜置數小時後,再加入Ca(OH)2約30g至溶液呈鹼性,放在水浴上加熱30min,有沉澱生成時,將沉澱過濾除掉,再次加熱濾液,一邊攪拌一邊加入176g碳酸銨,析出沉澱,繼續加熱至沉澱完全析出,自然冷卻,抽濾,用少量水洗滌數次後放置於200℃的乾燥器中乾燥。
8.將工業品碳酸鈉用蒸餾水溶解成密度為1.2g/cm3的溶液,靜置,過濾,以除去鈣、鎂雜質,經檢驗合格後,備用。將化學純氯化鈣用蒸餾水溶解成密度為1.15~1.18的溶液,邊攪拌邊緩慢加到上述碳酸鈉溶液中,保持碳酸鈉稍過量,進行反應,靜置、過濾、離心甩幹。用蒸餾水洗滌至 Cl- 、SO42- 離子含量符合要求,離心甩幹,於110℃烘至半乾,敲碎,再烘至無水分。
9.將1份硝酸鈣 (分析純)用2份蒸餾水溶解,過濾,濾液備用,用4份蒸餾水溶解1份碳酸銨 (化學純) ,過濾,在攪拌下,慢慢加到已加熱到60℃的硝酸鈣水溶液中,當反應完成後,靜置,使沉澱完全,傾出溶液,抽濾,用蒸餾水慢慢地洗至NO3-離子含量經檢驗格,於110℃下乾燥,得試劑碳酸鈣。若採用高純級的硝酸鈣和碳酸銨,採用電導水,可按此法,在電爐上或烘箱內除去水分後,於220℃恆温3~4h,即得光譜純碳酸鈣。
10.天然碳酸鈣主要採用粉碎法。將含碳酸鈣在90%以上的天然白石礦,經粗碎、細碎、過篩而得。 [8] 

碳酸鈣實驗室製取方法

可利用Ca(OH)₂+Na2CO₃=CaCO₃+2NaOH製備。 [4] 

碳酸鈣分佈情況

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中國分佈情況
中國是世界上石灰岩礦資源豐富的國家之一。除上海、香港、澳門外,在各省、直轄市、自治區均有分佈。據原國家建材局地質中心統計,全國石灰岩分佈面積達43.8萬平方千米(未包括西藏自治區和台灣省),約佔國土面積的1/20,其中能供做水泥原料的石灰岩資源量約佔總資源量的1/4~1/3。為了滿足環境保護、生態平衡,防止水土流失,風景旅遊等方面的需要,特別是隨着我國小城鎮建設規劃的不斷完善和落實,可供水泥石灰岩的開採量還將減少。 [6] 
全國已發現水泥石灰岩礦點七、八千處,其中已有探明儲量的有1286處,其中大型礦牀257處、中型481處、小型486處(礦石儲量大於8000萬噸為大型、4000~8000萬噸為中型、小於4000萬噸為小型),共計保有礦石儲量542億噸,其中石灰岩儲量504億噸,佔93%;大理岩儲量38億噸,佔7%。保有儲量廣泛分佈於除上海市以外29個省、直轄市、自治區,其中陝西省保有儲量49億噸,為全國之冠;其餘依次為安徽省、廣西壯族自治區、四川省(含重慶市),各保有儲量34~30億噸;山東、河北、河南、廣東、遼寧、湖南、湖北7省各保有儲量30~20億噸;黑龍江、浙江、江蘇、貴州、江西、雲南、福建、山西、新疆、吉林、內蒙古、青海、甘肅13省各保有儲量20~10億噸;北京、寧夏、海南、西藏、天津5省各保有儲量5~20億噸。 [6] 
碳酸鈣
參考資料
  • 1.    錢存忠主編.獸藥速查手冊:中國農業科學技術出版社,2014.06:510
  • 2.    朱洪法主編.生活化學品與健康:金盾出版社,2013.04:510
  • 3.    趙雲龍,徐洛屹主編.石膏應用技術問答:中國建材工業出版社,,2016.09:301
  • 4.    王自敏編著.鐵氧體生產工藝技術:重慶大學出版社,2013.01:65
  • 5.    (俄)費爾斯曼著;丁榮立譯.,趣味礦物學:上海普及出版社,2013.10:153
  • 6.    孫越英主編.豫北地區石灰岩礦資源地質特徵及礦山環境恢復治理研究:黃河水利出版社,2014.09:77
  • 7.    王中平,孫振平,金明編著.表面物理化學:同濟大學出版社,2015.09:333
  • 8.    碳酸鈣  .物競數據庫[引用日期2021-06-15]
  • 9.    生物課程教材研究開發中心.生物必修1:人民教育出版社,2007.02:98
  • 10.    北京大學無機化學教研室等.無機化學.下:高等教育出版社,2003.01:662