nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн туршлагыг авахын тулд бид танд хөтчийн хамгийн сүүлийн хувилбарыг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах). Нэмж дурдахад, тасралтгүй дэмжлэг үзүүлэхийн тулд энэ сайтад хэв маяг эсвэл JavaScript агуулаагүй болно.
Энэхүү судалгаагаар тасалдалгүй хөргөлтийн талсжилтын үед никель сульфат гексагидратын өсөлтийн механизм болон гүйцэтгэлд NH4+ хольц болон үрийн харьцааны нөлөөллийг судалж, никель сульфат гексагидратын өсөлтийн механизм, дулааны шинж чанар, функциональ бүлгүүдэд NH4+ хольцын нөлөөллийг судалсан. Бага хольцын концентрацид Ni2+ болон NH4+ ионууд нь SO42−-тэй холбогдож, талстын гарц болон өсөлтийн хурд буурч, талсжих идэвхжлийн энерги нэмэгддэг. Өндөр хольцын концентрацид NH4+ ионууд талстын бүтцэд нэгдэж, нарийн төвөгтэй давс (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O үүсгэдэг. Цогц давс үүсэх нь талстын гарц болон өсөлтийн хурд нэмэгдэж, талсжих идэвхжлийн энерги буурахад хүргэдэг. NH4+ ионы өндөр ба бага концентрацитай байх нь торны гажуудлыг үүсгэдэг бөгөөд талстууд нь 80 °C хүртэл температурт дулааны хувьд тогтвортой байдаг. Үүнээс гадна, NH4+ хольцын талстын өсөлтийн механизмд үзүүлэх нөлөө нь үрийн харьцаанаас илүү их байдаг. Хольцын концентраци бага байх үед хольцыг талсттай холбоход хялбар байдаг; концентраци өндөр байх үед хольцыг талсттай нэгтгэхэд хялбар байдаг. Үрийн харьцаа нь талстын гарцыг ихээхэн нэмэгдүүлж, талстын цэвэр байдлыг бага зэрэг сайжруулдаг.
Никель сульфатын гексагидрат (NiSO4 · 6H2O) нь одоо батерей үйлдвэрлэл, электролиз, катализатор, тэр ч байтугай хүнс, тос, үнэртэй ус үйлдвэрлэх зэрэг олон салбарт хэрэглэгддэг чухал материал юм. 1,2,3 Никель дээр суурилсан лити-ион (LiB) батерейгаас ихээхэн хамааралтай цахилгаан тээврийн хэрэгслийн хурдацтай хөгжлийн ачаар түүний ач холбогдол нэмэгдэж байна. NCM 811 зэрэг өндөр никель хайлшийг ашиглах нь 2030 он гэхэд давамгайлах төлөвтэй байгаа бөгөөд энэ нь никель сульфатын гексагидратын эрэлтийг улам бүр нэмэгдүүлэх болно. Гэсэн хэдий ч нөөцийн хязгаарлалтын улмаас үйлдвэрлэл нь өсөн нэмэгдэж буй эрэлтийг гүйцэхгүй байж магадгүй бөгөөд энэ нь нийлүүлэлт ба эрэлтийн хооронд зөрүү үүсгэж болзошгүй юм. Энэхүү хомсдол нь нөөцийн хүртээмж, үнийн тогтвортой байдлын талаарх санаа зовнилыг төрүүлж, өндөр цэвэршилттэй, тогтвортой батерейны зэрэглэлийн никель сульфатыг үр ашигтай үйлдвэрлэх хэрэгцээг онцолж байна. 1,4
Никель сульфат гексагидратыг үйлдвэрлэх ажлыг ерөнхийдөө талсжилтаар хийдэг. Төрөл бүрийн аргуудын дунд хөргөлтийн арга нь өргөн хэрэглэгддэг арга бөгөөд бага эрчим хүчний хэрэглээ, өндөр цэвэршилттэй материал үйлдвэрлэх чадвартай давуу талтай. 5,6 Тасралтгүй хөргөлтийн талсжилтыг ашиглан никель сульфат гексагидратыг талсжилтын судалгаа ихээхэн ахиц дэвшил гаргасан. Одоогийн байдлаар ихэнх судалгаа нь температур, хөргөлтийн хурд, үрийн хэмжээ, рН зэрэг параметрүүдийг оновчтой болгох замаар талсжилтын процессыг сайжруулахад чиглэгддэг. 7,8,9 Зорилго нь олж авсан талстын талстын гарц, цэвэршилтийг нэмэгдүүлэх явдал юм. Гэсэн хэдий ч эдгээр параметрүүдийг цогцоор нь судалсан ч хольц, ялангуяа аммонийн (NH4+) талсжилтын үр дүнд үзүүлэх нөлөөнд анхаарал хандуулах тал дээр томоохон зөрүү байсаар байна.
Никелийн талсжилтад ашигладаг никелийн уусмалд аммонийн хольц байх магадлалтай, учир нь олборлох процессын үед аммонийн хольц байдаг. Аммиакийг ихэвчлэн саванжуулагч бодис болгон ашигладаг бөгөөд энэ нь никелийн уусмалд ул мөр ихтэй NH4+ үлдээдэг. 10,11,12 Аммонийн хольц хаа сайгүй байдаг ч тэдгээрийн талстын бүтэц, өсөлтийн механизм, дулааны шинж чанар, цэвэршилт гэх мэт талстын шинж чанарт үзүүлэх нөлөө нь сайн ойлгогдоогүй хэвээр байна. Тэдгээрийн нөлөөллийн талаарх хязгаарлагдмал судалгаа чухал ач холбогдолтой, учир нь хольц нь талстын өсөлтийг саатуулж эсвэл өөрчилж, зарим тохиолдолд дарангуйлагч болж, мета тогтвортой ба тогтвортой талст хэлбэрийн хоорондох шилжилтэд нөлөөлдөг. 13,14 Тиймээс эдгээр нөлөөллийг ойлгох нь үйлдвэрлэлийн үүднээс чухал ач холбогдолтой, учир нь хольц нь бүтээгдэхүүний чанарыг бууруулж болзошгүй юм.
Тодорхой асуултад үндэслэн энэхүү судалгаа нь аммонийн хольц нь никелийн талстын шинж чанарт хэрхэн нөлөөлж байгааг судлах зорилготой байв. Хольцын нөлөөг ойлгосноор тэдгээрийн сөрөг нөлөөллийг хянах, багасгах шинэ аргуудыг боловсруулж болно. Энэхүү судалгаагаар хольцын концентраци ба үрийн харьцааны өөрчлөлтийн хоорондын хамаарлыг судалсан. Үрийг үйлдвэрлэлийн процесст өргөн ашигладаг тул энэхүү судалгаанд үрийн параметрүүдийг ашигласан бөгөөд эдгээр хоёр хүчин зүйлийн хоорондын хамаарлыг ойлгох нь чухал юм. 15 Эдгээр хоёр параметрийн нөлөөг талстын гарц, талстын өсөлтийн механизм, талстын бүтэц, морфологи, цэвэр байдлыг судлахад ашигласан. Үүнээс гадна, зөвхөн NH4+ хольцын нөлөөн дор талстын кинетик зан төлөв, дулааны шинж чанар, функциональ бүлгүүдийг цаашид судалсан.
Энэхүү судалгаанд ашигласан материалууд нь GEM-ээс нийлүүлсэн никель сульфат гексагидрат (NiSO4 6H2O, ≥ 99.8%); Тяньжин Хуашэн ХХК-аас худалдаж авсан аммонийн сульфат ((NH4)SO4, ≥ 99%); нэрмэл ус байв. Үрийн талстыг 0.154 мм-ийн жигд хэмжээтэй бөөмс гаргаж авахын тулд буталж, шигшсэн NiSO4 6H2O ашигласан. NiSO4 6H2O-ийн шинж чанарыг Хүснэгт 1 болон Зураг 1-д үзүүлэв.
Никель сульфат гексагидратын талсжилтад NH4+ хольц болон үрийн харьцааны нөлөөг завсарлагатай хөргөлт ашиглан судалсан. Бүх туршилтыг 25 °C-ийн анхны температурт явуулсан. Шүүлтүүрийн явцад температурын хяналтын хязгаарлалтыг харгалзан 25 °C-ийг талсжилтын температур болгон сонгосон. Бага температурт Бухнерийн юүлүүр ашиглан халуун уусмалыг шүүх явцад температурын огцом хэлбэлзлээс болж талсжилт үүсч болно. Энэ процесс нь кинетик, хольцын шингээлт болон талстын янз бүрийн шинж чанарт мэдэгдэхүйц нөлөөлж болно.
Никелийн уусмалыг анх 224 г NiSO4 6H2O-г 200 мл нэрмэл усанд уусгаж бэлтгэсэн. Сонгосон концентраци нь хэт ханасан байдал (S) = 1.109-тэй тохирч байна. Хэт ханасан байдлыг ууссан никель сульфатын талстуудын уусах чадварыг 25 °C-д никель сульфатын гексагидратын уусах чадвартай харьцуулж тодорхойлсон. Температурыг анхны түвшинд буулгахад аяндаа талсжихаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд бага хэт ханасан байдлыг сонгосон.
Талсжих процесст NH4+ ионы концентрацийн нөлөөг никелийн уусмалд (NH4)2SO4 нэмж судалсан. Энэхүү судалгаанд ашигласан NH4+ ионы концентраци нь 0, 1.25, 2.5, 3.75, 5 г/л байв. Уусмалыг жигд холихын тулд 60°C-д 30 минутын турш халааж, 300 эрг/мин хурдтай хутгана. Дараа нь уусмалыг хүссэн урвалын температурт хөргөнө. Температур 25°C хүрэхэд уусмалд өөр өөр хэмжээний үрийн талстууд (үрийн харьцаа 0.5%, 1%, 1.5%, 2%) нэмсэн. Үрийн харьцааг үрийн жинг уусмал дахь NiSO4 6H2O-ийн жинтэй харьцуулж тодорхойлсон.
Үрийн талстыг уусмалд нэмсний дараа талсжих үйл явц байгалийн жамаар явагдсан. Талсжих үйл явц 30 минут үргэлжилсэн. Хуримтлагдсан талстыг уусмалаас цаашид салгахын тулд уусмалыг шүүлтүүрийн дарагч ашиглан шүүсэн. Шүүлтүүрийн процессын явцад талстыг дахин талсжих магадлалыг багасгах, уусмал дахь хольцын талстуудын гадаргуу дээр наалдах байдлыг багасгахын тулд этанолоор тогтмол угаасан. Талстууд нь этанолд уусдаггүй тул талстыг угаахын тулд этанол сонгосон. Шүүгдсэн талстуудыг 50 °C температурт лабораторийн инкубаторт байрлуулсан. Энэхүү судалгаанд ашигласан нарийвчилсан туршилтын параметрүүдийг Хүснэгт 2-т үзүүлэв.
Кристал бүтцийг XRD багаж (SmartLab SE—HyPix-400) ашиглан тодорхойлж, NH4+ нэгдлүүдийн илрэлийг илрүүлсэн. Кристал морфологийг шинжлэхийн тулд SEM шинж чанарыг (Apreo 2 HiVac) хийсэн. Кристалуудын дулааны шинж чанарыг TGA багаж (TG-209-F1 Libra) ашиглан тодорхойлсон. Функциональ бүлгүүдийг FTIR (JASCO-FT/IR-4X) ашиглан шинжилсэн. Дээжийн цэвэршилтийг ICP-MS багаж (Prodigy DC Arc) ашиглан тодорхойлсон. Дээжийг 0.5 г талстыг 100 мл нэрмэл усанд уусгаж бэлтгэсэн. Талсжих гарцыг (x) (1) томъёоны дагуу гаралтын талстын массыг оролтын талстын масстай хувааж тооцоолсон.
энд x нь 0-ээс 1 хүртэл хэлбэлздэг талстын гарц, mout нь гаралтын талстуудын жин (g), min нь оролтын талстуудын жин (g), msol нь уусмал дахь талстуудын жин, mseed нь үрийн талстуудын жин юм.
Талстын өсөлтийн кинетикийг тодорхойлж, идэвхжүүлэлтийн энергийн утгыг тооцоолохын тулд талстын гарцыг цаашид судалсан. Энэхүү судалгааг 2%-ийн үрийн харьцаатайгаар, өмнөхтэй адил туршилтын журмаар гүйцэтгэсэн. Изотермийн талстын кинетикийн параметрүүдийг талстын гарцыг өөр өөр талстын хугацаа (10, 20, 30, 40 минут) болон анхны температур (25, 30, 35, 40 °C)-д үнэлж тодорхойлсон. Анхны температурт сонгосон концентраци нь тус тус 1.109, 1.052, 1, 0.953 хэт ханасан (S) утгатай тохирч байв. Хэт ханасан утгыг ууссан никель сульфатын талстын уусах чадварыг анхны температурт никель сульфатын гексагидратын уусах чадвартай харьцуулж тодорхойлсон. Энэхүү судалгаанд NiSO4 6H2O-ийн 200 мл усанд хольцгүй өөр өөр температурт уусах чадварыг Зураг 2-т үзүүлэв.
Жонсон-Майл-Аврами (JMA онол)-ыг изотермийн талсжилтын зан төлөвийг шинжлэхэд ашигладаг. JMA онолыг сонгосон учир нь үрийн талстууд уусмалд нэмэгдэх хүртэл талсжилтын процесс явагддаггүй. JMA онолыг дараах байдлаар тайлбарласан болно.
Энд x(t) нь t хугацаан дахь шилжилтийг, k нь шилжилтийн хурдны тогтмолыг, t нь шилжилтийн хугацааг, n нь Аврами индексийг илэрхийлнэ. 3-р томъёог (2) томъёоноос гаргаж авсан. Талсжилтын идэвхжүүлэлтийн энергийг Аррениусын тэгшитгэлийг ашиглан тодорхойлно:
Энд kg нь урвалын хурдны тогтмол, k0 нь тогтмол, Eg нь талстын өсөлтийн идэвхжүүлэлтийн энерги, R нь молийн хийн тогтмол (R=8.314 Ж/моль К), харин T нь изотермийн талсжих температур (K) юм.
Зураг 3a-д үрийн харьцаа болон хольцын концентраци нь никелийн талстын гарцад нөлөөлдөг болохыг харуулж байна. Уусмал дахь хольцын концентраци 2.5 г/л хүртэл нэмэгдэхэд талстын гарц 7.77%-иас 6.48% (үрийн харьцаа 0.5%), 10.89%-иас 10.32% (үрийн харьцаа 2%) болж буурсан. Хольцын концентраци цаашид нэмэгдэх нь талстын гарцыг харгалзах хэмжээгээр нэмэгдүүлэхэд хүргэсэн. Үрийн харьцаа 2%, хольцын концентраци 5 г/л байх үед хамгийн өндөр гарц 17.98% хүрсэн. Хольцын концентраци нэмэгдэхийн хэрээр талстын гарцын хэв маягийн өөрчлөлт нь талстын өсөлтийн механизмын өөрчлөлттэй холбоотой байж болох юм. Хольцын концентраци бага байх үед Ni2+ ба NH4+ ионууд нь SO42−-тэй холбогдохын төлөө өрсөлддөг бөгөөд энэ нь уусмал дахь никелийн уусах чадвар нэмэгдэж, талстын гарц буурахад хүргэдэг. 14 Хольцын концентраци өндөр байх үед өрсөлдөөний процесс явагддаг ч зарим NH4+ ионууд нь никель болон сульфатын ионуудтай зохицож никель аммонийн сульфатын давхар давс үүсгэдэг. 16 Давхар давс үүсэх нь ууссан бодисын уусах чадвар буурахад хүргэдэг бөгөөд ингэснээр талстын гарц нэмэгддэг. Үрийн харьцааг нэмэгдүүлэх нь талстын гарцыг тасралтгүй сайжруулж чадна. Үр нь ууссан бодисын ионууд зохион байгуулагдаж, талстын үүсэлтийг бий болгох анхны гадаргуугийн талбайг бий болгосноор цөм үүсэх процесс болон аяндаа талстын өсөлтийг эхлүүлж болно. Үрийн харьцаа нэмэгдэхийн хэрээр ионуудын зохион байгуулалтын анхны гадаргуугийн талбай нэмэгдэж, улмаар илүү олон талст үүсэх боломжтой болдог. Тиймээс үрийн харьцааг нэмэгдүүлэх нь талстын өсөлтийн хурд болон талстын гарцад шууд нөлөөлдөг. 17
NiSO4 6H2O-ийн параметрүүд: (a) талстын гарц ба (b) никелийн уусмалын рН нь тарилгын өмнө ба дараа.
Зураг 3б-д үрийн харьцаа болон хольцын концентраци нь үр нэмэхээс өмнө болон дараа никелийн уусмалын рН-д нөлөөлдөг болохыг харуулж байна. Уусмалын рН-ийг хянах зорилго нь уусмал дахь химийн тэнцвэрт байдлын өөрчлөлтийг ойлгох явдал юм. Үрийн талстыг нэмэхээс өмнө уусмалын рН нь H+ протоныг ялгаруулдаг NH4+ ионууд байгаагаас болж буурах хандлагатай байдаг. Холимгийн концентрацийг нэмэгдүүлэх нь илүү их H+ протон ялгарахад хүргэдэг бөгөөд ингэснээр уусмалын рН буурдаг. Үрийн талстыг нэмсний дараа бүх уусмалын рН нэмэгддэг. рН-ийн чиг хандлага нь талстын гарцын чиг хандлагатай эерэг хамааралтай байдаг. Хамгийн бага рН утгыг 2.5 г/л хольцын концентраци ба 0.5% үрийн харьцаатай үед олж авсан. Холимгийн концентраци 5 г/л хүртэл нэмэгдэхэд уусмалын рН нэмэгддэг. Энэ үзэгдэл нь нэлээд ойлгомжтой, учир нь уусмал дахь NH4+ ионуудын хүртээмж нь шингээлт, эсвэл оруулга, эсвэл талстууд NH4+ ионыг шингээж, оруулга хийснээс болж буурдаг.
Кристал өсөлтийн кинетик зан төлөвийг тодорхойлох, кристал өсөлтийн идэвхжүүлэлтийн энергийг тооцоолохын тулд кристал гарцын туршилт, шинжилгээг цаашид хийсэн. Изотермийн талсжилтын кинетикийн параметрүүдийг Арга зүйн хэсэгт тайлбарласан болно. Зураг 4-т никель сульфатын кристал өсөлтийн кинетик зан төлөвийг харуулсан Жонсон-Мехл-Аврами (JMA) графикийг харуулав. Зураглалыг ln[− ln(1− x(t))] утгыг ln t утгатай харьцуулан зурж гаргасан (Тэгшитгэл 3). Графикаас олж авсан градиентийн утга нь өсөн нэмэгдэж буй кристалын хэмжээс ба өсөлтийн механизмыг харуулсан JMA индекс (n) утгуудтай тохирч байна. Харин таслах утга нь ln k тогтмолоор илэрхийлэгдсэн өсөлтийн хурдыг заана. JMA индекс (n) утгууд нь 0.35-0.75 хооронд хэлбэлздэг. Энэ n утга нь кристалууд нэг хэмжээст өсөлттэй бөгөөд диффузийн хяналттай өсөлтийн механизмыг дагадаг болохыг заана; 0 < n < 1 нь нэг хэмжээст өсөлтийг заана, харин n < 1 нь диффузийн хяналттай өсөлтийн механизмыг заана. 18 Тогтмол k-ийн өсөлтийн хурд температур нэмэгдэхийн хэрээр буурдаг бөгөөд энэ нь талсжих процесс бага температурт илүү хурдан явагддагийг харуулж байна. Энэ нь бага температурт уусмалын хэт ханасан байдал нэмэгдсэнтэй холбоотой юм.
Жонсон-Мехл-Аврами (JMA)-ийн никель сульфат гексагидратын янз бүрийн талсжих температур дахь графикууд: (a) 25 °C, (b) 30 °C, (c) 35 °C ба (d) 40 °C.
Хольц нэмэхэд бүх температурт өсөлтийн хурд ижил байсан. Хольцын концентраци 2.5 г/л байх үед талстын өсөлтийн хурд буурч, хольцын концентраци 2.5 г/л-ээс өндөр байх үед талстын өсөлтийн хурд нэмэгдсэн. Өмнө дурдсанчлан, талстын өсөлтийн хурдны хэв маягийн өөрчлөлт нь уусмал дахь ионуудын харилцан үйлчлэлийн механизмын өөрчлөлтөөс үүдэлтэй юм. Хольцын концентраци бага байх үед уусмал дахь ионуудын хоорондох өрсөлдөөний процесс нь ууссан бодисын уусах чадварыг нэмэгдүүлж, улмаар талстын өсөлтийн хурдыг бууруулдаг. 14 Цаашилбал, өндөр концентрацитай хольц нэмэх нь өсөлтийн процессыг мэдэгдэхүйц өөрчлөхөд хүргэдэг. Хольцын концентраци 3.75 г/л-ээс хэтрэх үед нэмэлт шинэ талстын цөмүүд үүсдэг бөгөөд энэ нь ууссан бодисын уусах чадвар буурч, улмаар талстын өсөлтийн хурдыг нэмэгдүүлдэг. Шинэ талстын цөмүүд үүсэхийг давхар давс (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O үүссэнээр харуулж болно. 16 Кристал өсөлтийн механизмыг хэлэлцэх үед рентген дифракцийн үр дүн нь давхар давс үүссэнийг баталж байна.
Талсжих идэвхжлийн энергийг тодорхойлохын тулд JMA график функцийг цаашид үнэлэв. Идэвхжүүлэлтийн энергийг Аррениусын тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолсон (тэгшитгэл (4)-т үзүүлэв). Зураг 5a нь ln(kg) утга ба 1/T утга хоорондын хамаарлыг харуулж байна. Дараа нь графикаас гаргаж авсан градиент утгыг ашиглан идэвхжүүлэлтийн энергийг тооцоолсон. Зураг 5b нь янз бүрийн хольцын концентрацийн дор талсжих идэвхжлийн энергийн утгыг харуулж байна. Үр дүнгээс харахад хольцын концентрацийн өөрчлөлт нь идэвхжүүлэлтийн энергид нөлөөлдөг. Холимоггүй никель сульфатын талстын талсжих идэвхжлийн энерги нь 215.79 кЖ/моль юм. Холимгийн концентраци 2.5 г/л хүрэхэд идэвхжүүлэлтийн энерги 3.99%-иар нэмэгдэж 224.42 кЖ/моль болно. Идэвхжүүлэлтийн энергийн өсөлт нь талсжих процессын энергийн саад нэмэгдэж, талстын өсөлтийн хурд болон талстын гарц буурахад хүргэдэг болохыг харуулж байна. Холимгийн концентраци 2.5 г/л-ээс их байвал талсжих идэвхжлийн энерги мэдэгдэхүйц буурдаг. 5 г/л хольцын концентрацид идэвхжүүлэлтийн энерги нь 205.85 кЖ/моль бөгөөд энэ нь 2.5 г/л хольцын концентрацид идэвхжүүлэлтийн энергиэс 8.27%-иар бага байна. Идэвхжүүлэлтийн энерги буурах нь талсжих процесс хөнгөрч, талстын өсөлтийн хурд болон талстын гарц нэмэгдэхэд хүргэдэг болохыг харуулж байна.
(a) ln(kg)-ийн 1/T-тэй харьцуулсан графикийг тохируулах ба (b) янз бүрийн хольцын концентраци дахь талсжилтын идэвхжүүлэлтийн энерги Eg.
Кристал өсөлтийн механизмыг XRD болон FTIR спектроскопиор судалж, кристал өсөлтийн кинетик болон идэвхжүүлэлтийн энергийг шинжилсэн. Зураг 6-д XRD үр дүнг харуулав. Өгөгдөл нь PDF #08–0470-тай нийцэж байгаа бөгөөд энэ нь α-NiSO4 6H2O (улаан цахиур) болохыг харуулж байна. Кристал нь тетрагональ системд хамаарах, орон зайн бүлэг нь P41212, нэгж эсийн параметрүүд нь a = b = 6.782 Å, c = 18.28 Å, α = β = γ = 90°, эзэлхүүн нь 840.8 Å3 байна. Эдгээр үр дүн нь Маноменова болон бусад хүмүүсийн өмнө нь нийтэлсэн үр дүнтэй нийцэж байна. 19 NH4+ ионуудыг нэвтрүүлэх нь (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O үүсэхэд хүргэдэг. Өгөгдөл нь PDF № 31–0062-т хамаарна. Кристал нь моноклиник систем, P21/a орон зайн бүлэгт хамаарах бөгөөд нэгж эсийн параметрүүд нь a = 9.186 Å, b = 12.468 Å, c = 6.242 Å, α = γ = 90°, β = 106.93°, эзэлхүүн нь 684 Å3 байна. Эдгээр үр дүн нь Су болон бусад хүмүүсийн мэдээлсэн өмнөх судалгаатай нийцэж байна.20.
Никель сульфатын талстын рентген дифракцийн хэв маяг: (a–b) 0.5%, (c–d) 1%, (e–f) 1.5%, болон (g–h) 2% үрийн харьцаа. Баруун талын зураг нь зүүн талын зургийн томруулсан харагдац юм.
Зураг 6b, d, f, h-д үзүүлсэнчлэн, 2.5 г/л нь нэмэлт давс үүсгэхгүйгээр уусмал дахь аммонийн концентрацийн хамгийн өндөр хязгаар юм. Холимгийн концентраци 3.75 ба 5 г/л байх үед NH4+ ионууд нь талстын бүтцэд нэгдэж, цогцолбор давс (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O үүсгэдэг. Өгөгдлөөс харахад хольцын концентраци 3.75-аас 5 г/л хүртэл нэмэгдэхийн хэрээр цогцолбор давсны оргил эрчим нэмэгддэг, ялангуяа 2θ 16.47° ба 17.44°-д. Цогц давсны оргил нэмэгдэх нь зөвхөн химийн тэнцвэрийн зарчимтай холбоотой юм. Гэсэн хэдий ч 2θ 16.47°-д зарим хэвийн бус оргилууд ажиглагддаг бөгөөд үүнийг талстын уян хатан деформацитай холбон тайлбарлаж болно. 21 Мөн шинж чанарын үр дүнгээс харахад үрлэлтийн харьцаа өндөр байх нь цогцолбор давсны оргил эрчим буурахад хүргэдэг. Үрийн харьцаа өндөр байх нь талсжих процессыг хурдасгаж, улмаар ууссан бодисын хэмжээ мэдэгдэхүйц буурахад хүргэдэг. Энэ тохиолдолд талстын өсөлтийн процесс нь үр дээр төвлөрч, уусмалын хэт ханасан байдал буурснаар шинэ фазууд үүсэхэд саад болдог. Үүний эсрэгээр, үрийн харьцаа бага байх үед талсжих процесс удаан явагдаж, уусмалын хэт ханасан байдал харьцангуй өндөр түвшинд хэвээр байна. Энэ нөхцөл байдал нь бага уусдаг давхар давс (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O-ийн цөм үүсэх магадлалыг нэмэгдүүлдэг. Давхар давсны оргил эрчимжилтийн өгөгдлийг Хүснэгт 3-т үзүүлэв.
NH4+ ионуудын улмаас эзэн торны аливаа эмгэг эсвэл бүтцийн өөрчлөлтийг судлахын тулд FTIR шинж чанарыг тодорхойлсон. Тогтмол үржүүлгийн харьцаа 2% байсан дээжийг тодорхойлсон. Зураг 7-д FTIR шинж чанарын үр дүнг харуулав. 3444, 3257 ба 1647 см−1 дээр ажиглагдсан өргөн оргилууд нь молекулуудын O-H суналтын горимоос үүдэлтэй. 2370 ба 2078 см−1 дээрх оргилууд нь усны молекулуудын хоорондох молекул хоорондын устөрөгчийн холбоог илэрхийлдэг. 412 см−1 дээрх зурвасыг Ni-O суналтын чичиргээтэй холбон тайлбарладаг. Үүнээс гадна, чөлөөт SO4− ионууд нь 450 (υ2), 630 (υ4), 986 (υ1) болон 1143 ба 1100 см−1 (υ3) дээр дөрвөн үндсэн чичиргээний горимыг харуулдаг. υ1-υ4 тэмдэгтүүд нь чичиргээний горимуудын шинж чанарыг илэрхийлдэг бөгөөд υ1 нь доройтсон бус горимыг (тэгш хэмтэй суналт), υ2 нь давхар доройтсон горимыг (тэгш хэмтэй нугалалт), υ3 ба υ4 нь гурвалсан доройтсон горимуудыг (тус тус тэгш хэмгүй суналт ба тэгш бус нугалалт) илэрхийлдэг. 22,23,24 Шинжлэх ухааны үр дүнгээс харахад аммонийн хольц байгаа нь 1143 см-1 долгионы тоонд нэмэлт оргил өгдөг (зураг дээр улаан тойргоор тэмдэглэсэн). 1143 см-1 дээрх нэмэлт оргил нь концентрацаас үл хамааран NH4+ ион байгаа нь торны бүтцийг гажуудуулж, талст доторх сульфат ионы молекулуудын чичиргээний давтамж өөрчлөгдөхөд хүргэдэг болохыг харуулж байна.
Талстын өсөлтийн кинетик зан төлөв болон идэвхжүүлэлтийн энергитэй холбоотой XRD болон FTIR-ийн үр дүнд үндэслэн Зураг 8-д NH4+ хольцыг нэмсэн никель сульфат гексагидратын талсжих процессын схемийг харуулав. Хольц байхгүй үед Ni2+ ионууд нь H2O-той урвалд орж никель гидрат [Ni(6H2O)]2− үүсгэнэ. Дараа нь никель гидрат нь аяндаа SO42− ионуудтай нэгдэж Ni(SO4)2 6H2O цөм үүсгэж, никель сульфат гексагидрат талст болж ургадаг. Уусмалд бага концентрацитай аммонийн хольц (2.5 г/л буюу түүнээс бага) нэмэхэд [Ni(6H2O)]2− нь SO42− ионуудтай бүрэн нэгдэхэд хэцүү байдаг, учир нь [Ni(6H2O)]2− ба NH4+ ионууд нь SO42− ионуудтай нэгдэхийн төлөө өрсөлддөг боловч хоёр ионтой урвалд ороход хангалттай сульфат ионууд байсаар байна. Энэ байдал нь талсжих идэвхжүүлэлтийн энерги нэмэгдэж, талстын өсөлт удааширахад хүргэдэг. 14,25 Никель сульфатын гексагидрат цөм үүсч, талст болсны дараа олон тооны NH4+ ба (NH4)2SO4 ионууд талстын гадаргуу дээр адсорбцлогддог. Энэ нь NSH-8 ба NSH-12 дээжинд SO4− ионы функциональ бүлэг (долгионы дугаар 1143 см−1) яагаад допинг процессгүйгээр үүссэнийг тайлбарлаж байна. Холимгийн концентраци өндөр байх үед NH4+ ионууд талстын бүтцэд нэгдэж, давхар давс үүсгэдэг. 16 Энэ үзэгдэл нь уусмалд SO42− ион байхгүйгээс болж үүсдэг бөгөөд SO42− ионууд нь аммонийн ионуудаас илүү хурдан никель гидраттай холбогддог. Энэ механизм нь давхар давсны цөмжилт ба өсөлтийг дэмждэг. Хайлшлах процессын үед Ni(SO4)2 6H2O ба (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O цөмүүд нэгэн зэрэг үүсдэг бөгөөд энэ нь гаргаж авсан цөмийн тоог нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг. Цөмийн тоо нэмэгдэх нь талстын өсөлтийг хурдасгаж, идэвхжүүлэх энерги буурахад хүргэдэг.
Никель сульфат гексагидратыг усанд уусгаж, бага хэмжээний болон их хэмжээний аммонийн сульфат нэмж, дараа нь талсжих процессыг явуулах химийн урвалыг дараах байдлаар илэрхийлж болно.
SEM-ийн шинж чанарын үр дүнг Зураг 9-д үзүүлэв. Шинж чанарын үр дүнгээс харахад нэмэгдсэн аммонийн давсны хэмжээ болон үрийн харьцаа нь талстын хэлбэрт мэдэгдэхүйц нөлөөлдөггүй болохыг харуулж байна. Үүссэн талстын хэмжээ харьцангуй тогтмол хэвээр байгаа ч зарим цэгүүдэд илүү том талстууд гарч ирдэг. Гэсэн хэдий ч үүссэн талстын дундаж хэмжээнд аммонийн давсны концентраци болон үрийн харьцааны нөлөөллийг тодорхойлохын тулд цаашид шинж чанар хийх шаардлагатай хэвээр байна.
NiSO4 6H2O-ийн талстын морфологи: (a–e) 0.5%, (f–j) 1%, (h–o) 1.5% ба (p–u) 2% үрийн харьцаа нь NH4+ концентрацийн дээрээс доош шилжих өөрчлөлтийг харуулж байгаа бөгөөд тус тус 0, 1.25, 2.5, 3.75 ба 5 г/л байна.
Зураг 10a-д өөр өөр хольцын концентрацитай талстуудын TGA муруйг харуулав. TGA шинжилгээг 2% -ийн үрийн харьцаатай дээжинд хийсэн. Үүссэн нэгдлүүдийг тодорхойлохын тулд NSH-20 дээжинд мөн XRD шинжилгээ хийсэн. Зураг 10b-д үзүүлсэн XRD үр дүнгүүд нь талстын бүтцийн өөрчлөлтийг баталж байна. Термогравиметрийн хэмжилтүүд нь бүх нийлэгжсэн талстууд 80°C хүртэл дулааны тогтвортой байдлыг харуулдаг болохыг харуулж байна. Үүний дараа температур 200°C хүртэл нэмэгдэхэд талстын жин 35%-иар буурсан. Талстуудын жингийн алдагдал нь NiSO4 H2O үүсгэхийн тулд 5 усны молекул алдагдахыг багтаасан задралын процессоос үүдэлтэй юм. Температур 300–400°C хүртэл нэмэгдэхэд талстуудын жин дахин буурсан. Талстуудын жингийн алдагдал ойролцоогоор 6.5% байсан бол NSH-20 талстын дээжийн жингийн алдагдал арай өндөр буюу яг 6.65% байв. NSH-20 дээжинд NH4+ ионуудыг NH3 хий болгон задалснаар бага зэрэг өндөр бууралттай болсон. Температур 300-400°C хүртэл нэмэгдэхийн хэрээр талстуудын жин буурч, бүх талстууд NiSO4 бүтэцтэй болсон. Температурыг 700°C-аас 800°C хүртэл нэмэгдүүлснээр талст бүтэц NiO болж хувирч, SO2 ба O2 хий ялгарсан.25,26
Никель сульфатын гексагидрат талстын цэвэршилтийг DC-Arc ICP-MS багаж ашиглан NH4+ концентрацийг үнэлэх замаар тодорхойлсон. Никель сульфатын талстын цэвэршилтийг (5) томъёогоор тодорхойлсон.
Энд Ma нь талст дахь хольцын масс (мг), Mo нь талстын масс (мг), Ca нь уусмал дахь хольцын концентраци (мг/л), V нь уусмалын эзэлхүүн (л) юм.
Зураг 11-т никель сульфатын гексагидрат талстын цэвэршилтийг харуулав. Цэвэршилтийн утга нь 3 шинж чанарын дундаж утга юм. Үр дүнгээс харахад үрлэлтийн харьцаа болон хольцын концентраци нь үүссэн никель сульфатын талстын цэвэршилтэд шууд нөлөөлдөг. Холимгийн концентраци өндөр байх тусам хольцын шингээлт ихсэж, үүссэн талстын цэвэршилт буурдаг. Гэсэн хэдий ч хольцын шингээлтийн хэв маяг нь хольцын концентрацаас хамааран өөрчлөгдөж болох бөгөөд үр дүнгийн график нь талстуудын хольцын нийт шингээлт мэдэгдэхүйц өөрчлөгддөггүйг харуулж байна. Үүнээс гадна эдгээр үр дүнгээс харахад үрлэлтийн харьцаа өндөр байх нь талстын цэвэршилтийг сайжруулж чадна гэдгийг харуулж байна. Энэ үзэгдэл боломжтой, учир нь үүссэн талстын цөмүүдийн ихэнх нь никель цөм дээр төвлөрсөн үед никель ионууд никель дээр хуримтлагдах магадлал өндөр байдаг. 27
Судалгаагаар аммонийн ионууд (NH4+) нь никель сульфатын гексагидрат талстын талсжих процесс болон талст шинж чанарт мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг болохыг харуулсан бөгөөд мөн үрийн харьцаа нь талсжих процесст хэрхэн нөлөөлдөг болохыг илрүүлсэн.
Аммонийн агууламж 2.5 г/л-ээс дээш байх үед талстын гарц болон талстын өсөлтийн хурд буурдаг. Аммонийн агууламж 2.5 г/л-ээс дээш байх үед талстын гарц болон талстын өсөлтийн хурд нэмэгддэг.
Никелийн уусмалд хольц нэмэх нь SO42−-ийн төлөөх NH4+ ба [Ni(6H2O)]2− ионуудын хоорондох өрсөлдөөнийг нэмэгдүүлдэг бөгөөд энэ нь идэвхжүүлэлтийн энергийг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг. Өндөр концентрацитай хольц нэмсний дараа идэвхжүүлэлтийн энерги буурах нь NH4+ ионууд талст бүтцэд орж, улмаар давхар давс (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O үүсгэдэгтэй холбоотой юм.
Өндөр үр суулгах харьцааг ашиглах нь никель сульфат гексагидратын талстын ургац, талстын өсөлтийн хурд болон талстын цэвэр байдлыг сайжруулж чадна.
Демирел, ХС нар. Латерит боловсруулах явцад батерейны зэрэглэлийн никель сульфатын гидратыг уусгагчийн эсрэг талсжилт. 9-р сар. Цэвэршүүлэх технологи, 286, 120473. https://doi.org/10.1016/J.SEPPUR.2022.120473 (2022).
Сагунтала, П. болон Ясота, П. Өндөр температурт никель сульфатын талстуудын оптик хэрэглээ: Нэмэлт амин хүчлүүдийг хольц болгон ашигласан шинж чанарын судалгаа. Mater. Today Proc. 9, 669–673. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2018.10.391 (2019).
Бабаахмади, В., нар. Нэхмэлийн гадаргуу дээрх никелийн хээг электрод хэлбэрээр тунадасжуулах нь графен оксидыг багасгасан дээр полиолоор зуучлан хэвлэх. Коллоид гадаргуугийн физик ба химийн инженерчлэлийн сэтгүүл 703, 135203. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2024.135203 (2024).
Фрейзер, Ж., Андерсон, Ж., Лазуен, Ж., нар. “Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн батерейны никелийн нийлүүлэлтийн ирээдүйн эрэлт ба аюулгүй байдал.” Европын Холбооны Хэвлэлийн алба; (2021). https://doi.org/10.2760/212807
Хан, Б., Бөкман, О., Вилсон, Б.П., Лундстрём, М. болон Лухи-Култанен, М. Никелийн сульфатыг хөргөлттэй хамт талсжуулах замаар цэвэршүүлэх нь. Химийн инженерчлэлийн технологи 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/CEAT.201800695 (2019).
Ма, Ю. нар. Лити-ион батерейны материалын металл давс үйлдвэрлэхэд тунадасжуулалт ба талсжих аргыг хэрэглэх нь: тойм. Металлууд. 10(12), 1-16. https://doi.org/10.3390/MET10121609 (2020).
Масалов, ВМ, нар. Тогтвортой температурын градиент нөхцөлд никель сульфатын гексагидрат (α-NiSO4.6H2O) дан талстуудын өсөлт. Кристаллографи. 60(6), 963–969. https://doi.org/10.1134/S1063774515060206 (2015).
Чоудхури, РР нар. α-Никелийн сульфатын гексагидрат талстууд: Өсөлтийн нөхцөл, талстын бүтэц, шинж чанаруудын хоорондын хамаарал. JApCr. 52, 1371–1377. https://doi.org/10.1107/S1600576719013797FILE (2019).
Хан, Б., Бөкман, О., Вилсон, Б.П., Лундстрём, М. болон Лухи-Култанен, М. Никель сульфатыг багцаар хөргөх талстжуулалтаар цэвэршүүлэх нь. Химийн инженерчлэлийн технологи 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/ceat.201800695 (2019).