Ви благодариме што ја посетивте страницата nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да ја користите најновата верзија на прелистувачот (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Дополнително, за да се обезбеди континуирана поддршка, оваа страница нема да вклучува стилови или JavaScript.
Оваа студија ги истражува ефектите на нечистотиите NH4+ и односот на семе врз механизмот на раст и перформансите на никел сулфат хексахидрат под дисконтинуирана кристализација со ладење, и ги испитува ефектите на нечистотиите NH4+ врз механизмот на раст, термичките својства и функционалните групи на никел сулфат хексахидрат. При ниски концентрации на нечистотии, јоните Ni2+ и NH4+ се натпреваруваат со SO42− за врзување, што резултира со намален принос на кристали и стапка на раст и зголемена енергија на активирање на кристализација. При високи концентрации на нечистотии, јоните NH4+ се инкорпорираат во кристалната структура за да формираат комплексна сол (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Формирањето на комплексната сол резултира со зголемен принос на кристали и стапка на раст и намалена енергија на активирање на кристализација. Присуството на високи и ниски концентрации на NH4+ јони предизвикува дисторзија на решетката, а кристалите се термички стабилни на температури до 80 °C. Покрај тоа, влијанието на нечистотиите NH4+ врз механизмот на раст на кристалите е поголемо од односот на семе. Кога концентрацијата на нечистотии е ниска, нечистотијата лесно се прицврстува на кристалот; кога концентрацијата е висока, нечистотијата лесно се инкорпорира во кристалот. Односот на семе може значително да го зголеми приносот на кристали и малку да ја подобри чистотата на кристалите.
Никел сулфат хексахидрат (NiSO4 6H2O) сега е критичен материјал што се користи во различни индустрии, вклучувајќи производство на батерии, галванизација, катализатори, па дури и во производство на храна, масло и парфем. 1,2,3 Неговата важност расте со брзиот развој на електричните возила, кои во голема мера се потпираат на литиум-јонски (LiB) батерии базирани на никел. Се очекува употребата на легури со висока содржина на никел, како што е NCM 811, да доминира до 2030 година, што дополнително ќе ја зголеми побарувачката за никел сулфат хексахидрат. Сепак, поради ограничувањата на ресурсите, производството можеби нема да биде во чекор со растечката побарувачка, создавајќи јаз помеѓу понудата и побарувачката. Овој недостиг предизвика загриженост во врска со достапноста на ресурси и стабилноста на цените, истакнувајќи ја потребата за ефикасно производство на никел сулфат со висока чистота, стабилен квалитет на батерии. 1,4
Производството на никел сулфат хексахидрат генерално се постигнува со кристализација. Меѓу различните методи, методот на ладење е широко користен метод, кој има предности на ниска потрошувачка на енергија и можност за производство на материјали со висока чистота. 5,6 Истражувањето за кристализација на никел сулфат хексахидрат со употреба на дисконтинуирана кристализација со ладење постигна значителен напредок. Во моментов, повеќето истражувања се фокусираат на подобрување на процесот на кристализација преку оптимизирање на параметри како што се температурата, брзината на ладење, големината на семето и pH вредноста. 7,8,9 Целта е да се зголеми приносот на кристали и чистотата на добиените кристали. Сепак, и покрај сеопфатното проучување на овие параметри, сè уште постои голем јаз во вниманието посветено на влијанието на нечистотиите, особено амониумот (NH4+), врз резултатите од кристализацијата.
Нечистотиите од амониум веројатно ќе бидат присутни во растворот на никел што се користи за кристализација на никел поради присуството на нечистотии од амониум за време на процесот на екстракција. Амонијакот најчесто се користи како сапонификациски агенс, кој остава траги од NH4+ во растворот на никел. 10,11,12 И покрај сеприсутноста на нечистотиите од амониум, нивните ефекти врз својствата на кристалите, како што се кристалната структура, механизмот на раст, термичките својства, чистотата итн., остануваат слабо разбрани. Ограниченото истражување за нивните ефекти е важно бидејќи нечистотиите можат да го попречат или променат растот на кристалите и, во некои случаи, да дејствуваат како инхибитори, влијаејќи на преминот помеѓу метастабилни и стабилни кристални форми. 13,14 Затоа, разбирањето на овие ефекти е критично од индустриска перспектива бидејќи нечистотиите можат да го нарушат квалитетот на производот.
Врз основа на специфично прашање, оваа студија имаше за цел да го истражи ефектот на амониумските нечистотии врз својствата на кристалите на никел. Со разбирање на ефектот на нечистотиите, можат да се развијат нови методи за контрола и минимизирање на нивните негативни ефекти. Оваа студија, исто така, ја испита корелацијата помеѓу концентрацијата на нечистотии и промените во односот на семето. Бидејќи семето е широко користено во процесот на производство, параметрите на семето беа користени во оваа студија, и од суштинско значење е да се разбере врската помеѓу овие два фактори. 15 Ефектите на овие два параметри беа користени за проучување на приносот на кристали, механизмот на раст на кристалите, кристалната структура, морфологијата и чистотата. Покрај тоа, дополнително беа истражени кинетичкото однесување, термичките својства и функционалните групи на кристалите под влијание само на NH4+ нечистотии.
Материјалите што се користеа во оваа студија беа никел сулфат хексахидрат (NiSO6H2O, ≥ 99,8%) обезбеден од GEM; амониум сулфат ((NH)SO6, ≥ 99%) купен од Tianjin Huasheng Co., Ltd.; дестилирана вода. Користениот кристален образец беше NiSO6H2O, смачкан и просеан за да се добие униформна големина на честички од 0,154 mm. Карактеристиките на NiSO6H2O се прикажани во Табела 1 и Слика 1.
Ефектот на нечистотиите NH4+ и односот на семе врз кристализацијата на хексахидратот на никел сулфат беше испитан со користење на повремено ладење. Сите експерименти беа спроведени на почетна температура од 25 °C. 25 °C беше избрана како температура на кристализација со оглед на ограничувањата на контролата на температурата за време на филтрацијата. Кристализацијата може да се предизвика со ненадејни температурни флуктуации за време на филтрација на топли раствори со користење на нискотемпературна Бухнерова инка. Овој процес може значително да влијае на кинетиката, апсорпцијата на нечистотиите и различните својства на кристалите.
Растворот на никел прво беше подготвен со растворање на 224 g NiSO4 6H2O во 200 ml дестилирана вода. Избраната концентрација одговара на презаситеност (S) = 1,109. Презаситеноста беше определена со споредување на растворливоста на растворените кристали на никел сулфат со растворливоста на никел сулфат хексахидрат на 25 °C. Пониската презаситеност беше избрана за да се спречи спонтана кристализација кога температурата ќе се спушти на почетната.
Ефектот на концентрацијата на NH4+ јони врз процесот на кристализација беше испитан со додавање на (NH4)2SO4 во раствор од никел. Концентрациите на NH4+ јони користени во оваа студија беа 0, 1,25, 2,5, 3,75 и 5 g/L. Растворот беше загреан на 60 °C 30 минути со мешање на 300 вртежи во минута за да се обезбеди рамномерно мешање. Потоа растворот беше изладен до саканата температура на реакција. Кога температурата достигна 25 °C, во растворот беа додадени различни количини на кристали на семе (однос на семе од 0,5%, 1%, 1,5% и 2%). Односот на семе беше определен со споредување на тежината на семето со тежината на NiSO4 6H2O во растворот.
По додавањето на кристалите-зачетоци во растворот, процесот на кристализација се одвиваше природно. Процесот на кристализација траеше 30 минути. Растворот беше филтриран со филтер-преса за дополнително одвојување на акумулираните кристали од растворот. За време на процесот на филтрација, кристалите редовно се миеја со етанол за да се минимизира можноста за рекристализација и да се минимизира адхезијата на нечистотиите во растворот на површината на кристалите. Етанол беше избран за миење на кристалите бидејќи кристалите се нерастворливи во етанол. Филтрираните кристали беа ставени во лабораториски инкубатор на 50 °C. Деталните експериментални параметри што се користеа во оваа студија се прикажани во Табела 2.
Кристалната структура беше определена со помош на XRD инструмент (SmartLab SE—HyPix-400) и беше откриено присуство на NH4+ соединенија. За анализа на морфологијата на кристалот беше извршена SEM карактеризација (Apreo 2 HiVac). Термичките својства на кристалите беа определени со помош на TGA инструмент (TG-209-F1 Libra). Функционалните групи беа анализирани со FTIR (JASCO-FT/IR-4X). Чистотата на примерокот беше определена со помош на ICP-MS инструмент (Prodigy DC Arc). Примерокот беше подготвен со растворање на 0,5 g кристали во 100 mL дестилирана вода. Приносот на кристализација (x) беше пресметан со делење на масата на излезниот кристал со масата на влезниот кристал според формулата (1).
каде што x е приносот на кристали, кој варира од 0 до 1, mout е тежината на излезните кристали (g), min е тежината на влезните кристали (g), msol е тежината на кристалите во растворот, а mseed е тежината на кристалите-зачетоци.
Приносот на кристализација беше дополнително испитан за да се утврди кинетиката на раст на кристалите и да се процени вредноста на енергијата на активација. Оваа студија беше спроведена со сооднос на сеење од 2% и истата експериментална постапка како и претходно. Параметрите на изотермалната кинетика на кристализација беа одредени со евалуација на приносот на кристали во различни времиња на кристализација (10, 20, 30 и 40 мин) и почетни температури (25, 30, 35 и 40 °C). Избраните концентрации на почетната температура одговараа на вредностите на презаситеност (S) од 1,109, 1,052, 1 и 0,953, соодветно. Вредноста на презаситеност беше определена со споредување на растворливоста на растворените кристали на никел сулфат со растворливоста на никел сулфат хексахидрат на почетната температура. Во оваа студија, растворливоста на NiSO4 6H2O во 200 mL вода на различни температури без нечистотии е прикажана на Слика 2.
Џонсон-Мејл-Аврами (теорија на JMA) се користи за анализа на однесувањето на изотермната кристализација. Теоријата на JMA е избрана бидејќи процесот на кристализација не се случува сè додека во растворот не се додадат кристали-зачетоци. Теоријата на JMA е опишана на следниов начин:
Каде што x(t) го претставува преминот во времето t, k ја претставува константата на брзината на преминот, t го претставува времето на премин, а n го претставува индексот на Аврами. Формулата 3 е изведена од формулата (2). Енергијата на активирање на кристализацијата се определува со помош на равенката на Арениус:
Каде што kg е константа на брзината на реакција, k0 е константа, Eg е енергијата на активирање на растот на кристалот, R е моларната гасна константа (R=8,314 J/mol K), а T е изотермната температура на кристализација (K).
Слика 3а покажува дека односот на сеење и концентрацијата на допантот имаат ефект врз приносот на кристали на никел. Кога концентрацијата на допантот во растворот се зголемила на 2,5 g/L, приносот на кристали се намалил од 7,77% на 6,48% (однос на сеење од 0,5%) и од 10,89% на 10,32% (однос на сеење од 2%). Понатамошното зголемување на концентрацијата на допантот доведе до соодветно зголемување на приносот на кристали. Највисокиот принос достигна 17,98% кога односот на сеење беше 2%, а концентрацијата на допантот беше 5 g/L. Промените во моделот на принос на кристалите со зголемувањето на концентрацијата на допантот може да бидат поврзани со промените во механизмот на раст на кристалите. Кога концентрацијата на допантот е ниска, јоните Ni2+ и NH4+ се натпреваруваат за врзување со SO42−, што доведува до зголемување на растворливоста на никелот во растворот и намалување на приносот на кристали. 14 Кога концентрацијата на нечистотии е висока, процесот на конкуренција сè уште се случува, но некои NH4+ јони координираат со јони на никел и сулфат за да формираат двојна сол на никел амониум сулфат. 16 Формирањето на двојна сол доведува до намалување на растворливоста на растворената супстанца, со што се зголемува приносот на кристали. Зголемувањето на односот на сеење може континуирано да го подобри приносот на кристали. Семето може да го иницира процесот на нуклеација и спонтан раст на кристалите со обезбедување почетна површина за јони на растворената супстанца да се организираат и да формираат кристали. Како што се зголемува односот на сеење, почетната површина за јони да се организираат се зголемува, па може да се формираат повеќе кристали. Затоа, зголемувањето на односот на сеење има директен ефект врз стапката на раст на кристалите и приносот на кристали. 17
Параметри на NiSO4 6H2O: (а) принос на кристали и (б) pH вредност на растворот на никел пред и по инокулацијата.
Слика 3б покажува дека односот на семе и концентрацијата на допантот влијаат на pH вредноста на растворот на никел пред и по додавањето на семето. Целта на следењето на pH вредноста на растворот е да се разберат промените во хемиската рамнотежа во растворот. Пред додавањето на кристалите-семе, pH вредноста на растворот има тенденција да се намалува поради присуството на NH4+ јони кои ослободуваат H+ протони. Зголемувањето на концентрацијата на допантот резултира со ослободување на повеќе H+ протони, со што се намалува pH вредноста на растворот. По додавањето на кристалите-семе, pH вредноста на сите раствори се зголемува. Трендот на pH е позитивно корелиран со трендот на принос на кристали. Најниската pH вредност е добиена при концентрација на допант од 2,5 g/L и однос на семе од 0,5%. Како што концентрацијата на допантот се зголемува на 5 g/L, pH вредноста на растворот се зголемува. Овој феномен е сосема разбирлив, бидејќи достапноста на NH4+ јони во растворот се намалува или поради апсорпција, или поради вклучување, или поради апсорпција и вклучување на NH4+ јони од кристалите.
Експериментите и анализата на приносот на кристали беа дополнително спроведени за да се утврди кинетичкото однесување на растот на кристалите и да се пресмета енергијата на активирање на растот на кристалите. Параметрите на кинетиката на изотермалната кристализација беа објаснети во делот Методи. Слика 4 го прикажува графиконот Џонсон-Мел-Аврами (JMA) кој го покажува кинетичкото однесување на растот на кристалите на никел сулфат. Графиконот е генериран со прикажување на вредноста ln[− ln(1− x(t))] во однос на вредноста lnt (равенка 3). Вредностите на градиентот добиени од графиконот одговараат на вредностите на JMA индексот (n) кои ги означуваат димензиите на растечкиот кристал и механизмот на раст. Додека граничната вредност ја означува стапката на раст која е претставена со константата ln k. Вредностите на JMA индексот (n) се движат од 0,35 до 0,75. Оваа n вредност покажува дека кристалите имаат еднодимензионален раст и следат механизам на раст контролиран со дифузија; 0 < n < 1 означува еднодимензионален раст, додека n < 1 означува механизам на раст контролиран со дифузија. 18 Стапката на раст на константата k се намалува со зголемување на температурата, што укажува дека процесот на кристализација се одвива побрзо на пониски температури. Ова е поврзано со зголемувањето на презаситеноста на растворот на пониски температури.
Џонсон-Мел-Аврами (JMA) графикони на никел сулфат хексахидрат на различни температури на кристализација: (а) 25 °C, (б) 30 °C, (в) 35 °C и (г) 40 °C.
Додавањето на допанти покажа ист модел на стапка на раст на сите температури. Кога концентрацијата на допантот беше 2,5 g/L, стапката на раст на кристалите се намалуваше, а кога концентрацијата на допантот беше поголема од 2,5 g/L, стапката на раст на кристалите се зголемуваше. Како што споменавме претходно, промената во моделот на стапката на раст на кристалите се должи на промената во механизмот на интеракција помеѓу јоните во растворот. Кога концентрацијата на допантот е ниска, процесот на конкуренција помеѓу јоните во растворот ја зголемува растворливоста на растворената супстанца, со што се намалува стапката на раст на кристалите.14 Понатаму, додавањето на високи концентрации на допанти предизвикува процесот на раст значително да се промени. Кога концентрацијата на допантот надминува 3,75 g/L, се формираат дополнителни нови кристални јадра, што доведува до намалување на растворливоста на растворената супстанца, со што се зголемува стапката на раст на кристалите. Формирањето на нови кристални јадра може да се демонстрира со формирање на двојна сол (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. 16 Кога се дискутира механизмот на раст на кристалите, резултатите од дифракцијата на Х-зраци потврдуваат формирање на двојна сол.
Функцијата на JMA графиконот беше дополнително евалуирана за да се одреди енергијата на активирање на кристализацијата. Енергијата на активирање беше пресметана со користење на равенката на Арениус (прикажана во равенката (4)). Слика 5a ја покажува врската помеѓу вредноста ln(kg) и вредноста 1/T. Потоа, енергијата на активирање беше пресметана со користење на градиентната вредност добиена од графиконот. Слика 5b ги прикажува вредностите на енергијата на активирање на кристализацијата под различни концентрации на нечистотии. Резултатите покажуваат дека промените во концентрацијата на нечистотии влијаат на енергијата на активирање. Енергијата на активирање на кристализацијата на кристалите на никел сулфат без нечистотии е 215,79 kJ/mol. Кога концентрацијата на нечистотии достигнува 2,5 g/L, енергијата на активирање се зголемува за 3,99% на 224,42 kJ/mol. Зголемувањето на енергијата на активирање покажува дека енергетската бариера на процесот на кристализација се зголемува, што ќе доведе до намалување на стапката на раст на кристалите и приносот на кристалите. Кога концентрацијата на нечистотии е поголема од 2,5 g/L, енергијата на активирање на кристализацијата значително се намалува. При концентрација на нечистотии од 5 g/l, енергијата на активирање е 205,85 kJ/mol, што е за 8,27% пониско од енергијата на активирање при концентрација на нечистотии од 2,5 g/l. Намалувањето на енергијата на активирање укажува на тоа дека процесот на кристализација е олеснет, што доведува до зголемување на стапката на раст на кристалите и приносот на кристали.
(a) Вклопување на графиконот на ln(kg) наспроти 1/T и (b) енергија на активирање на пр. на кристализација при различни концентрации на нечистотии.
Механизмот на раст на кристалите беше испитан со XRD и FTIR спектроскопија, а кинетиката на раст на кристалите и енергијата на активирање беа анализирани. Слика 6 ги прикажува резултатите од XRD. Податоците се во согласност со PDF #08–0470, што укажува дека станува збор за α-NiSO4 6H2O (црвен силициум диоксид). Кристалот припаѓа на тетрагоналниот систем, просторната група е P41212, параметрите на единечната ќелија се a = b = 6,782 Å, c = 18,28 Å, α = β = γ = 90°, а волуменот е 840,8 Å3. Овие резултати се во согласност со резултатите претходно објавени од Маноменова и др. 19 Воведувањето на NH4+ јони, исто така, доведува до формирање на (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Податоците припаѓаат на PDF бр. 31–0062. Кристалот припаѓа на моноклиничниот систем, просторна група P21/a, параметрите на единечната ќелија се a = 9,186 Å, b = 12,468 Å, c = 6,242 Å, α = γ = 90°, β = 106,93°, а волуменот е 684 Å3. Овие резултати се во согласност со претходната студија објавена од Su et al.20.
Рендгенски дифракциски шеми на кристали од никел сулфат: (a–b) 0,5%, (c–d) 1%, (e–f) 1,5% и (g–h) однос на сеење од 2%. Десната слика е зголемен приказ на левата слика.
Како што е прикажано на сликите 6б, г, ф и ж, 2,5 g/L е највисоката граница на концентрација на амониум во раствор без формирање на дополнителна сол. Кога концентрацијата на нечистотии е 3,75 и 5 g/L, NH4+ јоните се инкорпорираат во кристалната структура за да ја формираат комплексната сол (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Според податоците, интензитетот на врвот на комплексната сол се зголемува како што концентрацијата на нечистотии се зголемува од 3,75 на 5 g/L, особено на 2θ 16,47° и 17,44°. Зголемувањето на врвот на комплексната сол се должи исклучиво на принципот на хемиска рамнотежа. Сепак, се забележуваат некои абнормални врвови на 2θ 16,47°, што може да се припише на еластичната деформација на кристалот.21 Резултатите од карактеризацијата исто така покажуваат дека повисокиот сооднос на сеење резултира со намалување на интензитетот на врвот на комплексната сол. Повисокиот сооднос на сеење го забрзува процесот на кристализација, што доведува до значително намалување на растворената супстанца. Во овој случај, процесот на раст на кристалите е концентриран на семето, а формирањето на нови фази е попречено од намалената презаситеност на растворот. Спротивно на тоа, кога односот на семето е низок, процесот на кристализација е бавен, а презаситеноста на растворот останува на релативно високо ниво. Оваа ситуација ја зголемува веројатноста за нуклеација на помалку растворливата двојна сол (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Податоците за интензитетот на врвовите за двојната сол се дадени во Табела 3.
FTIR карактеризацијата беше извршена за да се испитаат какви било нарушувања или структурни промени во решетката на домаќинот поради присуството на NH4+ јони. Карактеризирани беа примероци со константен сооднос на сеење од 2%. Слика 7 ги прикажува резултатите од FTIR карактеризацијата. Широките врвови забележани на 3444, 3257 и 1647 cm−1 се должат на O–H режимите на истегнување на молекулите. Врвовите на 2370 и 2078 cm−1 ги претставуваат меѓумолекуларните водородни врски помеѓу молекулите на вода. Лентата на 412 cm−1 се припишува на Ni–O вибрациите на истегнување. Покрај тоа, слободните SO4− јони покажуваат четири главни режими на вибрации на 450 (υ2), 630 (υ4), 986 (υ1) и 1143 и 1100 cm−1 (υ3). Симболите υ1-υ4 ги претставуваат својствата на вибрационите модови, каде што υ1 го претставува недегенеративниот мод (симетрично истегнување), υ2 го претставува двојно дегенерираниот мод (симетрично свиткување), а υ3 и υ4 ги претставуваат тројно дегенерираните модови (асиметрично истегнување и асиметрично свиткување, соодветно). 22,23,24 Резултатите од карактеризацијата покажуваат дека присуството на амониумски нечистотии дава дополнителен пик на брановиот број од 1143 cm-1 (означено со црвен круг на сликата). Дополнителниот пик на 1143 cm-1 укажува дека присуството на NH4+ јони, без оглед на концентрацијата, предизвикува дисторзија на структурата на решетката, што доведува до промена на фреквенцијата на вибрации на молекулите на сулфатни јони во кристалот.
Врз основа на резултатите од XRD и FTIR поврзани со кинетичкото однесување на растот на кристалите и енергијата на активирање, Слика 8 ја прикажува шематската слика на процесот на кристализација на никел сулфат хексахидрат со додавање на NH4+ нечистотии. Во отсуство на нечистотии, Ni2+ јоните ќе реагираат со H2O за да формираат никел хидрат [Ni(6H2O)]2−. Потоа, никел хидратот спонтано се комбинира со SO42− јони за да формира јадра Ni(SO4)2 6H2O и расте во кристали од никел сулфат хексахидрат. Кога во растворот се додава помала концентрација на амониумски нечистотии (2,5 g/L или помалку), [Ni(6H2O)]2− е тешко целосно да се комбинира со SO42− јони бидејќи [Ni(6H2O)]2− и NH4+ јони се натпреваруваат за комбинирање со SO42− јони, иако сè уште има доволно сулфатни јони за да реагираат со двата јони. Оваа ситуација доведува до зголемување на енергијата на активирање на кристализацијата и забавување на растот на кристалите. 14,25 Откако ќе се формираат јадрата на никел сулфат хексахидрат и ќе се развијат во кристали, повеќекратни NH4+ и (NH4)2SO4 јони се адсорбираат на површината на кристалот. Ова објаснува зошто функционалната група на јонот SO4− (бранов број 1143 cm−1) во примероците NSH-8 и NSH-12 останува формирана без процес на допир. Кога концентрацијата на нечистотии е висока, NH4+ јоните почнуваат да се инкорпорираат во кристалната структура, формирајќи двојни соли. 16 Овој феномен се јавува поради недостаток на јони SO42− во растворот, а јоните SO42− се врзуваат за хидратите на никел побрзо отколку за јоните на амониум. Овој механизам го поттикнува нуклеирањето и растот на двојните соли. За време на процесот на легирање, истовремено се формираат јадра Ni(SO4)2 6H2O и (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O, што доведува до зголемување на бројот на добиени јадра. Зголемувањето на бројот на јадра го поттикнува забрзувањето на растот на кристалите и намалувањето на енергијата на активација.
Хемиската реакција на растворање на никел сулфат хексахидрат во вода, додавање на мала количина и голема количина на амониум сулфат, а потоа спроведување на процесот на кристализација може да се изрази на следниов начин:
Резултатите од карактеризацијата на SEM се прикажани на Слика 9. Резултатите од карактеризацијата покажуваат дека количината на додадена амониумова сол и односот на сеење не влијаат значително на обликот на кристалот. Големината на формираните кристали останува релативно константна, иако на некои места се појавуваат поголеми кристали. Сепак, потребна е понатамошна карактеризација за да се утврди ефектот на концентрацијата на амониумова сол и односот на сеење врз просечната големина на формираните кристали.
Кристална морфологија на NiSO4 6H2O: (a–e) 0,5%, (f–j) 1%, (h–o) 1,5% и (p–u) 2% сооднос на семето што ја покажува промената на концентрацијата на NH4+ од горе кон долу, што е 0, 1,25, 2,5, 3,75 и 5 g/L, соодветно.
Слика 10a ги прикажува TGA кривите на кристалите со различни концентрации на нечистотии. TGA анализата е извршена на примероците со коефициент на сеење од 2%. XRD анализата е извршена и на примерокот NSH-20 за да се утврдат формираните соединенија. XRD резултатите прикажани на Слика 10b ги потврдуваат промените во кристалната структура. Термогравиметриските мерења покажуваат дека сите синтетизирани кристали покажуваат термичка стабилност до 80°C. Последователно, тежината на кристалот се намалила за 35% кога температурата се зголемила на 200°C. Губењето на тежината на кристалите се должи на процесот на распаѓање, кој вклучува губење на 5 молекули на вода за да се формира NiSO4 H2O. Кога температурата се зголемила на 300–400°C, тежината на кристалите повторно се намалила. Губењето на тежината на кристалите било околу 6,5%, додека губењето на тежината на примерокот од кристал NSH-20 било малку поголемо, точно 6,65%. Распаѓањето на NH4+ јони во NH3 гас во примерокот NSH-20 резултирало со малку поголема редуцибилност. Со зголемувањето на температурата од 300 на 400°C, тежината на кристалите се намалуваше, што резултираше со тоа што сите кристали имаа структура NiSO4. Зголемувањето на температурата од 700°C на 800°C предизвика кристалната структура да се трансформира во NiO, предизвикувајќи ослободување на гасови SO2 и O2.25,26
Чистотата на кристалите на никел сулфат хексахидрат беше определена со проценка на концентрацијата на NH4+ со помош на DC-Arc ICP-MS инструмент. Чистотата на кристалите на никел сулфат беше определена со користење на формулата (5).
Каде што Ma е масата на нечистотиите во кристалот (mg), Mo е масата на кристалот (mg), Ca е концентрацијата на нечистотиите во растворот (mg/l), V е волуменот на растворот (l).
Слика 11 ја прикажува чистотата на кристалите на никел сулфат хексахидрат. Вредноста на чистотата е просечна вредност од 3 карактеристики. Резултатите покажуваат дека односот на сеење и концентрацијата на нечистотии директно влијаат на чистотата на формираните кристали на никел сулфат. Колку е поголема концентрацијата на нечистотии, толку е поголема апсорпцијата на нечистотии, што резултира со помала чистота на формираните кристали. Сепак, шемата на апсорпција на нечистотиите може да се промени во зависност од концентрацијата на нечистотии, а графиконот на резултатите покажува дека вкупната апсорпција на нечистотии од кристалите не се менува значително. Покрај тоа, овие резултати покажуваат и дека повисокиот однос на сеење може да ја подобри чистотата на кристалите. Овој феномен е можен затоа што кога повеќето од формираните кристални јадра се концентрирани на јадрата на никел, веројатноста за акумулирање на јони на никел на никелот е поголема. 27
Студијата покажа дека амониумските јони (NH4+) значително влијаат врз процесот на кристализација и кристалните својства на кристалите на никел сулфат хексахидрат, а исто така откри и влијание на односот на семето врз процесот на кристализација.
При концентрации на амониум над 2,5 g/l, приносот на кристали и стапката на раст на кристалите се намалуваат. При концентрации на амониум над 2,5 g/l, приносот на кристали и стапката на раст на кристалите се зголемуваат.
Додавањето на нечистотии во растворот на никел ја зголемува конкуренцијата помеѓу NH4+ и [Ni(6H2O)]2− јони за SO42−, што доведува до зголемување на енергијата на активирање. Намалувањето на енергијата на активирање по додавање на високи концентрации на нечистотии се должи на влегувањето на NH4+ јони во кристалната структура, со што се формира двојната сол (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O.
Користењето на повисок сооднос на сеење може да го подобри приносот на кристали, стапката на раст на кристалите и чистотата на кристалите на никел сулфат хексахидрат.
Демирел, ХС, и др. Кристализација со антирастворувач на хидрат на никел сулфат од квалитет на батерии за време на обработка на латерит. Септемвриска технологија за прочистување, 286, 120473. https://doi.org/10.1016/J.SEPPUR.2022.120473 (2022).
Сагунтала, П. и Јасота, П. Оптички примени на кристали од никел сулфат на високи температури: Студии за карактеризација со додадени аминокиселини како допанти. Mater. Today Proc. 9, 669–673. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2018.10.391 (2019).
Бабаахмади, В., и др. Електродепозиција на никелни обрасци на текстилни површини со печатење со посредство на полиол на редуциран графен оксид. Весник за физичко и хемиско инженерство на колоидни површини 703, 135203. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2024.135203 (2024).
Фрејзер, Ј., Андерсон, Ј., Лазуен, Ј., и др. „Идна побарувачка и безбедност на снабдувањето со никел за батерии за електрични возила“. Канцеларија за публикации на Европската Унија; (2021). https://doi.org/10.2760/212807
Хан, Б., Бекман, О., Вилсон, БП, Лундстром, М. и Лухи-Култанен, М. Прочистување на никел сулфат со сериска кристализација со ладење. Технологија на хемиско инженерство 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/CEAT.201800695 (2019).
Ма, Ј. и др. Примена на методи на таложење и кристализација во производството на метални соли за материјали за литиум-јонски батерии: преглед. Метали. 10(12), 1-16. https://doi.org/10.3390/MET10121609 (2020).
Масалов, В.М. и др. Раст на монокристали на никел сулфат хексахидрат (α-NiSO4.6H2O) под услови на стационарен градиент на температурата. Кристалографија. 60(6), 963–969. https://doi.org/10.1134/S1063774515060206 (2015).
Choudhury, RR et al. Кристали на α-никел сулфат хексахидрат: Однос помеѓу условите на раст, кристалната структура и својствата. JApCr. 52, 1371–1377. https://doi.org/10.1107/S1600576719013797FILE (2019).
Хан, Б., Бекман, О., Вилсон, БП, Лундстром, М. и Лухи-Култанен, М. Пречистување на никел сулфат со кристализација со ладење во серија. Технологија на хемиско инженерство 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/ceat.201800695 (2019).