Asante kwa kutembelea nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie toleo jipya la kivinjari (au uzime hali ya utangamano katika Internet Explorer). Zaidi ya hayo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tovuti hii haitajumuisha mitindo au JavaScript.
Utafiti huu unachunguza athari za uchafu wa NH4+ na uwiano wa mbegu kwenye utaratibu wa ukuaji na utendaji wa heksahidrati ya nikeli sulfate chini ya ufuweleshaji usioendelea wa kupoeza, na unachunguza athari za uchafu wa NH4+ kwenye utaratibu wa ukuaji, sifa za joto, na vikundi vya utendaji kazi vya heksahidrati ya nikeli sulfate. Katika viwango vya chini vya uchafu, ioni za Ni2+ na NH4+ hushindana na SO42− kwa ajili ya kufungamana, na kusababisha mavuno ya fuwele yaliyopungua na kiwango cha ukuaji na kuongezeka kwa nishati ya uanzishaji wa fuwele. Katika viwango vya juu vya uchafu, ioni za NH4+ hujumuishwa kwenye muundo wa fuwele ili kuunda chumvi changamano (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Uundaji wa chumvi changamano husababisha mavuno ya fuwele yaliyoongezeka na kiwango cha ukuaji na kupungua kwa nishati ya uanzishaji wa fuwele. Uwepo wa viwango vya juu na vya chini vya ioni za NH4+ husababisha upotoshaji wa kimiani, na fuwele hizo ni thabiti kwa joto hadi 80 °C. Kwa kuongezea, ushawishi wa uchafu wa NH4+ kwenye utaratibu wa ukuaji wa fuwele ni mkubwa kuliko ule wa uwiano wa mbegu. Wakati mkusanyiko wa uchafu ukiwa mdogo, uchafu ni rahisi kushikamana na fuwele; Wakati mkusanyiko ni mkubwa, uchafu ni rahisi kuingiza ndani ya fuwele. Uwiano wa mbegu unaweza kuongeza sana mavuno ya fuwele na kuboresha kidogo usafi wa fuwele.
Heksahidrati ya nikeli salfeti (NiSO4 6H2O) sasa ni nyenzo muhimu inayotumika katika tasnia mbalimbali, ikiwa ni pamoja na utengenezaji wa betri, uchongaji wa umeme, vichocheo, na hata katika uzalishaji wa chakula, mafuta, na manukato. 1,2,3 Umuhimu wake unaongezeka kutokana na maendeleo ya haraka ya magari ya umeme, ambayo hutegemea sana betri za lithiamu-ion (LiB) zenye msingi wa nikeli. Matumizi ya aloi zenye nikeli nyingi kama vile NCM 811 yanatarajiwa kutawala ifikapo mwaka wa 2030, na kuongeza zaidi mahitaji ya heksahidrati ya nikeli salfeti. Hata hivyo, kutokana na vikwazo vya rasilimali, uzalishaji huenda usiendane na mahitaji yanayoongezeka, na kuunda pengo kati ya usambazaji na mahitaji. Uhaba huu umeibua wasiwasi kuhusu upatikanaji wa rasilimali na uthabiti wa bei, na kuangazia hitaji la uzalishaji bora wa sulfate ya nikeli yenye ubora wa juu na thabiti ya kiwango cha betri. 1,4
Uzalishaji wa heksahidrati ya nikeli salfeti kwa ujumla hupatikana kwa kuunganika. Miongoni mwa njia mbalimbali, njia ya kupoeza ni njia inayotumika sana, ambayo ina faida za matumizi ya chini ya nishati na uwezo wa kutoa vifaa vya usafi wa hali ya juu. 5,6 Utafiti kuhusu kuunganika kwa heksahidrati ya nikeli salfeti kwa kutumia kuunganika kwa kupoeza bila kuendelea umefanya maendeleo makubwa. Kwa sasa, utafiti mwingi unazingatia kuboresha mchakato wa kuunganika kwa kuboresha vigezo kama vile halijoto, kiwango cha kupoeza, ukubwa wa mbegu na pH. 7,8,9 Lengo ni kuongeza mavuno ya fuwele na usafi wa fuwele zilizopatikana. Hata hivyo, licha ya utafiti wa kina wa vigezo hivi, bado kuna pengo kubwa katika umakini unaolipwa kwa ushawishi wa uchafu, hasa amonia (NH4+), kwenye matokeo ya kuunganika.
Uchafu wa amonia unaweza kuwepo katika myeyusho wa nikeli unaotumika kwa ajili ya ufuwele wa nikeli kutokana na uwepo wa uchafu wa amonia wakati wa mchakato wa uchimbaji. Amonia hutumika sana kama wakala wa saponifying, ambao huacha kiasi kidogo cha NH4+ katika myeyusho wa nikeli. 10,11,12 Licha ya kuenea kwa uchafu wa amonia, athari zake kwenye sifa za fuwele kama vile muundo wa fuwele, utaratibu wa ukuaji, sifa za joto, usafi, n.k. bado hazieleweki vizuri. Utafiti mdogo kuhusu athari zake ni muhimu kwa sababu uchafu unaweza kuzuia au kubadilisha ukuaji wa fuwele na, katika baadhi ya matukio, hufanya kama vizuizi, na kuathiri mpito kati ya aina za fuwele zinazoweza kumeta na imara. 13,14 Kwa hivyo, kuelewa athari hizi ni muhimu kutoka kwa mtazamo wa viwanda kwa sababu uchafu unaweza kuathiri ubora wa bidhaa.
Kulingana na swali maalum, utafiti huu ulilenga kuchunguza athari za uchafu wa amonia kwenye sifa za fuwele za nikeli. Kwa kuelewa athari za uchafu, mbinu mpya zinaweza kutengenezwa ili kudhibiti na kupunguza athari zake mbaya. Utafiti huu pia ulichunguza uhusiano kati ya mkusanyiko wa uchafu na mabadiliko katika uwiano wa mbegu. Kwa kuwa mbegu hutumika sana katika mchakato wa uzalishaji, vigezo vya mbegu vilitumika katika utafiti huu, na ni muhimu kuelewa uhusiano kati ya mambo haya mawili. 15 Athari za vigezo hivi viwili zilitumika kusoma mavuno ya fuwele, utaratibu wa ukuaji wa fuwele, muundo wa fuwele, mofolojia, na usafi. Kwa kuongezea, tabia ya kinetiki, sifa za joto, na vikundi vya utendaji kazi vya fuwele chini ya ushawishi wa uchafu wa NH4+ pekee vilichunguzwa zaidi.
Nyenzo zilizotumika katika utafiti huu zilikuwa nikeli salfeti heksahidrati (NiSO 6H2O, ≥ 99.8%) zilizotolewa na GEM; ammonium salfeti ((NH)SO, ≥ 99%) iliyonunuliwa kutoka Tianjin Huasheng Co., Ltd.; maji yaliyosafishwa. Fuwele ya mbegu iliyotumika ilikuwa NiSO 6H2O, iliyosagwa na kuchujwa ili kupata ukubwa sawa wa chembe ya 0.154 mm. Sifa za NiSO 6H2O zinaonyeshwa katika Jedwali 1 na Mchoro 1.
Athari ya uchafu wa NH4+ na uwiano wa mbegu kwenye ufuaji wa heksahidrati ya nikeli salfeti ilichunguzwa kwa kutumia upoezaji wa vipindi. Majaribio yote yalifanywa kwa halijoto ya awali ya 25 °C. 25 °C ilichaguliwa kama halijoto ya ufuaji kwa kuzingatia mapungufu ya udhibiti wa halijoto wakati wa kuchuja. Ufuaji unaweza kusababishwa na kushuka kwa ghafla kwa halijoto wakati wa kuchuja myeyusho ya moto kwa kutumia faneli ya Buchner yenye halijoto ya chini. Mchakato huu unaweza kuathiri pakubwa kinetiki, ufyonzaji wa uchafu, na sifa mbalimbali za fuwele.
Mmumunyo wa nikeli uliandaliwa kwanza kwa kuyeyusha gramu 224 za NiSO4 6H2O katika mililita 200 za maji yaliyochemshwa. Kiwango kilichochaguliwa kinalingana na kiwango cha juu cha kujaa (S) = 1.109. Kiwango cha juu cha kujaa kiliamuliwa kwa kulinganisha umumunyifu wa fuwele za nikeli za sulfate zilizoyeyushwa na umumunyifu wa heksahidrati ya nikeli za sulfate kwa nyuzi joto 25. Kiwango cha chini cha kujaa kilichaguliwa ili kuzuia fuwele za ghafla wakati halijoto ilipunguzwa hadi ile ya awali.
Athari ya mkusanyiko wa ioni za NH4+ kwenye mchakato wa ufuwele ilichunguzwa kwa kuongeza (NH4)2SO4 kwenye myeyusho wa nikeli. Viwango vya ioni za NH4+ vilivyotumika katika utafiti huu vilikuwa 0, 1.25, 2.5, 3.75, na 5 g/L. Myeyusho ulipashwa moto kwa 60 °C kwa dakika 30 huku ukikoroga kwa 300 rpm ili kuhakikisha mchanganyiko sare. Kisha myeyusho ulipozwa hadi halijoto ya mmenyuko inayotakiwa. Wakati halijoto ilipofikia 25 °C, kiasi tofauti cha fuwele za mbegu (uwiano wa mbegu wa 0.5%, 1%, 1.5%, na 2%) viliongezwa kwenye myeyusho. Uwiano wa mbegu ulibainishwa kwa kulinganisha uzito wa mbegu na uzito wa NiSO4 6H2O katika myeyusho.
Baada ya kuongeza fuwele za mbegu kwenye myeyusho, mchakato wa ufulishaji ulitokea kiasili. Mchakato wa ufulishaji uliendelea kwa dakika 30. Myeyusho ulichujwa kwa kutumia kichujio cha kuchuja ili kutenganisha zaidi fuwele zilizokusanywa kutoka kwa myeyusho. Wakati wa mchakato wa uchulishaji, fuwele hizo zilioshwa mara kwa mara na ethanoli ili kupunguza uwezekano wa ufulishaji upya na kupunguza mshikamano wa uchafu kwenye myeyusho kwenye uso wa fuwele. Ethanoli ilichaguliwa kuosha fuwele hizo kwa sababu fuwele haziyeyuki katika ethanoli. Fuwele zilizochujwa ziliwekwa kwenye kiangulio cha maabara kwa nyuzi joto 50. Vigezo vya kina vya majaribio vilivyotumika katika utafiti huu vimeonyeshwa katika Jedwali la 2.
Muundo wa fuwele ulibainishwa kwa kutumia kifaa cha XRD (SmartLab SE—HyPix-400) na uwepo wa misombo ya NH4+ uligunduliwa. Uainishaji wa SEM (Apreo 2 HiVac) ulifanywa ili kuchambua mofolojia ya fuwele. Sifa za joto za fuwele zilibainishwa kwa kutumia kifaa cha TGA (TG-209-F1 Libra). Makundi ya utendaji kazi yalichambuliwa na FTIR (JASCO-FT/IR-4X). Usafi wa sampuli ulibainishwa kwa kutumia kifaa cha ICP-MS (Prodigy DC Arc). Sampuli iliandaliwa kwa kuyeyusha 0.5 g ya fuwele katika 100 mL ya maji yaliyosafishwa. Mavuno ya fuwele (x) yalihesabiwa kwa kugawanya uzito wa fuwele inayotoka kwa uzito wa fuwele inayoingia kulingana na fomula (1).
ambapo x ni mavuno ya fuwele, yanayotofautiana kutoka 0 hadi 1, mdomo ni uzito wa fuwele zinazotoka (g), min ni uzito wa fuwele zinazoingia (g), msol ni uzito wa fuwele zilizo kwenye myeyusho, na mbegu mseed ni uzito wa fuwele za mbegu.
Mavuno ya fuwele yalichunguzwa zaidi ili kubaini kinetiki za ukuaji wa fuwele na kukadiria thamani ya nishati ya uanzishaji. Utafiti huu ulifanywa kwa uwiano wa mbegu wa 2% na utaratibu sawa wa majaribio kama hapo awali. Vigezo vya kinetiki za fuwele za isothermal viliamuliwa kwa kutathmini mavuno ya fuwele kwa nyakati tofauti za fuwele (dakika 10, 20, 30, na 40) na halijoto ya awali (25, 30, 35, na 40 °C). Viwango vilivyochaguliwa katika halijoto ya awali vililingana na thamani za kujaa kupita kiasi (S) za 1.109, 1.052, 1, na 0.953, mtawalia. Thamani ya kujaa kupita kiasi iliamuliwa kwa kulinganisha umumunyifu wa fuwele za nikeli sulfate zilizoyeyushwa na umumunyifu wa nikeli sulfate heksahidrati katika halijoto ya awali. Katika utafiti huu, umumunyifu wa NiSO4 6H2O katika mL 200 za maji katika halijoto tofauti bila uchafu unaonyeshwa kwenye Mchoro 2.
Johnson-Mail-Avrami (nadharia ya JMA) hutumika kuchambua tabia ya ufuwele wa isothermal. Nadharia ya JMA huchaguliwa kwa sababu mchakato wa ufuwele hautokei hadi fuwele za mbegu ziongezwe kwenye myeyusho. Nadharia ya JMA imeelezewa kama ifuatavyo:
Ambapo x(t) inawakilisha mpito kwa wakati t, k inawakilisha kiwango cha mpito kisichobadilika, t inawakilisha wakati wa mpito, na n inawakilisha faharasa ya Avrami. Fomula 3 inatokana na fomula (2). Nishati ya uanzishaji wa fuwele huamuliwa kwa kutumia mlinganyo wa Arrhenius:
Ambapo kg ni kiwango cha mmenyuko thabiti, k0 ni kiwango kisichobadilika, Mf ni nishati ya uanzishaji wa ukuaji wa fuwele, R ni kiwango cha gesi ya molari kisichobadilika (R=8.314 J/mol K), na T ni halijoto ya fuwele ya isothermal (K).
Mchoro 3a unaonyesha kuwa uwiano wa mbegu na mkusanyiko wa dopant huathiri mavuno ya fuwele za nikeli. Wakati mkusanyiko wa dopant katika myeyusho uliongezeka hadi 2.5 g/L, mavuno ya fuwele yalipungua kutoka 7.77% hadi 6.48% (uwiano wa mbegu wa 0.5%) na kutoka 10.89% hadi 10.32% (uwiano wa mbegu wa 2%). Ongezeko zaidi la mkusanyiko wa dopant lilisababisha ongezeko linalolingana la mavuno ya fuwele. Mavuno ya juu zaidi yalifikia 17.98% wakati uwiano wa mbegu ulikuwa 2% na mkusanyiko wa dopant ulikuwa 5 g/L. Mabadiliko katika muundo wa mavuno ya fuwele pamoja na ongezeko la mkusanyiko wa dopant yanaweza kuhusishwa na mabadiliko katika utaratibu wa ukuaji wa fuwele. Wakati mkusanyiko wa dopant ukiwa mdogo, ioni za Ni2+ na NH4+ hushindana kwa kuunganishwa na SO42−, ambayo husababisha ongezeko la umumunyifu wa nikeli katika myeyusho na kupungua kwa mavuno ya fuwele. 14 Wakati mkusanyiko wa uchafu ukiwa juu, mchakato wa ushindani bado hutokea, lakini baadhi ya ioni za NH4+ hushirikiana na ioni za nikeli na sulfate ili kuunda chumvi maradufu ya nikeli sulfate ya amonia. 16 Uundaji wa chumvi maradufu husababisha kupungua kwa umumunyifu wa myeyusho, na hivyo kuongeza mavuno ya fuwele. Kuongeza uwiano wa mbegu kunaweza kuboresha mavuno ya fuwele kila mara. Mbegu zinaweza kuanzisha mchakato wa nucleation na ukuaji wa fuwele wa ghafla kwa kutoa eneo la awali la uso kwa ioni za myeyusho kupanga na kuunda fuwele. Kadri uwiano wa mbegu unavyoongezeka, eneo la awali la uso kwa ioni kupanga huongezeka, kwa hivyo fuwele zaidi zinaweza kuundwa. Kwa hivyo, kuongeza uwiano wa mbegu kuna athari ya moja kwa moja kwenye kiwango cha ukuaji wa fuwele na mavuno ya fuwele. 17
Vigezo vya NiSO4 6H2O: (a) mavuno ya fuwele na (b) pH ya myeyusho wa nikeli kabla na baada ya chanjo.
Mchoro 3b unaonyesha kwamba uwiano wa mbegu na mkusanyiko wa dopant huathiri pH ya myeyusho wa nikeli kabla na baada ya kuongezwa kwa mbegu. Madhumuni ya kufuatilia pH ya myeyusho ni kuelewa mabadiliko katika usawa wa kemikali katika myeyusho. Kabla ya kuongeza fuwele za mbegu, pH ya myeyusho huelekea kupungua kutokana na uwepo wa ioni za NH4+ zinazotoa protoni za H+. Kuongeza mkusanyiko wa dopant husababisha protoni zaidi za H+ kutolewa, na hivyo kupunguza pH ya myeyusho. Baada ya kuongeza fuwele za mbegu, pH ya myeyusho yote huongezeka. Mwelekeo wa pH unahusiana vyema na mwenendo wa mavuno ya fuwele. Thamani ya chini kabisa ya pH ilipatikana kwa mkusanyiko wa dopant wa 2.5 g/L na uwiano wa mbegu wa 0.5%. Kadri mkusanyiko wa dopant unavyoongezeka hadi 5 g/L, pH ya myeyusho huongezeka. Jambo hili linaeleweka kabisa, kwani upatikanaji wa ioni za NH4+ katika myeyusho hupungua ama kutokana na kunyonya, au kutokana na kuingizwa, au kutokana na kunyonya na kuingizwa kwa ioni za NH4+ na fuwele.
Majaribio na uchambuzi wa mavuno ya fuwele ulifanywa zaidi ili kubaini tabia ya kinetiki ya ukuaji wa fuwele na kuhesabu nishati ya uanzishaji wa ukuaji wa fuwele. Vigezo vya kinetiki ya ufuwele wa isothermal vilielezewa katika sehemu ya Mbinu. Mchoro 4 unaonyesha njama ya Johnson-Mehl-Avrami (JMA) ambayo inaonyesha tabia ya kinetiki ya ukuaji wa fuwele ya nikeli sulfate. njama hiyo ilizalishwa kwa kuchora thamani ya ln[− ln(1− x(t))] dhidi ya thamani ya ln t (Mlinganyo 3). Thamani za gradient zilizopatikana kutoka kwa njama hiyo zinalingana na thamani za faharasa ya JMA (n) ambazo zinaonyesha vipimo vya fuwele inayokua na utaratibu wa ukuaji. Wakati thamani ya mwisho inaonyesha kiwango cha ukuaji ambacho kinawakilishwa na ln k isiyobadilika. Thamani za faharasa ya JMA (n) zinaanzia 0.35 hadi 0.75. Thamani hii ya n inaonyesha kwamba fuwele zina ukuaji wa pande moja na hufuata utaratibu wa ukuaji unaodhibitiwa na uenezaji; 0 < n < 1 inaonyesha ukuaji wa pande moja, huku n < 1 ikionyesha utaratibu wa ukuaji unaodhibitiwa na uenezaji. 18 Kiwango cha ukuaji wa k isiyobadilika hupungua kadri halijoto inavyoongezeka, ikionyesha kwamba mchakato wa fuwele hutokea haraka zaidi katika halijoto ya chini. Hii inahusiana na ongezeko la kujaa kwa myeyusho katika halijoto ya chini.
Vipimo vya Johnson-Mehl-Avrami (JMA) vya heksahidrati ya nikeli salfeti katika halijoto tofauti za fuwele: (a) 25 °C, (b) 30 °C, (c) 35 °C na (d) 40 °C.
Kuongezwa kwa viambato kulionyesha muundo sawa wa kiwango cha ukuaji katika halijoto zote. Wakati mkusanyiko wa viambato ulikuwa 2.5 g/L, kiwango cha ukuaji wa fuwele kilipungua, na wakati mkusanyiko wa viambato ulikuwa juu kuliko 2.5 g/L, kiwango cha ukuaji wa fuwele kiliongezeka. Kama ilivyotajwa hapo awali, mabadiliko katika muundo wa kiwango cha ukuaji wa fuwele ni kutokana na mabadiliko katika utaratibu wa mwingiliano kati ya ioni katika myeyusho. Wakati mkusanyiko wa viambato ukiwa mdogo, mchakato wa ushindani kati ya ioni katika myeyusho huongeza umumunyifu wa myeyusho, na hivyo kupunguza kiwango cha ukuaji wa fuwele. 14 Zaidi ya hayo, kuongezwa kwa viwango vya juu vya viambato husababisha mchakato wa ukuaji kubadilika sana. Wakati mkusanyiko wa viambato unazidi 3.75 g/L, viini vipya vya fuwele huundwa, ambayo husababisha kupungua kwa umumunyifu wa myeyusho, na hivyo kuongeza kiwango cha ukuaji wa fuwele. Uundaji wa viini vipya vya fuwele unaweza kuonyeshwa kwa kuundwa kwa chumvi maradufu (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. 16 Wakati wa kujadili utaratibu wa ukuaji wa fuwele, matokeo ya mtawanyiko wa X-ray yanathibitisha uundaji wa chumvi maradufu.
Kitendakazi cha njama ya JMA kilitathminiwa zaidi ili kubaini nishati ya uanzishaji wa fuwele. Nishati ya uanzishaji ilihesabiwa kwa kutumia mlinganyo wa Arrhenius (umeonyeshwa katika Mlinganyo (4)). Mchoro 5a unaonyesha uhusiano kati ya thamani ya ln(kg) na thamani ya 1/T. Kisha, nishati ya uanzishaji ilihesabiwa kwa kutumia thamani ya gradient iliyopatikana kutoka kwa njama. Mchoro 5b unaonyesha thamani za nishati ya uanzishaji wa fuwele chini ya viwango tofauti vya uchafu. Matokeo yanaonyesha kuwa mabadiliko katika mkusanyiko wa uchafu huathiri nishati ya uanzishaji. Nishati ya uanzishaji wa fuwele za nikeli sulfate bila uchafu ni 215.79 kJ/mol. Wakati mkusanyiko wa uchafu unafikia 2.5 g/L, nishati ya uanzishaji huongezeka kwa 3.99% hadi 224.42 kJ/mol. Ongezeko la nishati ya uanzishaji linaonyesha kuwa kizuizi cha nishati cha mchakato wa fuwele huongezeka, ambayo itasababisha kupungua kwa kiwango cha ukuaji wa fuwele na mavuno ya fuwele. Wakati mkusanyiko wa uchafu ni zaidi ya 2.5 g/L, nishati ya uanzishaji wa fuwele hupungua sana. Katika kiwango cha uchafu cha 5 g/l, nishati ya uanzishaji ni 205.85 kJ/mol, ambayo ni 8.27% chini kuliko nishati ya uanzishaji katika kiwango cha uchafu cha 2.5 g/l. Kupungua kwa nishati ya uanzishaji kunaonyesha kuwa mchakato wa fuwele unarahisishwa, ambayo husababisha ongezeko la kiwango cha ukuaji wa fuwele na mavuno ya fuwele.
(a) Ufungaji wa grafu ya ln(kg) dhidi ya 1/T na (b) nishati ya uanzishaji Mfano wa fuwele katika viwango tofauti vya uchafu.
Utaratibu wa ukuaji wa fuwele ulichunguzwa kwa kutumia XRD na FTIR spectroscopy, na kinetiki ya ukuaji wa fuwele na nishati ya uanzishaji zilichambuliwa. Mchoro 6 unaonyesha matokeo ya XRD. Data zinaendana na PDF #08–0470, ambayo inaonyesha kuwa ni α-NiSO4 6H2O (silika nyekundu). Fuwele ni ya mfumo wa tetragonal, kundi la nafasi ni P41212, vigezo vya seli ya kitengo ni a = b = 6.782 Å, c = 18.28 Å, α = β = γ = 90°, na ujazo ni 840.8 Å3. Matokeo haya yanaendana na matokeo yaliyochapishwa hapo awali na Manomenova et al. 19 Utangulizi wa ioni za NH4+ pia husababisha uundaji wa (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Data ni ya Nambari ya PDF 31–0062. Fuwele ni ya mfumo wa monoclinic, kundi la nafasi P21/a, vigezo vya seli ya kitengo ni a = 9.186 Å, b = 12.468 Å, c = 6.242 Å, α = γ = 90°, β = 106.93°, na ujazo ni 684 Å3. Matokeo haya yanaendana na utafiti uliopita ulioripotiwa na Su et al.20.
Mifumo ya mtawanyiko wa X-ray ya fuwele za nikeli salfeti: (a–b) uwiano wa mbegu 0.5%, (c–d) 1%, (e–f) 1.5%, na (g–h) 2%. Picha ya kulia ni mwonekano uliopanuliwa wa picha ya kushoto.
Kama inavyoonyeshwa katika Michoro 6b, d, f na h, 2.5 g/L ndio kikomo cha juu zaidi cha mkusanyiko wa amonia katika myeyusho bila kutengeneza chumvi ya ziada. Wakati mkusanyiko wa uchafu ni 3.75 na 5 g/L, ioni za NH4+ huingizwa kwenye muundo wa fuwele ili kuunda chumvi changamano (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Kulingana na data, kiwango cha juu cha chumvi changamano huongezeka kadri mkusanyiko wa uchafu unavyoongezeka kutoka 3.75 hadi 5 g/L, haswa katika 2θ 16.47° na 17.44°. Ongezeko la kilele cha chumvi changamano linatokana tu na kanuni ya usawa wa kemikali. Hata hivyo, baadhi ya vilele visivyo vya kawaida huzingatiwa katika 2θ 16.47°, ambayo inaweza kuhusishwa na mabadiliko ya elastic ya fuwele. 21 Matokeo ya uainishaji pia yanaonyesha kuwa uwiano wa juu wa mbegu husababisha kupungua kwa kiwango cha kilele cha chumvi changamano. Uwiano wa juu wa mbegu huharakisha mchakato wa fuwele, ambao husababisha kupungua kwa kiasi kikubwa kwa myeyusho. Katika hali hii, mchakato wa ukuaji wa fuwele hujikita kwenye mbegu, na uundaji wa awamu mpya huzuiwa na kujaa kwa mchanganyiko wa mchanganyiko. Kwa upande mwingine, uwiano wa mbegu unapokuwa mdogo, mchakato wa kujaa kwa mchanganyiko wa ...
Uainishaji wa FTIR ulifanywa ili kuchunguza tatizo lolote au mabadiliko ya kimuundo katika kimiani ya mwenyeji kutokana na uwepo wa ioni za NH4+. Sampuli zenye uwiano wa mbegu wa 2% zilibainishwa. Mchoro 7 unaonyesha matokeo ya uainishaji wa FTIR. Vilele vipana vilivyoonekana katika 3444, 3257 na 1647 cm−1 vinatokana na njia za kunyoosha za O–H za molekuli. Vilele katika 2370 na 2078 cm−1 vinawakilisha vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli kati ya molekuli za maji. Mstari katika 412 cm−1 unahusishwa na mitetemo ya kunyoosha ya Ni–O. Zaidi ya hayo, ioni za SO4− huru zinaonyesha njia nne kuu za mitetemo katika 450 (υ2), 630 (υ4), 986 (υ1) na 1143 na 1100 cm−1 (υ3). Alama υ1-υ4 zinawakilisha sifa za hali za mtetemo, ambapo υ1 inawakilisha hali isiyoharibika (kunyoosha kwa ulinganifu), υ2 inawakilisha hali ya kupungua maradufu (kunyoosha kwa ulinganifu), na υ3 na υ4 zinawakilisha hali za kupungua kwa ulinganifu kwa mara tatu (kunyoosha kwa ulinganifu na kupinda kwa ulinganifu, mtawalia). 22,23,24 Matokeo ya uainishaji yanaonyesha kuwa uwepo wa uchafu wa amonia hutoa kilele cha ziada katika nambari ya wimbi ya 1143 cm-1 (iliyowekwa alama na duara jekundu kwenye mchoro). Kilele cha ziada katika 1143 cm-1 kinaonyesha kuwa uwepo wa ioni za NH4+, bila kujali mkusanyiko, husababisha upotoshaji wa muundo wa kimiani, ambao husababisha mabadiliko katika masafa ya mtetemo wa molekuli za ioni za sulfate ndani ya fuwele.
Kulingana na matokeo ya XRD na FTIR yanayohusiana na tabia ya kinetiki ya ukuaji wa fuwele na nishati ya uanzishaji, Mchoro 8 unaonyesha mpangilio wa mchakato wa ufuaji wa heksahidrati ya nikeli sulfate pamoja na kuongezwa kwa uchafu wa NH4+. Kwa kukosekana kwa uchafu, ioni za Ni2+ zitaitikia na H2O na kuunda hidrati ya nikeli [Ni(6H2O)]2−. Kisha, hidrati ya nikeli huchanganyika kwa hiari na ioni za SO42− ili kuunda viini vya Ni(SO4)2 6H2O na hukua na kuwa fuwele za heksahidrati ya nikeli sulfate. Wakati mkusanyiko mdogo wa uchafu wa amonia (2.5 g/L au chini) unapoongezwa kwenye myeyusho, [Ni(6H2O)]2− ni vigumu kuchanganyika kabisa na ioni za SO42− kwa sababu ioni za [Ni(6H2O)]2− na NH4+ hushindana kwa mchanganyiko na ioni za SO42−, ingawa bado kuna ioni za sulfate za kutosha kuitikia na ioni zote mbili. Hali hii husababisha ongezeko la nishati ya uanzishaji wa ufuaji na kupungua kwa ukuaji wa fuwele. 14,25 Baada ya viini vya heksahidrati vya nikeli sulfate kuundwa na kukuzwa kuwa fuwele, ioni nyingi za NH4+ na (NH4)2SO4 huingizwa kwenye uso wa fuwele. Hii inaelezea ni kwa nini kundi la utendaji kazi la ioni za SO4− (nambari ya wimbi 1143 cm−1) katika sampuli za NSH-8 na NSH-12 hubakia bila mchakato wa kutumia dawa za kulevya. Wakati mkusanyiko wa uchafu ukiwa juu, ioni za NH4+ huanza kuingizwa kwenye muundo wa fuwele, na kutengeneza chumvi mbili. 16 Jambo hili hutokea kutokana na ukosefu wa ioni za SO42− katika myeyusho, na ioni za SO42− hufungamana na hidrati za nikeli haraka kuliko ioni za amonia. Utaratibu huu unakuza nukta na ukuaji wa chumvi mbili. Wakati wa mchakato wa uchanganyaji, viini vya Ni(SO4)2 6H2O na (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O huundwa kwa wakati mmoja, ambayo husababisha ongezeko la idadi ya viini vilivyopatikana. Ongezeko la idadi ya viini huchochea kasi ya ukuaji wa fuwele na kupungua kwa nishati ya uanzishaji.
Mwitikio wa kemikali wa kuyeyusha heksahidrati ya nikeli sulfate katika maji, na kuongeza kiasi kidogo na kiasi kikubwa cha amonia sulfate, na kisha kutekeleza mchakato wa fuwele unaweza kuonyeshwa kama ifuatavyo:
Matokeo ya uainishaji wa SEM yanaonyeshwa kwenye Mchoro 9. Matokeo ya uainishaji yanaonyesha kwamba kiasi cha chumvi ya amonia kilichoongezwa na uwiano wa mbegu haziathiri sana umbo la fuwele. Ukubwa wa fuwele zilizoundwa unabaki kuwa sawa, ingawa fuwele kubwa huonekana katika baadhi ya sehemu. Hata hivyo, uainishaji zaidi bado unahitajika ili kubaini athari ya mkusanyiko wa chumvi ya amonia na uwiano wa mbegu kwenye ukubwa wa wastani wa fuwele zilizoundwa.
Mofolojia ya fuwele ya NiSO4 6H2O: (a–e) 0.5%, (f–j) 1%, (h–o) 1.5% na (p–u) uwiano wa mbegu 2% unaoonyesha mabadiliko ya mkusanyiko wa NH4+ kutoka juu hadi chini, ambayo ni 0, 1.25, 2.5, 3.75 na 5 g/L, mtawalia.
Mchoro 10a unaonyesha mikunjo ya TGA ya fuwele zenye viwango tofauti vya uchafu. Uchambuzi wa TGA ulifanyika kwenye sampuli zenye uwiano wa mbegu wa 2%. Uchambuzi wa XRD pia ulifanyika kwenye sampuli ya NSH-20 ili kubaini misombo iliyoundwa. Matokeo ya XRD yaliyoonyeshwa kwenye Mchoro 10b yanathibitisha mabadiliko katika muundo wa fuwele. Vipimo vya Thermogravimetric vinaonyesha kuwa fuwele zote zilizotengenezwa huonyesha utulivu wa joto hadi 80°C. Baadaye, uzito wa fuwele ulipungua kwa 35% wakati halijoto iliongezeka hadi 200°C. Kupungua kwa uzito wa fuwele kunatokana na mchakato wa kuoza, ambao unahusisha kupotea kwa molekuli 5 za maji ili kuunda NiSO4 H2O. Wakati halijoto iliongezeka hadi 300–400°C, uzito wa fuwele ulipungua tena. Kupungua kwa uzito wa fuwele kulikuwa karibu 6.5%, huku kupotea kwa uzito wa sampuli ya fuwele ya NSH-20 kulikuwa juu kidogo, haswa 6.65%. Kuoza kwa ioni za NH4+ kuwa gesi ya NH3 katika sampuli ya NSH-20 kulisababisha kupungua kidogo kwa joto. Halijoto ilipoongezeka kutoka 300 hadi 400°C, uzito wa fuwele ulipungua, na kusababisha fuwele zote kuwa na muundo wa NiSO4. Kuongezeka kwa halijoto kutoka 700°C hadi 800°C kulisababisha muundo wa fuwele kubadilika kuwa NiO2, na kusababisha kutolewa kwa gesi za SO2 na O2.25,26
Usafi wa fuwele za heksahidrati za nikeli salfeti ulibainishwa kwa kutathmini ukolezi wa NH4+ kwa kutumia kifaa cha DC-Arc ICP-MS. Usafi wa fuwele za nikeli salfeti ulibainishwa kwa kutumia fomula (5).
Ambapo Ma ni wingi wa uchafu katika fuwele (mg), Mo ni wingi wa fuwele (mg), Ca ni mkusanyiko wa uchafu katika myeyusho (mg/l), V ni ujazo wa myeyusho (l).
Mchoro 11 unaonyesha usafi wa fuwele za heksahidrati za nikeli salfeti. Thamani ya usafi ni wastani wa sifa 3. Matokeo yanaonyesha kuwa uwiano wa mbegu na mkusanyiko wa uchafu huathiri moja kwa moja usafi wa fuwele za nikeli salfeti zilizoundwa. Kadiri mkusanyiko wa uchafu unavyokuwa mkubwa, ndivyo unyonyaji mkubwa wa uchafu unavyoongezeka, na kusababisha usafi mdogo wa fuwele zilizoundwa. Hata hivyo, muundo wa unyonyaji wa uchafu unaweza kubadilika kulingana na mkusanyiko wa uchafu, na grafu ya matokeo inaonyesha kwamba unyonyaji wa jumla wa uchafu na fuwele haubadiliki sana. Kwa kuongezea, matokeo haya pia yanaonyesha kuwa uwiano mkubwa wa mbegu unaweza kuboresha usafi wa fuwele. Jambo hili linawezekana kwa sababu wakati viini vingi vya fuwele vilivyoundwa vimejikita kwenye viini vya nikeli, uwezekano wa ioni za nikeli kujikusanya kwenye nikeli ni mkubwa zaidi. 27
Utafiti ulionyesha kuwa ioni za amonia (NH4+) huathiri kwa kiasi kikubwa mchakato wa ufuwele na sifa za fuwele za fuwele za heksahidrati za nikeli salfeti, na pia ulionyesha ushawishi wa uwiano wa mbegu kwenye mchakato wa ufuwele.
Katika viwango vya amonia zaidi ya 2.5 g/l, mavuno ya fuwele na kiwango cha ukuaji wa fuwele hupungua. Katika viwango vya amonia zaidi ya 2.5 g/l, mavuno ya fuwele na kiwango cha ukuaji wa fuwele huongezeka.
Kuongezwa kwa uchafu kwenye myeyusho wa nikeli huongeza ushindani kati ya ioni NH4+ na [Ni(6H2O)]2− kwa SO42−, ambayo husababisha ongezeko la nishati ya uanzishaji. Kupungua kwa nishati ya uanzishaji baada ya kuongeza viwango vya juu vya uchafu kunatokana na kuingia kwa ioni NH4+ kwenye muundo wa fuwele, hivyo kutengeneza chumvi maradufu (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O.
Kutumia uwiano wa juu wa mbegu kunaweza kuboresha mavuno ya fuwele, kiwango cha ukuaji wa fuwele na usafi wa fuwele wa heksahidrati ya nikeli salfeti.
Demirel, HS, et al. Uundaji wa fuwele wa hidrati ya nikeli salfeti ya kiwango cha betri wakati wa usindikaji wa laterite. Septemba. Teknolojia ya Utakaso, 286, 120473. https://doi.org/10.1016/J.SEPPUR.2022.120473 (2022).
Saguntala, P. na Yasota, P. Matumizi ya macho ya fuwele za nikeli salfeti katika halijoto ya juu: Uchunguzi wa uainishaji wa sifa kwa kuongeza amino asidi kama dopants. Mater. Today Proc. 9, 669–673. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2018.10.391 (2019).
Babaahmadi, V., et al. Uwekaji wa elektrodi wa mifumo ya nikeli kwenye nyuso za nguo kwa uchapishaji unaosababishwa na polyoli kwenye oksidi ya grafini iliyopunguzwa. Jarida la Uhandisi wa Kimwili na Kemikali wa Nyuso za Colloidal 703, 135203. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2024.135203 (2024).
Fraser, J., Anderson, J., Lazuen, J., et al. "Mahitaji ya baadaye na usalama wa usambazaji wa nikeli kwa betri za magari ya umeme." Ofisi ya Machapisho ya Umoja wa Ulaya; (2021). https://doi.org/10.2760/212807
Hahn, B., Böckman, O., Wilson, BP, Lundström, M. na Louhi-Kultanen, M. Utakaso wa nikeli salfeti kwa fuwele za kundi kwa kupoeza. Teknolojia ya Uhandisi wa Kemikali 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/CEAT.201800695 (2019).
Ma, Y. et al. Matumizi ya mbinu za mvua na ufuwele katika uzalishaji wa chumvi za metali kwa vifaa vya betri ya lithiamu-ion: mapitio. Vyuma. 10(12), 1-16. https://doi.org/10.3390/MET10121609 (2020).
Masalov, VM, et al. Ukuaji wa fuwele moja za nikeli salfeti heksahidrati (α-NiSO4.6H2O) chini ya hali ya mteremko wa halijoto thabiti. Crystallography. 60(6), 963–969. https://doi.org/10.1134/S1063774515060206 (2015).
Choudhury, RR et al. Fuwele za heksahidrati za α-Nikeli salfeti: Uhusiano kati ya hali ya ukuaji, muundo wa fuwele, na sifa. JApCr. 52, 1371–1377. https://doi.org/10.1107/S1600576719013797FILE (2019).
Hahn, B., Böckman, O., Wilson, BP, Lundström, M. na Louhi-Kultanen, M. Utakaso wa nikeli salfeti kwa fuwele zilizopozwa kwa kundi. Teknolojia ya Uhandisi wa Kemikali 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/ceat.201800695 (2019).