| 
							
      					 | 
  					 
  					
    					 | 
   					 
   										
    					Effects of metal ions on the morphology of calcium sulfate hemihydrate whiskers by hydrothermal method  | 
  					 
  					  										
						Tianjie Liu, Hao Fan, Yanxia Xu, Xingfu Song( ), Jianguo Yu | 
					 
															
						| National Engineering Research Center for Integrated Utilization of Salt Lake Resources, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China | 
					 
										
						 | 
					 
				 
				
				
					
						
							
								
									
		
		 
          
          
            
              
				
								                
													
													    | 
													    	
														 | 
													 
													
													
													
														
															
													
													    | 
													     		                            						                            																	    Abstract  The effects of Na+, Mg2+, Al3+ and Fe3+ ion concentrations on the crystal morphology of calcium sulfate hemihydrate whiskers formed via a hydrothermal method have been studied. In the presence of Al3+ concentrations higher than 1×10−3 mol/L the whiskers were significantly shorter and thicker and the presence of Mg2+ and Fe3+ resulted in shorter whiskers. The presence of Na+ did not affect the morphology of the whiskers. Through elemental analysis, it was determined that Mg2+ and Al3+ were selectively adsorbed on the surfaces of the crystals, whereas Fe3+ underwent a hydrolysis reaction to form a brown precipitate which decreased the ion concentration in the solution. These results indicate that in raw materials used for the industrial preparation of calcium sulfate whiskers, Al3+ and Fe3+ should be removed and the Mg2+ concentration should be less than 8 × 10−3 mol/L in order to obtain pure whiskers with high aspect ratios. 
																										     | 
														 
																												
												        														
															| Keywords 
																																																				metal ions  
																		  																																				morphology  
																		  																																				calcium sulfate hemihydrate whiskers  
																		  																																				hydrothermal method  
																		  																																				selective adsorption  
																																			  
															 | 
														 
																												
														 																											    														
															| 
																																Corresponding Author(s):
																Xingfu Song   
																													     		
													     	 | 
														 
																																										
															| 
																															Just Accepted Date: 19 June 2017  
																																														Online First Date: 26 September 2017   
																																														Issue Date: 06 November 2017
																														 | 
														 
														 
                                                         | 
														 
														 
														
														
														
												 
												
												
                                                    
													
								             
                                             
            
					            
								            								            
								            								                                                        
								            
								                
																																												
															| 1 | 
															 
														     Wang H, Mu  B, Ren J ,  Jian L, Zhang  J, Yang S . Mechanical and tribological behaviors of PA66/PVDF blends filled with calcium sulphate whiskers. Polymer Composites, 2009, 30(9): 1326–1332
														     															 | 
																  
																														
															| 2 | 
															 
														     Wang J, Yang  K, Lu S . Preparation and characteristic of novel silicone rubber composites based on organophilic calcium sulfate whisker. High Performance Polymers, 2011, 23(2): 141–150
														     															 | 
																  
																														
															| 3 | 
															 
														     Zhang Y, Wang  G, Miao M ,  Shi L. Dual-surface modification of calcium sulfate whisker with sodium hexametaphosphate/silica and use as new water-resistant reinforcing fillers in papermaking. Powder Technology, 2015, 271: 1–6
														     															 | 
																  
																														
															| 4 | 
															 
														     Yuan W, Cui  J, Cai Y ,  Xu S. A novel surface modification for calcium sulfate whisker used for reinforcement of poly (vinyl chloride). Journal of Polymer Research, 2015, 22(9): 173
														     															 | 
																  
																														
															| 5 | 
															 
														     Luo K B, Li  H P, Tan  Y X. Study on the preparation of calcium sulfate whisker by hydrothermal method. Advanced Materials Research, 2013, 602: 1369–1372
														     															 | 
																  
																														
															| 6 | 
															 
														     He H, Dong  F, He P ,  Xu L. Effect of glycerol on the preparation of phosphogypsum-based CaSO4·0.5H2O whiskers. Journal of Materials Science, 2014, 49(5): 1957–1963
														     															 | 
																  
																														
															| 7 | 
															 
														     Zhao W, Wu  Y, Xu J ,  Gao C. Effect of ethylene glycol on hydrothermal formation of calcium sulfate hemihydrate whiskers with high aspect ratios. RSC Advances, 2015, 5(62): 50544–50548
														     															 | 
																  
																														
															| 8 | 
															 
														     Mao X, Song  X, Lu G ,  Sun Y, Xu  Y, Yu J . Control of crystal morphology and size of calcium sulfate whiskers in aqueous HCl solutions by additives: Experimental and molecular dynamics simulation studies. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(17): 4781–4787
														     															 | 
																  
																														
															| 9 | 
															 
														     Xu A Y, Li  H P, Luo  K B, Xiang  L. Formation of calcium sulfate whiskers from CaCO3-bearing desulfurization gypsum. Research on Chemical Intermediates, 2011, 37(2): 449–455
														     															 | 
																  
																														
															| 10 | 
															 
														     Wang X, Jin  B, Yang L ,  Zhu X. Effect of CuCl2 on hydrothermal crystallization of calcium sulfate whiskers prepared from FGD gypsum. Crystal Research and Technology, 2015, 50(8): 633–640
														     															 | 
																  
																														
															| 11 | 
															 
														     Wang Y, Li  Y, Yuan A ,  Yuan B, Lei  X, Ma Q ,  Han J, Wang  J. Preparation of calcium sulfate whiskers by carbide slag through hydrothermal method. Crystal Research and Technology, 2014, 49(10): 800–807
														     															 | 
																  
																														
															| 12 | 
															 
														     Yang L, Wu  Z, Guan B ,  Fu H, Ye  Q. Growth rate of  a-calcium sulfate hemihydrate in K-Ca-Mg-Cl-H2O systems at elevated temperature. Journal of Crystal Growth, 2009, 311(20): 4518–4524
														     															 | 
																  
																														
															| 13 | 
															 
														     Guan B, Yang  L, Wu Z . Effect of Mg2+ ions on the nucleation kinetics of calcium sulfate in concentrated calcium chloride solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(12): 5569–5574
														     															 | 
																  
																														
															| 14 | 
															 
														     Li Z, Demopoulos  G P. Effect of NaCl, MgCl2, FeCl2, FeCl3, and AlCl3 on solubility of CaSO4 phases in aqueous HCl or HCl+CaCl2 solutions at 298 to 353 K. Journal of Chemical & Engineering Data, 2006, 51(2): 569–576
														     															 | 
																  
																														
															| 15 | 
															 
														     Song X, Sun  S, Zhang D ,  Wang J, Yu  J. Synthesis and characterization of magnesium hydroxide by batch reaction crystallization. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2011, 5(4): 416–421
														     															 | 
																  
																														
															| 16 | 
															 
														     Li F, Liu  J, Yang G ,  Pan Z, Ni  X, Xu H ,  Huang Q . Effect of pH and succinic acid on the morphology of α-calcium sulfate hemihydrate synthesized by a salt solution method. Journal of Crystal Growth, 2013, 374: 31–36
														     															 | 
																  
																														
															| 17 | 
															 
														     Song X, Tong  K, Sun S ,  Sun Z, Yu  J. Preparation and crystallization kinetics of micron-sized Mg(OH)2 in a mixed suspension mixed product removal crystallizer. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(2): 130–138
														     															 | 
																  
																														
															| 18 | 
															 
														     Wang X, Yang  L, Zhu X ,  Yang J. Preparation of calcium sulfate whiskers from FGD gypsum via hydrothermal crystallization in the H2SO4-NaCl-H2O system. Particuology, 2014, 17(6): 42–48
														     															 | 
																  
																														
															| 19 | 
															 
														     Hou S, Wang  J, Wang X ,  Chen H, Xiang  L. Effect of Mg2+ on Hydrothermal Formation of α-CaSO4·0.5H2O Whiskers with High Aspect Ratios. Langmuir, 2014, 30(32): 9804–9810
														     															 | 
																  
																														
															| 20 | 
															 
														     Xin Y, Hou  S C, Xiang  L, Yu Y . Adsorption and substitution effects of Mg on the growth of calcium sulfate hemihydrate: An ab initio DFT study. Applied Surface Science, 2015, 357: 1552–1557
														     															 | 
																  
																														
															| 21 | 
															 
														     Feldmann T, Demopoulos  G P. Influence of impurities on crystallization kinetics of calcium sulfate dihydrate and hemihydrate in strong HCl-CaCl2 solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(19): 6540–6549
														     															 | 
																  
																														
															| 22 | 
															 
														     Mao X, Song  X, Lu G ,  Sun Y, Xu  Y, Yu J . Effects of metal ions on crystal morphology and size of calcium sulfate whiskers in aqueous HCl solutions. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(45): 17625–17635
														     															 | 
																  
																														
															| 23 | 
															 
														     Miao M, Feng  X, Wang G ,  Cao S, Shi  W, Shi L . Direct transformation of FGD gypsum to calcium sulfate hemihydrate whiskers: Preparation, simulations, and process analysis. Particuology, 2015, 19(2): 53–59
														     															 | 
																  
																														
															| 24 | 
															 
														     Zhao W, Gao  C, Zhang G ,  Xu J, Wang  C, Wu Y . Controlling the morphology of calcium sulfate hemihydrate using aluminum chloride as a habit modifier. New Journal of Chemistry, 2016, 40(4): 3104–3108
														     															 | 
																  
																														
															| 25 | 
															 
														     Rashad M M, Mahmoud  M H H, Ibrahim  I A, Abdel-Aal  E A. Crystallization of calcium sulfate dihydrate under simulated conditions of phosphoric acid production in the presence of aluminum and magnesium ions. Journal of Crystal Growth, 2004, 267(1): 372–379
														     															 | 
																  
																														
															| 26 | 
															 
														     Kruger A, Focke  W W, Kwela  Z, Fowles R . Effect of ionic impurities on the crystallization of gypsum in wet-process phosphoric acid. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(5): 1364–1369
														     															 | 
																  
																														
															| 27 | 
															 
														     Lü P, Fei  D, Dang Y . Effects of calcium monohydrogenphosphate on the morphology of calcium sulfate whisker by hydrothermal synthesis. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2014, 92(10): 1709–1713
														     															 | 
																  
																														
															| 28 | 
															 
														     Guan B, Yang  L, Wu Z ,  Shen Z, Ma  X, Ye Q . Preparation of α-calcium sulfate hemihydrate from FGD gypsum in K, Mg-containing concentrated CaCl2 solution under mild conditions. Fuel, 2009, 88(7): 1286–1293
														     															 | 
																  
																														
															| 29 | 
															 
														     Singh N B, Middendorf  B. Calcium sulphate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2007, 53(1): 57–77
														     															 | 
																  
																														
															| 30 | 
															 
														     Dumazer G, Narayan  V, Smith A ,  Lemarchand A A . Modeling gypsum crystallization on a submicrometric scale. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(4): 1189–1195
														     															 | 
																  
																														
															| 31 | 
															 
														     Seyama H, Soma  M. X-ray photoelectron spectroscopic study of montmorillonite containing exchangeable divalent cations. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1. Physical Chemistry in Condensed Phases, 1984, 80(1): 237–248
														     															 | 
																  
																														
															| 32 | 
															 
														     Arata K, Hino  M. Solid catalyst treated with anion: XVIII. Benzoylation of toluene with benzoyl chloride and benzoic anhydride catalysed by solid superacid of sulfate-supported alumina. Applied Catalysis, 1990, 59(1): 197–204
														     															 | 
																  
																														
															| 33 | 
															 
														     Bourcier W L, Knauss  K G, Jackson  K J. Aluminum hydrolysis constants to 250 °C from boehmite solubility measurements. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1993, 57(4): 747–762
														     															 | 
																  
																														
															| 34 | 
															 
														     Bottero J Y, Cases  J M, Fiessinger  F, Poirier J E . Studies of hydrolyzed aluminum chloride solutions. 1. Nature of aluminum species and composition of aqueous solutions. Journal of Physical Chemistry, 1980, 84(22): 2933–2939
														     															 | 
																  
																														
															| 35 | 
															 
														     Subrt J, Bohácek  J, Stengl V ,  Grygar T ,  Bezdicka P . Uniform particles with a large surface area formed by hydrolysis of Fe2(SO4)3 with urea. Materials Research Bulletin, 1999, 34(6): 905–914
														     															 | 
																  
																														
															| 36 | 
															 
														     Musić S, Orehovec  Z, Popović S ,  Czakó-Nagy I . Structural properties of precipitates formed by hydrolysis of Fe3+ ions in Fe2(SO4)3 solutions. Journal of Materials Science, 1994, 29(8): 1991–1998
														     															 | 
																  
																																										 
								             
                                             
								                                                        
                                            
                                            
								                                                        
                                            
                                            
                                            
								            
												
											    	
											        	 | 
											        	Viewed | 
											         
													
											        	 | 
											        	 | 
											         
											      	
												         | 
												        
												        	Full text 
												          	
												         | 
											        	
												        	
												        	 
												        	
												          	 
												          	
												          	
														 | 
													 
													
												         | 
												         | 
													 
													
												         | 
												        
												        	Abstract 
												          	
														 | 
												        
															
															 
															
															
												         | 
													 
													
												         | 
												         | 
													 
													
												         | 
												        Cited  | 
												        
												        	
												         | 
													 
													
												         | 
												         | 
												         | 
													 
													
													    |   | 
													    Shared | 
													       | 
												  	 
												  	
													     | 
													     | 
													     | 
											  		 
											  		
													    |   | 
													    Discussed | 
													       | 
												  	 
											 
											 
								         
                                        
  
									 | 
								 
							 
						 | 
					 
				 
			
		 |