Matur nuwun sampun ngunjungi nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake versi browser paling anyar (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, situs iki ora bakal kalebu gaya utawa JavaScript.
Panliten iki nyelidiki efek saka pengotor NH4+ lan rasio wiji marang mekanisme pertumbuhan lan kinerja nikel sulfat heksahidrat ing kristalisasi pendinginan sing ora terus-terusan, lan nyelidiki efek saka pengotor NH4+ marang mekanisme pertumbuhan, sifat termal, lan gugus fungsi nikel sulfat heksahidrat. Ing konsentrasi pengotor sing sithik, ion Ni2+ lan NH4+ saingan karo SO42− kanggo ngiket, sing nyebabake penurunan hasil kristal lan tingkat pertumbuhan lan peningkatan energi aktivasi kristalisasi. Ing konsentrasi pengotor sing dhuwur, ion NH4+ digabungake menyang struktur kristal kanggo mbentuk uyah kompleks (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Pembentukan uyah kompleks nyebabake peningkatan hasil kristal lan tingkat pertumbuhan lan penurunan energi aktivasi kristalisasi. Anane konsentrasi ion NH4+ sing dhuwur lan endhek nyebabake distorsi kisi, lan kristal stabil sacara termal ing suhu nganti 80 °C. Kajaba iku, pengaruh pengotor NH4+ marang mekanisme pertumbuhan kristal luwih gedhe tinimbang rasio wiji. Nalika konsentrasi pengotor kurang, pengotor gampang nempel ing kristal; nalika konsentrasi dhuwur, pengotor gampang dilebokake ing kristal. Rasio wiji bisa nambah asil kristal lan nambah kemurnian kristal kanthi signifikan.
Nikel sulfat heksahidrat (NiSO4 6H2O) saiki dadi bahan penting sing digunakake ing macem-macem industri, kalebu manufaktur baterei, elektroplating, katalis, lan malah ing produksi panganan, lenga, lan parfum. 1,2,3 Pentinge saya tambah akeh kanthi perkembangan kendaraan listrik sing cepet, sing gumantung banget marang baterei lithium-ion (LiB) berbasis nikel. Panggunaan paduan nikel dhuwur kayata NCM 811 diarepake bakal dominan ing taun 2030, sing luwih nambah panjaluk nikel sulfat heksahidrat. Nanging, amarga kendala sumber daya, produksi bisa uga ora bisa ngimbangi panjaluk sing saya tambah, nggawe kesenjangan antarane pasokan lan panjaluk. Kekurangan iki wis nuwuhake kekhawatiran babagan kasedhiyan sumber daya lan stabilitas rega, sing nyoroti kabutuhan produksi nikel sulfat tingkat baterei sing stabil lan kemurnian dhuwur sing efisien. 1,4
Produksi nikel sulfat heksahidrat umume ditindakake kanthi kristalisasi. Saka macem-macem metode, metode pendinginan minangka metode sing akeh digunakake, sing nduweni kaluwihan konsumsi energi sing sithik lan kemampuan kanggo ngasilake bahan kanthi kemurnian dhuwur. 5,6 Riset babagan kristalisasi nikel sulfat heksahidrat nggunakake kristalisasi pendinginan sing ora terus-terusan wis nggawe kemajuan sing signifikan. Saiki, umume riset fokus ing ningkatake proses kristalisasi kanthi ngoptimalake parameter kayata suhu, tingkat pendinginan, ukuran wiji lan pH. 7,8,9 Tujuane yaiku kanggo nambah asil kristal lan kemurnian kristal sing dipikolehi. Nanging, sanajan wis ditliti kanthi lengkap babagan parameter kasebut, isih ana kesenjangan gedhe ing perhatian sing diwenehake marang pengaruh pengotor, utamane amonium (NH4+), ing asil kristalisasi.
Kotoran amonium kamungkinan ana ing larutan nikel sing digunakake kanggo kristalisasi nikel amarga anane kotoran amonium sajrone proses ekstraksi. Amonia umume digunakake minangka agen penyabunan, sing ninggalake jumlah NH4+ ing larutan nikel. 10,11,12 Senajan kotoran amonium ana ing endi-endi, efek kasebut marang sifat kristal kayata struktur kristal, mekanisme pertumbuhan, sifat termal, kemurnian, lan liya-liyane isih kurang dingerteni. Riset sing winates babagan efek kasebut penting amarga kotoran bisa ngalangi utawa ngowahi pertumbuhan kristal lan, ing sawetara kasus, tumindak minangka inhibitor, sing mengaruhi transisi antarane bentuk kristal metastabil lan stabil. 13,14 Mula, mangerteni efek kasebut penting banget saka perspektif industri amarga kotoran bisa ngganggu kualitas produk.
Adhedhasar pitakonan tartamtu, panliten iki tujuane kanggo nyelidiki efek saka pengotor amonium marang sifat kristal nikel. Kanthi mangerteni efek saka pengotor, metode anyar bisa dikembangake kanggo ngontrol lan nyuda efek negatif. Panliten iki uga nyelidiki korelasi antarane konsentrasi pengotor lan owah-owahan rasio wiji. Amarga wiji digunakake sacara wiyar ing proses produksi, parameter wiji digunakake ing panliten iki, lan penting kanggo mangerteni hubungan antarane rong faktor kasebut. 15 Efek saka rong parameter iki digunakake kanggo nyinaoni asil kristal, mekanisme pertumbuhan kristal, struktur kristal, morfologi, lan kemurnian. Kajaba iku, prilaku kinetik, sifat termal, lan gugus fungsi kristal ing sangisore pengaruh pengotor NH4+ wae diselidiki luwih lanjut.
Bahan-bahan sing digunakake ing panliten iki yaiku nikel sulfat heksahidrat (NiSO 6H2O, ≥ 99,8%) sing disedhiyakake dening GEM; amonium sulfat ((NH)SO, ≥ 99%) sing dituku saka Tianjin Huasheng Co., Ltd.; banyu suling. Kristal wiji sing digunakake yaiku NiSO 6H2O, diremuk lan diayak kanggo entuk ukuran partikel sing seragam yaiku 0,154 mm. Karakteristik NiSO 6H2O dituduhake ing Tabel 1 lan Gambar 1.
Efek saka pengotor NH4+ lan rasio wiji marang kristalisasi nikel sulfat heksahidrat diselidiki nggunakake pendinginan intermiten. Kabeh eksperimen ditindakake ing suhu awal 25 °C. 25 °C dipilih minangka suhu kristalisasi kanthi nganggep watesan kontrol suhu sajrone filtrasi. Kristalisasi bisa diinduksi dening fluktuasi suhu dadakan sajrone filtrasi larutan panas nggunakake corong Buchner suhu rendah. Proses iki bisa mengaruhi kinetika, serapan pengotor, lan macem-macem sifat kristal kanthi signifikan.
Larutan nikel pisanan disiapake kanthi nglarutake 224 g NiSO4 6H2O ing 200 ml banyu suling. Konsentrasi sing dipilih cocog karo supersaturasi (S) = 1,109. Supersaturasi ditemtokake kanthi mbandhingake kelarutan kristal nikel sulfat sing larut karo kelarutan nikel sulfat heksahidrat ing suhu 25 °C. Supersaturasi sing luwih endhek dipilih kanggo nyegah kristalisasi spontan nalika suhu diturunake menyang suhu awal.
Efek konsentrasi ion NH4+ marang proses kristalisasi diselidiki kanthi nambahake (NH4)2SO4 menyang larutan nikel. Konsentrasi ion NH4+ sing digunakake ing panliten iki yaiku 0, 1,25, 2,5, 3,75, lan 5 g/L. Larutan kasebut dipanasake ing suhu 60 °C sajrone 30 menit nalika diaduk kanthi kecepatan 300 rpm kanggo njamin pencampuran sing rata. Larutan kasebut banjur didinginkan nganti suhu reaksi sing dikarepake. Nalika suhu tekan 25 °C, jumlah kristal wiji sing beda-beda (rasio wiji 0,5%, 1%, 1,5%, lan 2%) ditambahake menyang larutan. Rasio wiji ditemtokake kanthi mbandhingake bobot wiji karo bobot NiSO4 6H2O ing larutan kasebut.
Sawisé nambahake kristal wiji menyang larutan, proses kristalisasi kedadeyan kanthi alami. Proses kristalisasi suwene 30 menit. Larutan kasebut disaring nggunakake mesin penyaring kanggo misahake kristal sing nglumpuk saka larutan kasebut. Sajrone proses filtrasi, kristal kasebut dikumbah kanthi rutin nganggo etanol kanggo nyuda kemungkinan rekristalisasi lan nyuda adhesi rereged ing larutan menyang permukaan kristal. Etanol dipilih kanggo ngumbah kristal amarga kristal kasebut ora larut ing etanol. Kristal sing wis disaring dilebokake ing inkubator laboratorium ing suhu 50 °C. Parameter eksperimen rinci sing digunakake ing panliten iki dituduhake ing Tabel 2.
Struktur kristal ditemtokake nggunakake instrumen XRD (SmartLab SE—HyPix-400) lan anané senyawa NH4+ dideteksi. Karakterisasi SEM (Apreo 2 HiVac) ditindakake kanggo nganalisis morfologi kristal. Sifat termal kristal ditemtokake nggunakake instrumen TGA (TG-209-F1 Libra). Gugus fungsi dianalisis kanthi FTIR (JASCO-FT/IR-4X). Kemurnian sampel ditemtokake nggunakake instrumen ICP-MS (Prodigy DC Arc). Sampel disiapake kanthi nglarutake 0,5 g kristal ing 100 mL banyu suling. Hasil kristalisasi (x) diitung kanthi mbagi massa kristal output karo massa kristal input miturut rumus (1).
ing ngendi x minangka asil kristal, sing beda-beda saka 0 nganti 1, mout minangka bobot kristal output (g), min minangka bobot kristal input (g), msol minangka bobot kristal ing larutan, lan mwiji minangka bobot kristal wiji.
Asil kristalisasi luwih lanjut diselidiki kanggo nemtokake kinetika pertumbuhan kristal lan ngira-ira nilai energi aktivasi. Panliten iki ditindakake kanthi rasio seeding 2% lan prosedur eksperimen sing padha kaya sadurunge. Parameter kinetika kristalisasi isotermal ditemtokake kanthi ngevaluasi asil kristal ing wektu kristalisasi sing beda (10, 20, 30, lan 40 menit) lan suhu awal (25, 30, 35, lan 40 °C). Konsentrasi sing dipilih ing suhu awal cocog karo nilai supersaturasi (S) yaiku 1,109, 1,052, 1, lan 0,953. Nilai supersaturasi ditemtokake kanthi mbandhingake kelarutan kristal nikel sulfat sing larut karo kelarutan nikel sulfat heksahidrat ing suhu awal. Ing panliten iki, kelarutan NiSO4 6H2O ing 200 mL banyu ing suhu sing beda tanpa pengotor dituduhake ing Gambar 2.
Johnson-Mail-Avrami (teori JMA) digunakake kanggo nganalisis prilaku kristalisasi isotermal. Teori JMA dipilih amarga proses kristalisasi ora kedadeyan nganti kristal wiji ditambahake ing larutan kasebut. Teori JMA diterangake kaya ing ngisor iki:
Ing ngendi x(t) makili transisi ing wektu t, k makili konstanta laju transisi, t makili wektu transisi, lan n makili indeks Avrami. Formula 3 dijupuk saka formula (2). Energi aktivasi kristalisasi ditemtokake nggunakake persamaan Arrhenius:
Ing ngendi kg minangka konstanta laju reaksi, k0 minangka konstanta, Eg minangka energi aktivasi pertumbuhan kristal, R minangka konstanta gas molar (R=8,314 J/mol K), lan T minangka suhu kristalisasi isotermal (K).
Gambar 3a nuduhake yen rasio seeding lan konsentrasi dopan duwe pengaruh marang asil kristal nikel. Nalika konsentrasi dopan ing larutan mundhak dadi 2,5 g/L, asil kristal mudhun saka 7,77% dadi 6,48% (rasio wiji 0,5%) lan saka 10,89% dadi 10,32% (rasio wiji 2%). Peningkatan konsentrasi dopan luwih lanjut nyebabake peningkatan asil kristal sing cocog. Asil paling dhuwur tekan 17,98% nalika rasio seeding 2% lan konsentrasi dopan yaiku 5 g/L. Owah-owahan ing pola asil kristal kanthi peningkatan konsentrasi dopan bisa uga ana gandhengane karo owah-owahan ing mekanisme pertumbuhan kristal. Nalika konsentrasi dopan kurang, ion Ni2+ lan NH4+ saingan kanggo ngiket karo SO42−, sing nyebabake peningkatan kelarutan nikel ing larutan lan penurunan asil kristal. 14 Nalika konsentrasi pengotor dhuwur, proses kompetisi isih kedadeyan, nanging sawetara ion NH4+ koordinasi karo ion nikel lan sulfat kanggo mbentuk uyah ganda saka nikel amonium sulfat. 16 Pembentukan uyah ganda nyebabake penurunan kelarutan zat terlarut, saengga nambah asil kristal. Nambah rasio seeding bisa terus nambah asil kristal. Wiji bisa miwiti proses nukleasi lan pertumbuhan kristal spontan kanthi nyedhiyakake area permukaan awal kanggo ion zat terlarut kanggo ngatur lan mbentuk kristal. Nalika rasio seeding mundhak, area permukaan awal kanggo ion kanggo ngatur mundhak, saengga luwih akeh kristal sing bisa dibentuk. Mulane, nambah rasio seeding duwe pengaruh langsung marang tingkat pertumbuhan kristal lan hasil kristal. 17
Parameter NiSO4 6H2O: (a) asil kristal lan (b) pH larutan nikel sadurunge lan sawise inokulasi.
Gambar 3b nuduhake yen rasio wiji lan konsentrasi dopan mengaruhi pH larutan nikel sadurunge lan sawise ditambahake wiji. Tujuane ngawasi pH larutan yaiku kanggo mangerteni owah-owahan ing keseimbangan kimia ing larutan kasebut. Sadurunge nambahake kristal wiji, pH larutan cenderung mudhun amarga anane ion NH4+ sing ngeculake proton H+. Nambah konsentrasi dopan nyebabake luwih akeh proton H+ sing dirilis, saengga nyuda pH larutan kasebut. Sawise nambahake kristal wiji, pH kabeh larutan mundhak. Tren pH berkorelasi positif karo tren asil kristal. Nilai pH paling endhek dipikolehi ing konsentrasi dopan 2,5 g/L lan rasio wiji 0,5%. Nalika konsentrasi dopan mundhak dadi 5 g/L, pH larutan mundhak. Fenomena iki cukup bisa dingerteni, amarga kasedhiyan ion NH4+ ing larutan mudhun amarga panyerepan, utawa amarga inklusi, utawa amarga panyerepan lan inklusi ion NH4+ dening kristal.
Eksperimen lan analisis asil kristal luwih lanjut ditindakake kanggo nemtokake prilaku kinetik pertumbuhan kristal lan ngetung energi aktivasi pertumbuhan kristal. Parameter kinetika kristalisasi isotermal diterangake ing bagean Metode. Gambar 4 nuduhake plot Johnson-Mehl-Avrami (JMA) sing nuduhake prilaku kinetik pertumbuhan kristal nikel sulfat. Plot kasebut digawe kanthi nggambar nilai ln[− ln(1− x(t))] nglawan nilai lnt (Persamaan 3). Nilai gradien sing dipikolehi saka plot kasebut cocog karo nilai indeks JMA (n) sing nuduhake dimensi kristal sing tuwuh lan mekanisme pertumbuhan. Dene nilai cutoff nuduhake tingkat pertumbuhan sing diwakili dening konstanta ln k. Nilai indeks JMA (n) kisaran saka 0,35 nganti 0,75. Nilai n iki nuduhake yen kristal duwe pertumbuhan siji dimensi lan ngetutake mekanisme pertumbuhan sing dikontrol difusi; 0 < n < 1 nuduhake pertumbuhan siji dimensi, dene n < 1 nuduhake mekanisme pertumbuhan sing dikontrol difusi. 18 Laju tuwuhing konstanta k mudhun kanthi mundhake suhu, nuduhake yen proses kristalisasi kedadeyan luwih cepet ing suhu sing luwih endhek. Iki ana hubungane karo paningkatan supersaturasi larutan ing suhu sing luwih endhek.
Plot Johnson-Mehl-Avrami (JMA) saka nikel sulfat heksahidrat ing suhu kristalisasi sing beda-beda: (a) 25 °C, (b) 30 °C, (c) 35 °C lan (d) 40 °C.
Penambahan dopan nuduhake pola laju pertumbuhan sing padha ing kabeh suhu. Nalika konsentrasi dopan 2,5 g/L, laju pertumbuhan kristal mudhun, lan nalika konsentrasi dopan luwih dhuwur tinimbang 2,5 g/L, laju pertumbuhan kristal mundhak. Kaya sing wis kasebut sadurunge, owah-owahan pola laju pertumbuhan kristal disebabake owah-owahan mekanisme interaksi antarane ion ing larutan. Nalika konsentrasi dopan kurang, proses kompetisi antarane ion ing larutan nambah kelarutan zat terlarut, saengga nyuda laju pertumbuhan kristal. 14 Salajengipun, penambahan dopan konsentrasi dhuwur nyebabake proses pertumbuhan owah sacara signifikan. Nalika konsentrasi dopan ngluwihi 3,75 g/L, inti kristal anyar tambahan dibentuk, sing nyebabake penurunan kelarutan zat terlarut, saengga nambah laju pertumbuhan kristal. Pembentukan inti kristal anyar bisa dituduhake kanthi pembentukan uyah ganda (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. 16 Nalika ngrembug mekanisme pertumbuhan kristal, asil difraksi sinar-X ngonfirmasi pembentukan uyah ganda.
Fungsi plot JMA luwih lanjut dievaluasi kanggo nemtokake energi aktivasi kristalisasi. Energi aktivasi diitung nggunakake persamaan Arrhenius (ditampilake ing Persamaan (4)). Gambar 5a nuduhake hubungan antarane nilai ln(kg) lan nilai 1/T. Banjur, energi aktivasi diitung nggunakake nilai gradien sing dipikolehi saka plot kasebut. Gambar 5b nuduhake nilai energi aktivasi kristalisasi ing konsentrasi pengotor sing beda-beda. Asil kasebut nuduhake yen owah-owahan konsentrasi pengotor mengaruhi energi aktivasi. Energi aktivasi kristalisasi kristal nikel sulfat tanpa pengotor yaiku 215,79 kJ/mol. Nalika konsentrasi pengotor tekan 2,5 g/L, energi aktivasi mundhak 3,99% dadi 224,42 kJ/mol. Peningkatan energi aktivasi nuduhake yen alangan energi saka proses kristalisasi mundhak, sing bakal nyebabake penurunan tingkat pertumbuhan kristal lan hasil kristal. Nalika konsentrasi pengotor luwih saka 2,5 g/L, energi aktivasi kristalisasi mudhun kanthi signifikan. Ing konsentrasi pengotor 5 g/l, energi aktivasi yaiku 205,85 kJ/mol, sing 8,27% luwih murah tinimbang energi aktivasi ing konsentrasi pengotor 2,5 g/l. Penurunan energi aktivasi nuduhake yen proses kristalisasi luwih gampang, sing nyebabake peningkatan laju pertumbuhan kristal lan hasil kristal.
(a) Pas karo plot ln(kg) lawan 1/T lan (b) energi aktivasi Eg saka kristalisasi ing konsentrasi pengotor sing beda-beda.
Mekanisme pertumbuhan kristal diselidiki nganggo spektroskopi XRD lan FTIR, lan kinetika pertumbuhan kristal lan energi aktivasi dianalisis. Gambar 6 nuduhake asil XRD. Data kasebut konsisten karo PDF #08–0470, sing nuduhake yen iku α-NiSO4 6H2O (silika abang). Kristal kasebut kalebu sistem tetragonal, klompok ruang yaiku P41212, parameter sel unit yaiku a = b = 6,782 Å, c = 18,28 Å, α = β = γ = 90°, lan volume yaiku 840,8 Å3. Asil kasebut konsisten karo asil sing diterbitake sadurunge dening Manomenova et al. 19 Pengenalan ion NH4+ uga nyebabake pembentukan (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Data kasebut kalebu PDF No. 31–0062. Kristal iki kalebu sistem monoklinik, klompok ruang P21/a, parameter sel unit yaiku a = 9,186 Å, b = 12,468 Å, c = 6,242 Å, α = γ = 90°, β = 106,93°, lan volume yaiku 684 Å3. Asil iki konsisten karo panliten sadurunge sing dilapurake dening Su et al.20.
Pola difraksi sinar-X kristal nikel sulfat: (a–b) 0,5%, (c–d) 1%, (e–f) 1,5%, lan (g–h) rasio wiji 2%. Gambar sisih tengen minangka tampilan sing luwih gedhe saka gambar kiwa.
Kaya sing dituduhake ing Gambar 6b, d, f lan h, 2,5 g/L minangka wates konsentrasi amonium paling dhuwur ing larutan tanpa mbentuk uyah tambahan. Nalika konsentrasi pengotor yaiku 3,75 lan 5 g/L, ion NH4+ digabungake menyang struktur kristal kanggo mbentuk uyah kompleks (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Miturut data, intensitas puncak uyah kompleks mundhak nalika konsentrasi pengotor mundhak saka 3,75 dadi 5 g/L, utamane ing 2θ 16,47° lan 17,44°. Peningkatan puncak uyah kompleks mung amarga prinsip keseimbangan kimia. Nanging, sawetara puncak abnormal diamati ing 2θ 16,47°, sing bisa disebabake dening deformasi elastis kristal. 21 Asil karakterisasi uga nuduhake yen rasio seeding sing luwih dhuwur nyebabake penurunan intensitas puncak uyah kompleks. Rasio wiji sing luwih dhuwur nyepetake proses kristalisasi, sing nyebabake penurunan zat terlarut sing signifikan. Ing kasus iki, proses pertumbuhan kristal dikonsentrasi ing wiji, lan pembentukan fase anyar dihambat dening penurunan supersaturasi larutan. Kosok baline, nalika rasio wiji kurang, proses kristalisasi alon, lan supersaturasi larutan tetep ing tingkat sing relatif dhuwur. Kahanan iki nambah kemungkinan nukleasi uyah ganda sing kurang larut (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O. Data intensitas puncak kanggo uyah ganda diwenehake ing Tabel 3.
Karakterisasi FTIR ditindakake kanggo nyelidiki kelainan utawa owah-owahan struktural ing kisi inang amarga anane ion NH4+. Sampel kanthi rasio seeding konstan 2% dikarakterisasi. Gambar 7 nuduhake asil karakterisasi FTIR. Puncak sing amba sing diamati ing 3444, 3257 lan 1647 cm−1 amarga mode peregangan O-H molekul. Puncak ing 2370 lan 2078 cm−1 makili ikatan hidrogen antarmolekul antarane molekul banyu. Pita ing 412 cm−1 disebabake getaran peregangan Ni-O. Kajaba iku, ion SO4− bebas nuduhake papat mode getaran utama ing 450 (υ2), 630 (υ4), 986 (υ1) lan 1143 lan 1100 cm−1 (υ3). Simbol υ1-υ4 makili sipat-sipat mode getaran, ing ngendi υ1 makili mode non-degenerasi (peregangan simetris), υ2 makili mode degenerasi ganda (pembengkokan simetris), lan υ3 lan υ4 makili mode degenerasi telu (peregangan asimetris lan pembengkokan asimetris). 22,23,24 Asil karakterisasi nuduhake yen anane pengotor amonium menehi puncak tambahan ing nomer gelombang 1143 cm-1 (ditandhani nganggo bunderan abang ing gambar). Puncak tambahan ing 1143 cm-1 nuduhake yen anane ion NH4+, preduli saka konsentrasine, nyebabake distorsi struktur kisi, sing nyebabake owah-owahan frekuensi getaran molekul ion sulfat ing njero kristal.
Adhedhasar asil XRD lan FTIR sing ana gandhengane karo prilaku kinetik pertumbuhan kristal lan energi aktivasi, Gambar 8 nuduhake skema proses kristalisasi nikel sulfat heksahidrat kanthi tambahan pengotor NH4+. Tanpa ana pengotor, ion Ni2+ bakal reaksi karo H2O kanggo mbentuk nikel hidrat [Ni(6H2O)]2−. Banjur, nikel hidrat kanthi spontan gabung karo ion SO42− kanggo mbentuk inti Ni(SO4)2 6H2O lan tuwuh dadi kristal nikel sulfat heksahidrat. Nalika konsentrasi pengotor amonium sing luwih murah (2,5 g/L utawa kurang) ditambahake ing larutan, [Ni(6H2O)]2− angel digabungake kanthi lengkap karo ion SO42− amarga ion [Ni(6H2O)]2− lan NH4+ saingan kanggo kombinasi karo ion SO42−, sanajan isih ana ion sulfat sing cukup kanggo reaksi karo loro ion kasebut. Kahanan iki nyebabake peningkatan energi aktivasi kristalisasi lan perlambatan pertumbuhan kristal. 14,25 Sawise inti nikel sulfat heksahidrat dibentuk lan thukul dadi kristal, pirang-pirang ion NH4+ lan (NH4)2SO4 diserap ing permukaan kristal. Iki nerangake kenapa gugus fungsi ion SO4− (angka gelombang 1143 cm−1) ing sampel NSH-8 lan NSH-12 tetep kawangun tanpa proses doping. Nalika konsentrasi pengotor dhuwur, ion NH4+ wiwit digabungake menyang struktur kristal, mbentuk uyah ganda. 16 Fenomena iki kedadeyan amarga kurang ion SO42− ing larutan, lan ion SO42− kaiket karo hidrat nikel luwih cepet tinimbang ion amonium. Mekanisme iki ningkatake nukleasi lan pertumbuhan uyah ganda. Sajrone proses paduan, inti Ni(SO4)2 6H2O lan (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O kawangun bebarengan, sing nyebabake peningkatan jumlah inti sing dipikolehi. Peningkatan jumlah inti ningkatake percepatan pertumbuhan kristal lan penurunan energi aktivasi.
Reaksi kimia saka nglarutake nikel sulfat heksahidrat ing banyu, nambahake jumlah cilik lan jumlah gedhe amonium sulfat, banjur nindakake proses kristalisasi bisa diungkapake kaya ing ngisor iki:
Asil karakterisasi SEM dituduhake ing Gambar 9. Asil karakterisasi nuduhake yen jumlah uyah amonium sing ditambahake lan rasio seeding ora mengaruhi wujud kristal kanthi signifikan. Ukuran kristal sing kawangun tetep relatif konstan, sanajan kristal sing luwih gedhe katon ing sawetara titik. Nanging, karakterisasi luwih lanjut isih dibutuhake kanggo nemtokake efek konsentrasi uyah amonium lan rasio seeding marang ukuran rata-rata kristal sing kawangun.
Morfologi kristal NiSO4 6H2O: (a–e) 0,5%, (f–j) 1%, (h–o) 1,5% lan (p–u) 2% rasio wiji sing nuduhake owah-owahan konsentrasi NH4+ saka ndhuwur nganti ngisor, yaiku 0, 1,25, 2,5, 3,75 lan 5 g/L, miturut urutan.
Gambar 10a nuduhake kurva TGA kristal kanthi konsentrasi pengotor sing beda-beda. Analisis TGA ditindakake ing sampel kanthi rasio seeding 2%. Analisis XRD uga ditindakake ing sampel NSH-20 kanggo nemtokake senyawa sing dibentuk. Asil XRD sing dituduhake ing Gambar 10b ngonfirmasi owah-owahan ing struktur kristal. Pangukuran termogravimetri nuduhake yen kabeh kristal sing disintesis nuduhake stabilitas termal nganti 80°C. Sabanjure, bobot kristal mudhun 35% nalika suhu mundhak dadi 200°C. Mundhut bobot kristal amarga proses dekomposisi, sing kalebu mundhut 5 molekul banyu kanggo mbentuk NiSO4 H2O. Nalika suhu mundhak dadi 300–400°C, bobot kristal mudhun maneh. Mundhut bobot kristal udakara 6,5%, dene mundhut bobot sampel kristal NSH-20 rada luwih dhuwur, persis 6,65%. Dekomposisi ion NH4+ dadi gas NH3 ing sampel NSH-20 nyebabake redusibilitas sing rada luwih dhuwur. Nalika suhu mundhak saka 300 nganti 400°C, bobot kristal mudhun, sing nyebabake kabeh kristal duwe struktur NiSO4. Peningkatan suhu saka 700°C nganti 800°C nyebabake struktur kristal malih dadi NiO, sing nyebabake pelepasan gas SO2 lan O2.25,26
Kemurnian kristal nikel sulfat heksahidrat ditemtokake kanthi netepake konsentrasi NH4+ nggunakake instrumen DC-Arc ICP-MS. Kemurnian kristal nikel sulfat ditemtokake nggunakake rumus (5).
Ing ngendi Ma minangka massa rereged ing kristal (mg), Mo minangka massa kristal (mg), Ca minangka konsentrasi rereged ing larutan (mg/l), V minangka volume larutan (l).
Gambar 11 nuduhake kemurnian kristal nikel sulfat heksahidrat. Nilai kemurnian kasebut minangka nilai rata-rata saka 3 karakteristik. Asil kasebut nuduhake yen rasio seeding lan konsentrasi pengotor langsung mengaruhi kemurnian kristal nikel sulfat sing dibentuk. Semakin dhuwur konsentrasi pengotor, semakin gedhe penyerapan pengotor, sing nyebabake kemurnian kristal sing dibentuk luwih murah. Nanging, pola penyerapan pengotor bisa owah gumantung saka konsentrasi pengotor, lan grafik asil nuduhake yen penyerapan pengotor sakabèhé dening kristal ora owah sacara signifikan. Kajaba iku, asil kasebut uga nuduhake yen rasio seeding sing luwih dhuwur bisa nambah kemurnian kristal. Fenomena iki bisa kedadeyan amarga nalika sebagian besar inti kristal sing dibentuk dikonsentrasi ing inti nikel, kemungkinan ion nikel nglumpuk ing nikel luwih dhuwur. 27
Panliten iki nuduhake yen ion amonium (NH4+) nduweni pengaruh sing signifikan marang proses kristalisasi lan sifat kristalin kristal nikel sulfat heksahidrat, lan uga nuduhake pengaruh rasio wiji marang proses kristalisasi.
Ing konsentrasi amonium ing ndhuwur 2,5 g/l, asil kristal lan tingkat pertumbuhan kristal mudhun. Ing konsentrasi amonium ing ndhuwur 2,5 g/l, asil kristal lan tingkat pertumbuhan kristal mundhak.
Penambahan rereged ing larutan nikel nambah kompetisi antarane ion NH4+ lan [Ni(6H2O)]2− kanggo SO42−, sing nyebabake peningkatan energi aktivasi. Penurunan energi aktivasi sawise nambahake rereged kanthi konsentrasi dhuwur amarga mlebune ion NH4+ menyang struktur kristal, saengga mbentuk uyah ganda (NH4)2Ni(SO4)2 6H2O.
Nggunakake rasio seeding sing luwih dhuwur bisa ningkatake asil kristal, tingkat pertumbuhan kristal, lan kemurnian kristal nikel sulfat heksahidrat.
Demirel, HS, dkk. Kristalisasi antipelarut saka hidrat nikel sulfat kelas baterei sajrone proses laterit. Sept. Purification Technology, 286, 120473. https://doi.org/10.1016/J.SEPPUR.2022.120473 (2022).
Saguntala, P. lan Yasota, P. Aplikasi optik kristal nikel sulfat ing suhu dhuwur: Studi karakterisasi nganggo asam amino tambahan minangka dopan. Mater. Dina iki Proc. 9, 669–673. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2018.10.391 (2019).
Babaahmadi, V., et al. Elektrodeposisi pola nikel ing permukaan tekstil kanthi pencetakan sing dimediasi poliol ing oksida grafen sing direduksi. Jurnal Teknik Fisika lan Kimia Permukaan Koloid 703, 135203. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2024.135203 (2024).
Fraser, J., Anderson, J., Lazuen, J., dkk. “Panjaluk lan keamanan pasokan nikel kanggo baterei kendaraan listrik ing mangsa ngarep.” Kantor Publikasi Uni Eropa; (2021). https://doi.org/10.2760/212807
Hahn, B., Böckman, O., Wilson, BP, Lundström, M. lan Louhi-Kultanen, M. Pemurnian nikel sulfat kanthi kristalisasi batch kanthi pendinginan. Teknologi Teknik Kimia 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/CEAT.201800695 (2019).
Ma, Y. et al. Aplikasi metode presipitasi lan kristalisasi ing produksi uyah logam kanggo bahan baterei ion litium: tinjauan. Logam. 10(12), 1-16. https://doi.org/10.3390/MET10121609 (2020).
Masalov, VM, dkk. Pertumbuhan kristal tunggal nikel sulfat heksahidrat (α-NiSO4.6H2O) ing kondisi gradien suhu ajeg. Kristalografi. 60(6), 963–969. https://doi.org/10.1134/S1063774515060206 (2015).
Choudhury, RR et al. Kristal heksahidrat α-Nikel sulfat: Hubungan antarane kahanan pertumbuhan, struktur kristal, lan sifat. JApCr. 52, 1371–1377. https://doi.org/10.1107/S1600576719013797FILE (2019).
Hahn, B., Böckman, O., Wilson, BP, Lundström, M. lan Louhi-Kultanen, M. Pemurnian nikel sulfat kanthi kristalisasi sing didinginkan kanthi batch. Teknologi Teknik Kimia 42(7), 1475–1480. https://doi.org/10.1002/ceat.201800695 (2019).