碳化工艺对制备球霞石型食品级碳酸钙的影响

球霰石轻质碳酸钙具有比表面积高、溶解性好、分散性好和密度低，且对人体正常细胞无害，人体可对其安全吸收，因此可作为膨松剂、面粉处理剂、抗结剂、酸度调节剂、营养强化剂、固化剂等食品添加剂。

但球霰石是碳酸钙中最不稳定的晶型，在自然界中存量极少，通常会迅速转化为文石或方解石，因此需要在特殊的制备环境中或者添加特殊的修饰剂才能制备得到稳定的球霰石型碳酸钙

1、球霰石型食品级碳酸钙的制备

（1) 将5.0g的生石灰加入到15mL去离子水中，搅拌均匀，然后加入23mL浓度为6mol/L的盐酸酸化，定容50mL, 再加入Ca(OH)₂调节溶液pH值至10以上，沉淀，除杂（Mg、Al、Fe、Ba、As、Pb、Cd) , 得到澄清的CaCl₂溶液。

（2) 向澄清CaCl₂溶液（0.1-0.5mol/L) 中加入一定量的氨水，在不同的温度（10℃、20℃、30℃、40℃、50℃) 下通入不同CO₂体积分数的CO₂与N₂的混合气（CO₂体积百分比10%、30%、50%、100%) , 当pH值降到8时停止通气，生成沉淀经过滤、干燥制得产品碳酸钙。

2、碳化温度对碳酸钙形貌的影响

碳化温度会影响气体在溶液中的溶解度，影响气液接触时间以及碳化反应速率，同时会影响晶核成核速率及晶核成长速度，从而影响最终形成的碳酸钙产品的晶型和形貌。

由碳酸钙SEM图可知：

10℃和20℃时，碳酸钙为纯的微米级球霰石型颗粒，而每个球形颗粒是由无数纳米级的小颗粒自组装而成。

30℃时，球霰石型和方解石型碳酸钙共存，此时碳酸钙存在从球霰石型向方解石型转变的趋势；出现了颗粒破碎，破碎的小颗粒周围出现了层状的致密平面立体，说明颗粒开始溶解然后重组装排列成稳定的方解石型。

40℃时，碳酸钙形貌以菱面体为主，仅有少量球型颗粒及破碎颗粒堆积体。

50℃时，碳酸钙形貌为100%的层状堆积菱面体，大小也不均一，说明方解石型结晶已非常完全。

球霰石型碳酸钙是热力学上的亚稳定态，当温度升高，碳酸钙颗粒会发生溶解共再结晶过程，并以新的方式排列形成更稳定的方解石，故最佳碳化温度为20℃.

3、Ca²⁺浓度对碳酸钙形貌的影响

随着Ca²⁺浓度的增加，球形颗粒的尺寸逐渐增大，平均粒径分别为：2.15μm、3.09μm、3.79μm、4.57μm和8.93μm。

4、CO₂浓度对碳酸钙形貌的影响

CO₂浓度为10%时，制备的碳酸钙为菱面体颗粒，颗粒大小不均，颗粒与颗粒之间堆积，具有方解石的形貌特征，为纯方解石。

CO₂浓度为30%和50%时，颗粒大部分为球形颗粒，含有少量菱面体颗粒以及破碎的颗粒。50%时球形颗粒大小更加均匀，分散性好。

CO₂浓度为100%时，所得产品均为球形，且粒径均匀，分散性更好，为纯球霰石型。

但在实际生产中CO₂的浓度受石灰石煅烧的限制，一般情况下只能达到20%-30%.要得到较高CO₂浓度的原料气，必须借助变压吸附等手段来富集CO₂, 这样不仅增加碳酸钙生产成本，而且当CO₂浓度提高到30%后，不同CO₂浓度制备的球霰石型晶体的平均粒径变化不大，因而用CO₂浓度为30%的原料气较适宜。

5、最佳碳化工艺条件

通过对以上工艺参数的考察，选择最佳工艺条件为：除杂沉淀pH值为11.13, 钙溶液浓度0.3mol/L,[氨水]/2[Ca²⁺]=1.1, 在CO₂流速为3L/min, CO₂体积分数为30%, 碳化温度为20℃, 碳化时间为24min, 所得的轻质碳酸钙产品以球霰石型碳酸钙为主，有极少量方解石型碳酸钙，完全符合国家标准《食品添加剂GB1898-2007轻质碳酸钙》对轻质碳酸钙的各项指标的要求。

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