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钙的用途及应用领域介绍
【钙的应用简介】
- 钙的应用历史较为悠久。在科学家发现这种元素之前，钙就已经被广泛应用到建筑生活当中。古代建筑中常见的大理石的主要成分就是钙，钙的化合物也被广泛应用到现代建筑中。钙对人体健康至关重要，是人体必需的常量元素。在工业领域中，钙的应用形式也非常广泛，如冶炼锡青铜、镍、钢时，钙用作脱氧剂；电子管制作中，钙用作吸气剂；钙是有机溶剂的脱水剂。
【工业领域】
- 钙在工业领域具体应用如下：
- 脱氧剂：冶炼锡青铜、镍、钢时，钙用作脱氧剂。
- 脱水剂：钙是有机溶剂的脱水剂。
- 脱硫与脱碳剂：钙是铁和铁合金的脱硫和脱碳剂。
- 吸气剂：电子管制作中，钙用作吸气剂。
- 除氮剂：钙是纯制惰性气体的除氮剂，分解具有恶臭的的噻吩和硫醇。
- 助熔剂：氟化钙用作光学玻璃、光导纤维、搪瓷的原料，用作助熔剂。
- 氧化剂、漂白药剂、快干剂：过氧化钙是缓和的氧化剂，用作杀菌、防腐、漂白药剂；也用作封闭胶泥的快干剂。
- 还原剂：钙是高温下冶金的还原剂——从氧化物、卤化物中制取金属铬、钍、铀、稀土元素、锆，以及磁性材料钐钴合金、吸氢材料镧镍合金和钛镍合金等。
- 含钙0.04%的铅钙合金有较高硬度和耐蚀性能，用作电缆线外皮和蓄电池铅板；铝合金中加入钙，可增强塑性。
【医学领域】
- 众所周知，钙对人体健康至关重要。
- 钙主要分布在人体骨骼和血浆中，随着人们对健康的日趋关注，钙在医学领域的应用也越加广泛。具体信息请见——钙对人体健康的影响。
【建筑领域】
- 含钙矿物在建筑领域的应用
- 含钙矿物有很多种包括方解石(主要成分碳酸钙-CaCO3)，石灰岩(主要成分碳酸钙)，石灰石(主要成分碳酸钙)，大理石(主要成分碳酸钙)，汉白玉(主要成分碳酸钙)，白云石(主要成分-CaMg(CO3)2)，萤石(主要成分氟化钙-CaF2)，石灰(主要成分氧化钙-CaO)等。其中碳酸钙是重要的建筑材料。如洁白纯净的碳酸钙岩石叫做汉白玉，可直接用来做装饰性的石柱或工艺品；因含杂质而有美丽花纹的碳酸钙叫做大理石，用来做建筑物外墙和内壁的贴面或铺设地面（如故宫园林中的大理石石雕，唐山市下辖的迁安市境的独有的两段用大理石建造的长城）；质地致密的碳酸钙岩石(石灰石)也可直接用于建房，但石灰石的主要用途是生产水泥。萤石也广泛应用于玻璃、陶瓷、水泥等建材工业中。石灰，由于原料分布广泛，也广泛应用于土木工程及各种建筑中。
- 钙的化合物在建筑领域的应用
- 钙的化合物在建筑领域应用也较为广泛，如上面提到的碳酸钙以各种矿石形式被应用到了装饰建筑行业。除碳酸钙CaCO3外，氧化钙CaO，氢氧化钙Ca(OH)2，氟化钙CaF2，硫酸钙CaSO4也在建筑领域有着广泛的应用，如氧化钙(生石灰)可用作建筑材料，水泥速溶剂；氢氧化钙(熟石灰、消石灰)可以与沙子混合来砌砖；氟化钙(氟石、萤石)用在玻璃、陶瓷、水泥等建材工业中；硫酸钙(硬石膏)可以用作水泥、油漆腻子及其他建筑材料。
钙的生产工艺
【钙的生产工艺简介】
- 钙的制备主要有还原法、电解法和钙精炼。由于金属钙的活泼性非常强，过去主要用电解熔融氯化钙或氢氧化钙才能制成，近几年还原法逐渐成为生产金属钙的主要方法。
【还原法】
- 还原法：还原法是使用金属铝在真空和高温下还原石灰，再经精馏而得钙。
- 还原法通常用石灰石为原料，经烧成氧化钙，以铝粉作还原剂，将粉碎的氧化钙与铝粉按一定比例混合均匀，压制成块，在0.01真空和1050-1200℃温度下反应，生成钙蒸气和铝酸钙。其反应式是：6CaO+2Al→3Ca+3CaO•Al2O3
- 还原出来的钙蒸气在750-400℃下结晶。结晶钙再在氩气保护下熔融铸锭，得到致密的钙锭。还原法生产钙的回收率一般在60%左右，工艺流程见下图：
- 由于其工艺过程也比较简单，近几年还原法是生产金属钙的主要方法。正常状态下的燃烧很容易达到金属钙的熔点，所以会引起金属钙的燃烧。
【电解法】
- 较早的电解是接触法，后来改进为液体阴极法电解。
- 接触法电解是拉特瑙(W.Rathenau)于1904年首先应用的。所用的电解质为CaCl2和CaF2的混合物。电解槽阳极用碳素如石墨等作内衬，阴极用钢制成。电解析出的钙漂浮在电解质表面，同钢制阴极接触而冷凝在阴极上。随着电解的进行，阴极相应提升，钙在阴极形成一个胡萝卜形的棒状物。
- 接触法生产钙的缺点是：原料消耗大，金属钙在电解质中的溶解度高，电流效率低，产品质量差(含氯1%左右)等。
- 液体阴极法是以铜钙合金(含钙10%-15%)作为液体阴极，石墨电极作阳极。电解析出的钙沉积在阴极上。电解槽槽壳用铸铁制作。电解质是CaCl2和KCI的混合物。选择铜作液体阴极的合金成分是因为铜钙相图中在高钙含量区域内，存在着非常广泛的低熔点区域，可以在低于700℃制取含钙60%-65%的铜钙合金。同时由于铜的蒸气压小，在蒸馏时容易分离。此外，含钙60%-65%的铜钙合金的密度较大(2.1-2.2g/cm³)，能保证与电解质很好地分层。阴极合金中钙含量不超过62%-65%。电流效率约为70%。每公斤钙消耗CaCl2为3.4-3.5公斤。
- 电解生产的铜钙合金在0.01托真空和750-800℃温度条件下进行每一次蒸馏，以除去易挥发的钾、钠等杂质。然后在1050-1100℃下进行第二次真空蒸馏，钙在蒸馏罐上部冷凝、结晶，而残铜(含钙10%-15%)留在罐底，返回电解槽使用。取出的结晶钙即为工业钙，品位为98%-99%。如果原料CaCl2中钠、镁总含量<0.15%，则铜钙合金经过一次蒸馏，即可得到含量≥99%的金属钙。
【钙精炼】
- 工业钙再经高真空蒸留处理可得到高纯度钙。一般控制蒸馏温度为780-820℃，真空度1×10-4。蒸馏处理对净化钙中氯化物效果较差，可在低于蒸馏温度时，添加氮化物，使形成CanCloNp形式的复盐。这种复盐蒸气压小，不易挥发而残留在蒸馏残渣中。通过添中氮化物和真空蒸馏净化，钙中杂质元素氯、锰、铜、铁、硅、铝、镍的总和可降到1000-100ppm，即可得到99.9%-99.99%的高纯度钙，再经挤压或轧制成棒和板，或切成小片，分装在密闭容器中。
- 根据以上三种制备方式，可以看出还原法工艺流程简单，耗能、耗时少，多方考虑更适于工业上生产金属钙，因此，近几年还原法是生产金属钙的主要方法。
