八水碳酸鑭脫水熱力學特性及四水碳酸鑭超聲制備新技術

中圖分類號：R917 文獻標志碼：A 文章編號：1673-3851（2025）07-0461-08

引用格式：，等．八水碳酸鑭脫水熱力學特性及四水碳酸鑭超聲制備新技術[J．浙江理工大學學報（自然科學），2025，53（4）：461-468.

Abstract： To develop a new technology for the preparation of lanthanum carbonate tetrahydrate （La₂（CO₃）₃?4H₂O） ，thermal gravimetric analyzer and differential scanning calorimeter were employed to investigate the thermodynamic dehydration process of lanthanum carbonate octahydrate （La₂（CO₃）₃?8H₂O） Furthermore，the activation energy for each dehydration stage was calculated using the Ozawa equation. Based on this， ultrasonic technology was introduced to facilitate the dehydration of La₂（CO₃）₃?8H₂O to prepare La₂ （CO₃）₃?4H₂O ， and the phase， elemental composition， morphological structure， and phosphate binding capacity of La₂（CO₃）₃?4H₂O were analyzed. The results indicated that La₂（CO₃）₃?8H₂O sequentially lost 2， 2，and 4 crystal waters at 80°C ， 105°C ，and 350^°C ，respectively，and after losing 4 crystal waters， La₂（CO₃）₃?8H₂O could transform into the more thermodynamically stable La₂（CO₃）₃?4H₂O The La₂（CO₃）₃?4H₂O produced by ultrasonic technology had high phase purity，contained no impurity elements，and exhibited a morphology of uniformly dispersed flakes. In addition，the phosphate binding rate of La₂（CO₃）₃?4H₂O reached 98.27% within 27O minutes， demonstrating excellent phosphate binding efficiency.

The La₂（CO₃）₃?4H₂O prepared using ultrasonic technology in this study，which exhibits excellent dispersibility and high phase purity， has significant potential in the treatment of hyperphosphatemia.

Key words： lanthanum carbonate octahydrate （La₂（CO₃）₃?8H₂O） ; dehydration; activation energy; ultrasonic technology;lanthanum carbonate tetrahydrate （La₂（CO₃）₃?4H₂O）

0 引言

碳酸鑭在胃腸道環境釋放的三價鑭離子能有效結合體內的磷酸鹽，形成難溶性磷酸鑭復合物而隨糞便排出，因而可作為降磷藥物用于治療高磷血癥[1]。在碳酸鑭的多種水合形式中，四水碳酸鑭在臨床評估中表現出更高的生物利用度2。因此，四水碳酸鑭的制備和臨床應用成為近年來的研究熱點。

目前的制備工藝通常是先合成八水碳酸鑭，隨后脫水制得四水碳酸鑭。八水碳酸鑭的合成主要通過調整沉淀劑與氯化鑭反應實現。賀強等[3]以碳酸鈉作為沉淀劑，制備出粒度分布均勻、晶型良好的八水碳酸鑭，但碳酸鈉水溶液具有強堿性，容易導致堿式碳酸鑭雜質的生成。郭金鋮等[4]、張積鍇等[5]分別利用碳酸氫銨和氨水、碳酸氫鈉和碳酸鈉作為復合沉淀劑，制備出高純度的八水碳酸鑭。合成的八水碳酸鑭經脫水處理可以得到四水碳酸鑭，常用方法為高溫蒸發[、有機溶劑回流]等。然而，高溫或高濕環境容易生成雜質堿式碳酸鑭[8。另外，上述方法處理得到的四水碳酸鑭易于團聚，顆粒度大且不均勻，造成臨床用藥量偏大等問題。因此，亟需創新技術制備分散性優異的高物相純度四水碳酸鑭。

近年來，超聲波技術在化學合成、藥物生產中應用廣泛。針對水合物，利用其空化作用可輔助快速脫除結晶水[9]，且超聲波產生的高頻振動能加速粒子間的碰撞，促使粒子分散[10]。因此，在八水碳酸鑭的脫水過程中引入超聲波技術可實現快速脫水和分散效應，有助于制備高分散、高純度四水碳酸鑭。為探究超聲波技術的高效脫水效果，研究八水碳酸鑭的熱力學脫水過程具有重要意義。近年來，熱分析結合Ozawa方程成為分析結晶水合物脫水機制的常用手段。苑斯雯等[11]利用熱重分析研究十水草酸鈰的脫水過程，并通過Ozawa方程計算各脫水階段的活化能；胡彪等[12]基于Ozawa方程計算出NH₄Al（SO₄）₂?12H₂O 的脫水活化能，探究了該水合物在不同溫度下的存在狀態；樓波等[13]利用Ozawa方程計算 LaCl₃?7H₂O 各失水階段的活化能，發現第一階段脫水活化能最大。

本文利用熱重分析及差示掃描量熱分析技術等研究八水碳酸鑭的脫水過程，并采用Ozawa方程計算其脫水活化能，以探究結晶水脫除熱力學機制，進而引入超聲波技術輔助八水碳酸鑭脫水制備四水碳酸鑭。通過X射線粉末衍射、X射線光電子能譜及場發射掃描電子顯微鏡等表征產品的結構和性能，進而利用離子色譜分析四水碳酸鑭結合磷酸鹽的能力，為四水碳酸鑭在降磷藥物制劑中的應用提供理論依據。

1 實驗部分

1. 1 試劑與儀器

試劑：氯化鑭和磷酸二氫鉀購于上海麥克林生化科技股份有限公司，碳酸氫鈉購于杭州高晶精細化工有限公司，無水乙醇購于浙江騰宇新材料科技有限公司，以上試劑均為分析純；鹽酸 （36.0%～ 38.0% 購于杭州雙林化工試劑有限公司，純凈水（電導率 1.08μS/cm 購于杭州娃哈哈集團有限公司。

儀器：AG135型電子分析天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）、DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力辰邦西儀器科技有限公司）、XMTM-L-6000型數顯鼓風恒溫干燥箱（滄州極光試驗儀器有限公司）、HC-2518型高速離心機（安徽中科中佳科學儀器有限公司）、FSD-2012-GL型超聲波液體處理設備（杭州泛索能超聲科技有限公司）、TGA550型熱重分析儀（美國TA儀器公司）、DSC600O型差示掃描量熱儀（美國PerkinElmer公司）、D8Advance型X射線粉末衍射儀（德國Bruker公司）、ESCALABXi型X射線光電子能譜儀（德國ThermoFisher公司）、GeminiSEM-500型場發射掃描電子顯微鏡（德國Zeiss公司）和ICS-5O00型離子色譜儀（德國ThermoScientific公司）。

1. 2 四水碳酸鑭的制備方法

1. 2. 1 八水碳酸鑭的制備

分別配置濃度為 0.2mol/L 的氯化鑭和碳酸氫鈉溶液。將預先配置的碳酸氫鈉溶液緩慢滴加至氯化鑭溶液中（氯化鑭與碳酸氫鈉摩爾比為1：3），并保持 300Δr/min 轉速進行充分反應，在整個反應過程中，使用 pH 計監測溶液 pH 值變化，當 pH 值從4突變至6，立即結束反應，隨后抽濾分離出固體產物，干燥處理后獲得八水碳酸鑭。

1.2.2 超聲波脫水制備四水碳酸鑭

將 300mg 八水碳酸鑭加入 100mL 乙醇中，以60W/m² 超聲強度處理 90s ，對處理后的溶液以8000r/min 的轉速離心 3min ，去除上清液后，將沉淀物置于干燥器中進行干燥，在干燥期間定期稱量樣品質量，直至樣品質量穩定不變，獲得四水碳酸鑭。

1. 2. 3 四水碳酸鑭結合磷酸鹽實驗

配置 pH 值為3、濃度為 0.01mol/L 的磷酸二氫鉀溶液，用作模擬體液中理想的磷酸鹽結合條件。將 690mg 四水碳酸鑭加入 250mL 上述磷酸二氫鉀溶液中，保持體系溫度 37^°C ，以 50r/min 攪拌270min 。每隔 30min 取 10mL 反應液，共取樣10個，最后利用離子色譜儀測定反應液中的磷酸鹽含量。

1. 3 測試與表征

1.3.1 熱穩定測試

使用熱重分析儀對樣品進行熱失重分析。稱取5～10mg 的八水碳酸鑭置于氧化鋁坩堝中，設置氮氣流動速率 40mL/min ，以 10^°C/min 的升溫速率將樣品從室溫加熱至 800°C 。

在相同實驗條件下，設置不同的升溫速率（5、10.15.40^°C/min） ，將八水碳酸鑭分別從室溫加熱至 80.105，350^°C ，用于脫水機制分析。

使用差示掃描量熱儀分析八水碳酸鑭的脫水過程。稱取 3～8mg 的粉末樣品置于鋁皿中，設置氮氣流動速率 40mL/min ，以 10^°C/min 的升溫速率將樣品從室溫加熱至 350°C 。

根據阿倫尼烏斯方程[14]計算脫水過程的活化能變化，見式（1）：

其中： r 為脫水速率； A 為指前因子； T 為熱力學溫度， K;E 指反應活化能， kJ/mol;R 指摩爾氣體常數， J/（mol?K） ： f（α） 指反應方程； α 表示脫水率。 α 的計算公式為： α=（m_i-m_a）/（m_i-m_f） ，其中： m_i 和 m_f 分別代表樣品初始和最終的質量， mg;m_a 為水合物脫水時的質量， mg 。

積分后，獲得的Ozawa方程可化簡為式（2）：

其中： β_i 表示不同的升溫速率， ^°C/min ; Const表示常數項； E_a 表示物質脫水過程活化能， 5T_a，i 表示某一升溫速率下的脫水溫度， K 。在某一脫水率 α 下，以 lnβ 為縱坐標， 1/（RT） 為橫坐標作圖，擬合所得直線的斜率即為該脫水率下的活化能。

1.3.2 物相結構測試

使用X射線粉末衍射儀對樣品進行物相分析。稱取 30～50mg 的樣品，研磨均勻后置于樣品架上壓片，最后放入儀器樣品臺中測試。測試條件：管電壓 40kV 、管電流 40mA，Cu-Kα 射線， 2θ 范圍 5^°～ 40^° ，掃描速度 1（^°）/min 。

1.3.3 元素組成測試

使用X射線光電子能譜儀對樣品進行測試。將樣品均勻覆蓋在導電膠帶上，壓實后送入儀器分析室，通過光電子能量的差異，分析樣品表面存在的元素組成、含量及化學狀態等信息。測試條件：A1 Kα X-射線源，功率為 72W 。

1.3.4 微觀形貌測試

采用場發射掃描電子顯微鏡觀測樣品形貌。將樣品固定在導電膠上，進行 10mA，120 s 鍍金處理后，設定掃描電子顯微鏡加速電壓 3kV ，工作距離8mm 。在此條件下觀察樣品形貌特征。

1.3.5 磷酸鹽結合能力測試

使用離子色譜儀測定磷酸鹽濃度。將樣品經0.45μm 微孔濾膜過濾后，放人儀器中檢測磷酸鹽含量。其中，淋洗液為氫氧化鉀溶液，流速1.0mL/min ，進樣體積 25μL 。

2 結果與討論

2.1八水碳酸鑭脫水過程分析

2. 1. 1 八水碳酸鑭熱穩定性分析

圖1為八水碳酸鑭的TG 和 DSC曲線。圖1（a）顯示：八水碳酸鑭在升溫過程中發生3個階段的熱失重。第一階段室溫到 350^°C ，逐步脫除結晶水；第二階段 350～600^°C ，碳酸鑭熱分解釋放出2個 CO₂ ；第三階段 600～800^°C ，釋放1個 CO₂ 后最終分解為氧化鑭。結晶水脫除分為多個階段，通過差示掃描量熱分析可進一步明確這一過程。圖1（b）為八水碳酸鑭脫水過程的DSC曲線，八水碳酸鑭分別在80、105、168℃處吸熱脫水，對應3個脫水階段。

2.1.2 Ozawa方程分析脫水熱力學

為更深入理解其脫水機制，使用Ozawa方程分析脫水過程的活化能變化。Ozawa方程分析八水碳酸鑭脫水過程的熱力學結果見圖2所示。圖2（a）為不同升溫速率的失重曲線，從圖中可以看出，隨著升溫速率的提高，曲線呈現整體滯后現象。通過各升溫速率下的失重曲線，可以確定不同脫水率 α 下對應的溫度（見表1），進而根據Ozawa方程由 對1000/（RT） 擬合直線（見圖2（b）），最后計算出不同脫水率下的活化能等信息， R² 均大于0.99（見表1），說明擬合效果較好，數據可靠。圖2（c）為活化能與脫水率的關系圖，從圖中可以看出，活化能與脫水率密切相關。結合圖1的TG和DSC曲線分析，在脫水率為

10%～30% 時，活化能從 128.43kJ/mol 快速降至93.08kJ/mol ，說明該階段脫去的2個結晶水為通道型包容水合物，其與鑭離子以配位鍵結合存在于碳酸根離子形成的晶格通道內，位阻較小，容易脫除。當脫水率為 40%～60% 時，再次失去2個結晶水，該階段活化能從 82.48kJ/mol 緩慢降至 65.95kJ/mol. 0這主要歸因于通道水脫除后，隨著溫度升高，結晶水分子的活動空間增大而更易于脫離。此時，八水碳酸鑭共脫除4個結晶水轉變為四水碳酸鑭，當進一步升溫脫水至 70%～90% ，活化能由 75.53kJ/mol 升高至 114.62kJ/mol ，表明需要更高的能量才能使四水碳酸鑭完全脫除4個結晶水。上述結果表明，八水碳酸鑭的脫水過程活化能隨脫水率變化，過程較為復雜。

2.1.3 物相變化分析

利用XRD分析八水碳酸鑭分別在8O、105、350^°C 熱處理 2h 后的物相變化，結果如圖3所示。圖3表明：樣品熱處理后物相結構發生了轉變。80°C 和 105^°C 處理后在 2θ 分別為 13.41^° 、18.14^°，20.33^°，27.38^° 處顯示出四水碳酸鑭的衍射峰，但其衍射峰相對較弱，且在 20^°～30^° 有一個寬的非晶態衍射峰。經 350^°C 熱處理后，隨著所有結晶水的失去，四水碳酸鑭轉變為碳酸鑭。采用高溫熱處理八水碳酸鑭制備的四水碳酸鑭衍射峰較寬，含有大量非晶相，物相純度低。藥物結晶度及純度低會影響藥物的穩定性、生物利用度[15]。因此，通過高溫法制備四水碳酸鑭需要不斷優化結晶過程和純化方法以提高藥物的結晶度和物相純度，其生產工藝仍面臨諸多挑戰。四水碳酸鑭是一個穩定的水合物結構，可以通過八水碳酸鑭脫水處理制備，但傳統的高溫脫水處理所制備的四水碳酸鑭存在結晶差、易產生雜質堿式碳酸鑭等問題[8。針對上述問題，本文引入超聲波技術輔助脫水制備四水碳酸鑭，以期得到滿足藥用要求的高純產物。

2.2超聲波制備四水碳酸鑭的表征分析

2.2.1 X射線粉末衍射分析

超聲波輔助脫水制備的四水碳酸鑭XRD圖譜如圖4所示。由圖4可見：超聲波輔助脫水制備的四水碳酸鑭與文獻報道的四水碳酸鑭圖譜一致，在2θ 分別為 13.4^°，18.3^°，19.6^°，22.9^°，23.9^°，27.0^° 和30.3^° 處有明顯的特征衍射峰，且峰型尖銳，未觀察到非晶相峰；進一步將其與八水碳酸鑭（PDF#25-1400）、堿式碳酸鑭 I（PDF#26-0815） 和堿式碳酸鑭Ⅱ（PDF#49-0981）的標準圖譜進行對比，發現樣品的圖譜中不含上述物相的特征峰，表明超聲波技術制備的四水碳酸鑭物相純度高，不含雜質相。

2.2.2X射線光電子能譜分析

利用X射線光電子能譜分析樣品元素組成、含量及各元素的化學狀態，結果見圖5。圖5表明：四水碳酸鑭的全譜分析圖中，樣品僅含有 元素;La元素高分辨譜圖中發現 La3d_3/2 及La 3d_5/2 兩個亞軌道，且各軌道之間的能量差值接近La₂（CO₃）₃ 結合能差值，說明其存在狀態為La₂（CO₃）₃ 形式；C元素的擬合圖譜分別在290.05，285.92，284.80eV 識別出碳酸鹽、C—O及C一C的化學鍵合狀態，其中碳酸鹽含量占比高，為60.15% ；O元素的擬合高分辨圖譜在 531.60eV 處識別出屬于碳酸鹽化學鍵合狀態的峰位。該元素分析數據表明所制備的產物不含有其他雜質元素，C、O和La元素的含量及化學狀態進一步說明樣品為四水碳酸鑭。

2.2.3 掃描電子顯微鏡分析

為探究超聲波技術對四水碳酸鑭形貌的影響，比較了八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的形貌結構，結果見圖6。圖6（a）和圖6（b）為低倍率下八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的形貌特征，八水碳酸鑭團聚嚴重，而經超聲波脫水處理后，獲得的四水碳酸鑭分散性好，分布均勻。圖6（c和圖6（d）為高倍率下八水碳酸鑭和四水碳酸鑭的微觀結構，兩者均為片層狀，但八水合物片層層數多、片層厚度約 2μm ，超聲處理后的四水碳酸鑭片層層數減少、厚度約為 0.8μm 。因此，超聲波技術可以制備分散均勻且片層薄的四水碳酸鑭，比表面積增大，有利于提高其生物利用度。

2.2.4 磷酸鹽結合能力分析

超聲波脫水制備的四水碳酸鑭磷酸鹽結合率與時間的關系如圖7所示。圖7顯示：四水碳酸鑭能迅速與磷酸鹽結合并達到平衡狀態，在 5min 時磷酸鹽結合率為 25.16% ， 120min 時磷酸鹽結合率能達到 90.17% ， 270min 時能結合 98.27% 的磷酸鹽，表明超聲波制備的四水碳酸鑭在短時間內能結合大量的磷酸鹽，具有優異的降磷效果。

3結論

本文通過分析八水碳酸鑭的脫水機制，探究了超聲波輔助脫水制備四水碳酸鑭新技術，并對所制備的四水碳酸鑭進行磷酸鹽結合能力分析，主要結論如下：

a）八水碳酸鑭的脫水過程分3個階段且脫水活化能呈先降低后增加趨勢。前兩個階段共脫除4個結晶水得到四水碳酸鑭，該階段活化能先由128.43kJ/mol 快速降至 93.08kJ/mol ，隨后，活化能緩慢降至 65.95kJ/mol 。第三階段脫除剩余4個結晶水時活化能急劇升高，活化能由 75.53kJ/mol 升高至 114.62kJ/mol ，說明可以通過對八水碳酸鑭脫水處理獲得結構穩定的四水碳酸鑭。

b）采用超聲波技術輔助脫水可制備高純度、高分散薄片狀四水碳酸鑭，其磷酸鹽結合能力在270min高達 98.27% ，具有優異的降磷效果。

本文開發的超聲波輔助脫水新技術，能夠避免高溫高濕環境，以高效簡單的形式制備出高分散性的高物相純度四水碳酸鑭，為開發具有優異降磷效果的高純四水碳酸鑭提供了理論參考。

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（責任編輯：張會?。?/p>