CN102284279A - 一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末及其制备方法。本发明所述的复合粉末包括凹凸棒土和二氧化硅，所述凹凸棒土和二氧化硅的重量比为25∶75～75∶25，所述复合粉末的制备方法包括：先将所述凹凸棒土与水配制成凹凸棒土悬浮液；然后按所述量将二氧化硅悬浮液或硅溶胶与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/凹凸棒土复合粉末。采用本发明所述方法制备的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末不含有机组分、具有良好吸附性、分散性能，并且大大降低了制造成本，是一种理想的多孔型无机纳米吸附剂，用途广泛。

Description

一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及无机化学领域，进一步地说，是涉及一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末及其制备方法。

背景技术

凹凸棒土(Attapulgite)又称坡缕石(Palygorskite)，是一种纳米级多孔道晶体状水镁铝硅酸盐，不同于蒙脱土等层状硅酸盐，晶体呈棒状或纤维状结构，长500～5000nm，直径10～20nm，其晶体结构内部存在规律的，大小固定的一维孔道，其截面积为气体分子、水分子和一定大小的极性有机分子能进入孔道。这种类似于沸石通道的微孔道的存在，赋予凹凸棒土具有较大的比表面积和吸附性能。同时，由于单个晶体呈细小的棒状、针状和纤维状，在分散时，棒状纤维可保持多方位呈毡状物无规则地沉积干燥后，凝聚体之间形成大小不均一的次生孔隙，使得凹凸棒土的比表面积进一步增加，原土凹凸棒土粉体比表面积均大于125m²/g。另外，凹凸棒土单个晶体在二维方向上均达到了纳米级，属于纳米粉体材料，并且其具有耐热性好、价格低廉，是一种很有潜力的二维增强材料。由于凹凸棒土独特的晶体结构和优良的特殊性能，使得凹凸棒土在阻隔材料、吸附材料、塑料材料中有诸多应用，参见中国专利CN1394664A、CN101066766A、CN1737083A。

凹凸棒土的基本结构单元，又称棒晶，是一种天然的一维无机纳米材料，通常情况下容易聚集，形成紧密平行聚集的棒晶束或者由棒晶束间相互聚集而形成的各种聚集体。棒晶的聚集导致不能充分发挥其纳米效应和吸附效应作用。为了提高凹凸棒土的分散性能，一般采用硅烷偶联剂进行表面处理以便降低凹凸棒土表面能，参见中国专利CN101613112A。但是硅烷偶联剂价格较高，且工艺繁琐。

因此，寻找一种低成本，工艺简单的方法降低凹凸棒土表面能，提高凹凸棒土的分散性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的生产成本高，工艺繁琐的问题，本发明提供了一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末及其制备方法，该复合粉末具有多孔结构并且制备工艺简单。

本发明的目的之一是提供一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末。

包括：凹凸棒土和二氧化硅，所述凹凸棒土和二氧化硅的重量比为25∶75～75∶25，优选为40∶60～75∶25。

以上所述凹凸棒土，是现有技术中通常存在的凹凸棒土。所述凹凸棒土在水中可以形成溶胶或悬浮液。

本发明所述的复合粉末中棒状的凹凸棒土晶体和球形的二氧化硅粒子为相隔离的分散状态，其中棒状的凹凸棒土晶体和二氧化硅粒子相互隔离，二氧化硅粒子起到了防止凹凸棒土晶体形成紧密平行聚集的棒晶束或者由棒晶束间相互聚集而形成的各种聚集体的作用。因为这种特殊的隔离状态，使得凹凸棒土的次生空隙进一步增多，增加了凹凸棒土的介孔含量。

本发明的目的之二是提供一种所述的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末的制备方法。

本发明的复合粉末中棒状的凹凸棒土晶体和球形的二氧化硅粒子的相互隔离的状态是由其制备方法所决定的。本发明通过将凹凸棒土悬浮液和二氧化硅粉末的悬浮液，或者硅溶胶在液体状态下混合均匀，使棒状的凹凸棒土晶体和球状的二氧化硅粒子在水中保持互相隔离分散的状态，然后经喷雾干燥，通过将悬浮液中的水快速干燥而使凹凸棒晶和二氧化硅小球的互相隔离分散的状态能够快速固定下来。

本发明的复合粉末的制备方法为：将凹凸棒土与水通过高剪切乳化机预先配制成一定浓度的悬浮液，然后与二氧化硅粉末的悬浮液或硅溶胶按所述比例进行液态混合，待混合均匀后，通过喷雾干燥的方法制备得到。

具体来讲，本发明所述的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末的制备方法，包含有以下步骤：

a、将所述凹凸棒土与水配制成凹凸棒土悬浮液；

b、将二氧化硅粉末与水配制成二氧化硅悬浮液，按所述量将二氧化硅悬浮液与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；

或者：按所述量将硅溶胶与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；

c、再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/凹凸棒土复合粉末。

以上方法中所述的水优选为蒸馏水。蒸馏水中不含离子，更有利于凹凸棒土在悬浮液中的分散。

以上方法步骤a和步骤b中，制备凹凸棒土悬浮液或制备二氧化硅悬浮液的方法可采用现有技术中各种制备悬浮液的方法及设备，一般可将凹凸棒土或二氧化硅粉末与水通过高剪切乳化机配制成一定浓度的悬浮液。凹凸棒土悬浮液的浓度以加入凹凸棒土充分分散后仍能保持流动性为宜，一般约为5％～20％wt。二氧化硅悬浮液的浓度也是以加入二氧化硅充分分散后仍能保持流动性为宜，一般约为5～20％wt。

以上方法步骤b中所述二氧化硅粉末的粒子平均粒径为10～200nm，优选为10～50nm。

以上方法步骤b中所述硅溶胶(mSiO₂·nH₂O)是粒径范围为10-20nm的二氧化硅微粒分散在水中形成的稳定悬浮液。本发明所述的硅溶胶可采用现有技术中的各种硅溶胶产品。

本发明复合粉末的制备方法步骤b中所述的凹凸棒土悬浮液中所含凹凸棒土的重量(即凹凸棒土悬浮液干重)与二氧化硅悬浮液中所含二氧化硅的重量(二氧化硅悬浮液干重)之比为25∶75～75∶25，优选为40∶60～75∶25；或者所述的凹凸棒土悬浮液中所含凹凸棒土的重量与硅溶胶中所含二氧化硅的重量(硅溶胶干重)之比为25∶75～75∶25，优选为40∶60～75∶25。

以上步骤b中将二氧化硅悬浮液或硅溶胶与层状无机粘土悬浮液的混合可采用现有技术中各种混合设备来进行，如高速搅拌机、高剪切分散乳化机、磁力搅拌机等。

以上步骤c中的喷雾干燥方法可采用现有技术中通用的喷雾干燥设备，其喷雾干燥的工艺条件也采用常规条件，一般进口温度可以控制在140-160℃，出口温度可以控制在50-70℃。

本发明采用无机纳米二氧化硅粒子作为凹凸棒土晶体间的隔离物，制备出一种不需要经过有机处理的无机粒子复合粉末，该粉末不含有机组分、具有良好吸附性能并且大大降低了制造成本，是一种理想的多孔型无机纳米吸附剂。采用本发明所述的方法制备的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末比纯凹凸棒土比表面积和/或孔容大，可用于催化剂载体、吸附材料等多方面。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1

将凹凸棒土(安徽省明美矿物有限公司生产)1000克与水19000毫升按5wt％的浓度混合，经高剪切分散机(FLUKO生产、型号FA25)分散并放置一周以上，然后再一次通过高剪切分散机分散得到充分剥离悬浮液。将分散好的凹凸棒土的悬浮液取1050克与硅溶胶70克(青岛化工厂生产、牌号ZA-25、SiO₂浓度25wt％、粒径约10～20nm、pH值大约7)按各自干重的75∶25配比混合，再在已混合溶液中加入280毫升的水，此时整个混合溶液中固体含量5wt％，用实验室高剪切分散乳化机以10000转每分钟搅拌30分钟，在喷雾干燥试验装置(QP-3X型号，北京北化研石化设计院生产)中喷雾，喷雾干燥器的进口温度为150℃，出口温度为60℃，于旋风分离器中收集得到干燥后凹凸棒土与二氧化硅比例为75/25的2#复合粉末。

实施例2

将二氧化硅粉末(沈阳化工股份有限公司，粒径范围为10～30nm)1000克与19000毫升水按5wt％的浓度混合，经高剪切分散机(同实施例1)分散得到稳定的悬浮液。取已制备好凹凸棒土悬浮液(同实施例1)840克与经分散得到的二氧化硅悬浮液560克按各自干重的60/40配比混合，按与实施例1相同的条件进行剪切分散并喷雾干燥后，得到凹凸棒土与二氧化硅比例为60/40的3#复合粉末。

实施例3

将已制备好的凹凸棒土悬浮液(同实施例1)700克与硅溶胶(同实施例1)140克按各自干重的50/50配比混合，加水560毫升将混合液固含量调整5wt％，其余处理方法和操作条件与实施例1相同，经喷雾干燥得到凹凸棒土与二氧化硅比例为50/50的4#复合粉末。

实施例4

将凹凸棒土悬浮液(同实施例1)350克与硅溶胶(同实施例1)210克按各自干重的25/75配比混合，加入水840毫升，混合液固含量为5wt％，其余处理方法和操作条件与实施例1相同，经喷雾干燥得到凹凸棒土与二氧化硅比例为25/75的5#复合粉末。

比较例1

凹凸棒土(安徽省明美矿物有限公司生产)未经任何处理记为1#粉末。

比较例2

硅溶胶(青岛化工厂生产、牌号ZA-25、SiO₂浓度25wt％、粒径约10-200纳米、pH值大约7)280克，加入水1120毫升，混合液固含量5wt％，其余处理方法和操作条件与实施例1相同，经喷雾干燥得到纯二氧化硅6#粉末。

将实施例1～4所制备的2～5#复合粉末、比较例1、2制备的1#、6#粉末经介孔/微孔分析仪(ASAP 2020，美国Micromeritics公司)测试得到复合粉末和粉末的比表面积和孔容性能列于表1中。

表1

从表1数据可以看出，二氧化硅的加入对凹凸棒土的比表面积和孔容都有很大影响。随着二氧化硅加入量的增加，复合粉末的比表面积随之增加。当凹凸棒土与二氧化硅重量比例为75/25时，孔容最大。此时复合粉末材料孔容比纯凹凸棒土与二氧化硅都要大，说明当凹凸棒土和二氧化硅重量比合适时，对凹凸棒土材料孔容的提高起到了协同效应。

本发明所制备的凹凸棒土与二氧化硅复合粉末不含有有机成分，并且制备工艺简单，是一种低成本的环境友好性材料。

由于凹凸棒土对于亲水性好、半径小的NH₃、吡啶、丙酮的吸附能力较大。吡啶、乙醇等高极性小分子的有机物将进入凹凸棒土的内部孔道，置换部分沸石水并与剩余沸石水形成氢键后再置换部分结合水。非极性分子如甲烷主要被吸附在凹凸棒土的外表面，因此本发明制备的凹凸棒土/二氧化硅复合无机粉末可以用于吸附甲烷、吡啶、乙醇等气体，如在矿井巷道中或辅助用在有浓度较高的有毒气体或者异味气体及放射性物质，且较差通风条件情况下的吸附剂。本发明制备的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末的孔容和比表面积都有较大改善，更利于气体分子的吸附，是一种多孔型无机纳米吸附粉末。

另外凹凸棒土具有很强的离子交换能力，能够滤除污水中的重金属离子，但是单独使用凹凸棒土并不能快速的在污水中分散开，影响污水处理效率。本发明的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末中，二氧化硅对凹凸棒土棒晶间起到了隔离作用，阻碍了凹凸棒土的聚集。由于本发明的复合粉末中两种无机物质的特殊隔离状态带来的松散结构，能够使得凹凸棒土在水中快速而均匀的分散，提高废水处理效率。

Claims (6)

1.一种凹凸棒土/二氧化硅复合粉末，包括：凹凸棒土和二氧化硅，所述凹凸棒土和二氧化硅的重量比为25∶75～75∶25，所述复合粉末由包括以下步骤的方法制备而成：

a、将所述凹凸棒土与水配制成凹凸棒土悬浮液；

b、将二氧化硅粉末与水配制成二氧化硅悬浮液，按所述量将二氧化硅悬浮液与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；

或者：按所述量将硅溶胶与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；

c、再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/凹凸棒土复合粉末。

2.如权利要求1所述的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末，其特征在于：

步骤b所述所述二氧化硅粉末的粒径范围为10～200nm。

3.如权利要求1所述的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末，其特征在于：

所述凹凸棒土和二氧化硅的重量比优选为40∶60～75∶25。

4.如权利要求1～3之一所述的凹凸棒土/二氧化硅复合粉末的制备方法，包含以下步骤：

a、将所述凹凸棒土与水配制成凹凸棒土悬浮液；

b、将二氧化硅粉末与水配制成二氧化硅悬浮液，按所述量将二氧化硅悬浮液与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；

或者：按所述量将硅溶胶与步骤a制得的凹凸棒土悬浮液混合均匀，得到混合液；

c、再将所得到的混合液喷雾干燥，得到所述二氧化硅/凹凸棒土复合粉末。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述凹凸棒土与水配制成凹凸棒土悬浮液的浓度为5～20％wt。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

所述水为蒸馏水。