CN106946277A - 一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法。第一步，准确量取CaCl2溶液置于三颈瓶中，电热套加热控制溶液温度在40±2℃之间；第二步，将与CaCl2溶液等体积的NaAlO2溶液用恒压漏斗慢速滴入上述的三颈瓶内；第三步，在300‑350r/min搅拌速度下反应5‑10min后，向三颈瓶内加入Ca(OH)2；第四步，继续搅拌速度下反应30‑40min，抽滤后得到白色沉淀；第五步，用去离子水反复洗涤2‑3次，置于真空干燥箱内50±5℃真空干燥8‑10h后用石英研钵研磨成粉；第六步，超纯水溶解充分搅拌后抽滤，再次放入真空干燥箱中干燥后得高纯度弗里德尔盐，为白色粉末状。不仅缩短了合成所需时间，在小幅度提高了产物的纯度的同时大幅度提高了目标产物的产量。

Description

一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法
技术领域
本发明涉及一种简化合成设备、提高合成效率的合成弗里德尔盐技术，属于简化改进版实验室合成弗里德尔盐技术领域。
背景技术
Friedel盐(FS，其分子式为3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O)，由Friedel在1897年首次被发现并报道，属于双层金属氢氧化物(LDH),又被称为Ca-Al水滑石，可以用来处理放射性、有毒物质及废水净化。水铝钙石的层间阴离子具有可交换性，且在一定温度范围内焙烧时所获产物在水溶液中具有层状结构可恢复性，因此在水污染和固体废物处理领域有很大应用价。工农业废水、生活污水和受污染的天然水体中，有害元素常以含氧阴离子的形式存在，Friedel盐自然成为处理上述水体的首选材料之一。近来将Friedel盐用于含重金属污水的治理已受到关注。Dai和Zhang等报道了弗里德尔盐对铬和砷的吸附特很好。Ma等对FS去除氧化铝工业中的硅也做了研究，去除率达95％.。Liu等用高温法合成类似FS的水铝钙石去除溶液中锌离子，效果也较好。
此外，弗里德尔盐还是氯离子化学侵蚀混凝土形成的主要侵蚀产物，当前混凝土结构破坏的原因之一就是氯离子引起的钢筋锈蚀。综上，Friedel盐合成的改进对污水处理的研究和对氯离子传输和侵蚀钢筋混凝土的研究都有重要作用。
发明内容
技术问题：本发明提出了一种实验室合成弗里德尔盐的方法，是一种提高合成效率的方法。
技术方案：本发明的一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法包括下列合成步骤：
第一步，准确量取CaCl2溶液置于三颈瓶中，电热套加热控制溶液温度在40±2℃之间；
第二步，将与CaCl2溶液等体积的NaAlO2溶液用恒压漏斗慢速滴入上述的三颈瓶内；
第三步，在300-350r/min搅拌速度下反应5-10min后，向三颈瓶内加入Ca(OH)2；
第四步，继续搅拌速度下反应30-40min，抽滤后得到白色沉淀；
第五步，用去离子水反复洗涤2-3次，置于真空干燥箱内50±5℃真空干燥8-10h后用石英研钵研磨成粉；
第六步，超纯水溶解充分搅拌后抽滤，再次放入真空干燥箱中干燥后得高纯度弗里德尔盐，为白色粉末状。
其中，所述向三颈瓶内加入Ca(OH)2粉末的摩尔浓度与NaAlO2相同。
所述NaAlO2溶液摩尔浓度为CaCl2摩尔浓度的二分之一。
合成所需仪器简化为实验室常见的真空泵、干燥箱、电热套、三颈瓶、铁架台、恒压漏斗和分析天平；通过多次试验对比确定了最佳合成温度为40℃；从合成结果上看，在改进后生成的目标产物纯度高于原制备方法的同时，产物的产量提高了30％-50％。
有益效果：与之前的合成相比，改进合成弗里德尔盐具有以下优点：
1)合成仪器的简化：将原本所需的反应器、蠕动泵等简化为实验室内常见的三颈烧瓶、恒压漏斗等仪器，使实验室合成Friedel盐变得简单。
2)通过设计不同合成温度的配比，确定Friedel盐的最佳合成温度为40℃。
3)通过加入Ca(OH)2使反应向产物方向移动，在提高产物纯度的同时，使目标产物的产量增加了30％-50％。
附图说明
图1为合成的Fs改进前后X射线衍射分析对比图谱，
图2为改进后的Fs扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
本发明的改进合成弗里德尔盐的方法，合成所需仪器简化为实验室常见的真空泵、干燥箱、电热套、三颈瓶、铁架台、恒压漏斗和分析天平等；通过多次试验对比确定了最佳合成温度约40℃；从合成结果上看，改进后的产量约为原方法的1.3-1.5倍，改进后生成目标产物的纯度也高于原制备方法。
实验装置
郑州科丰仪器设备有限公司的SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵；
上海索普仪器有限公司的DZF-6050型真空干燥箱；
金坛市荣华仪器制造有限公司的JJ-1型精密定时电动搅拌器和智能控温电热套；
实验室电子分析天平一台；
三颈瓶一个；
恒压漏斗一个；
本发明的改进合成弗里德尔盐的方法，包括以下步骤：
第一步，准确量取一定体积一定浓度的CaCl2溶液置于三颈瓶中，电热套加热控制溶液温度在40±2℃之间；
第二步，将等体积的NaAlO2溶液用恒压漏斗慢速滴入上述的三颈瓶内，要求NaAlO2溶液摩尔浓度为CaCl2摩尔浓度的二分之一；
第三步，在300-350r/min搅拌速度下反应5-10min后，向三颈瓶内加入Ca(OH)2，要求加入的Ca(OH)2的摩尔与NaAlO2相同；
第四步，继续搅拌速度下反应30-40min，抽滤后得到白色沉淀；
第五步，用去离子水反复洗涤2-3次，置于真空干燥箱内50±5℃真空干燥8-10h后用石英研钵研磨成粉；
第六步，超纯水溶解充分搅拌后抽滤，再次放入真空干燥箱中干燥后得高纯度弗里德尔盐，状为白色粉末。
本发明改进合成弗里德尔盐所用原材料和仪器均为实验室常见物品，没有特殊说明的即为无特殊要求的市售普通品。
1.几次试合成Fs的纯度和产量对比：
在总结现有合成方法的基础上，综合考虑反应热效应和反应平衡，制备出了不同温度下的Friedel盐，后用XRD-Rietveld法定量分析产物中Friedel盐纯度，计算目标产物产量。
表1第一组改进前合成Friedel盐的纯度和质量
产量提高：69.4％
表2第二组改进前合成Friedel盐的纯度和质量
产量提高：49.5％
表3第三组改进前合成Friedel盐的纯度和质量
产量提高：45.6％
2.制备方法，流程如下：
第一步，准确量取200mL 0.5mol/L的CaCl2溶液置于三颈瓶中，控制温度在40±2℃之间；
第二步，将200mL 0.25mol/L的NaAlO2用恒压漏斗慢速滴入上述的三颈瓶内；
第三步，在300-350r/min搅拌速度下反应5-10min后，向三颈瓶内加入3.7±0.1gCa(OH)2；
第四步，继续搅拌速度下反应30-40min，抽滤后得到白色沉淀；
第五步，用去离子水反复洗涤2-3次，置于真空干燥箱内50±5℃真空干燥8-10h后用石英研钵研磨成粉；
第六步，超纯水溶解充分搅拌后抽滤，再次放入真空干燥箱中干燥后得高纯度弗里德尔盐，状为白色粉末。
3.XRD-Rietveld法半定量测量
本方法是由孙伟等人采用XRD-Rietveld全谱拟合法基于TOPAS软件对粉末状水泥组份进行物相定量分析的分析手段。
测试处理步骤：
第一步，将所得产物在玛瑙研钵中加入少量无水乙醇研磨至粉末通过0.08mm的筛；
第二步，将粉末置50±5℃真空干燥箱干燥一天后取出；
第三步，将样品与α-Al2O3(刚玉)按9：1的质量比混合，后加适量无水乙醇放入玛瑙研钵中混研1h，以达到混合均匀的目的；
第四步，混研后的产物置真空干燥器中干燥待测试。
改进合成Friedel盐分析：
本发明不仅仅在于简化了Friedel盐的合成装置，更重要的在于通过加入了Ca(OH)2，使合成产物质量得到了增加、目标产物的含量得到了提高。反应式为：
4CaCl2+2NaAlO2+12H2O＝3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O+2NaCl+4HCl
Ca(OH)2与反应生成的HCl发生酸碱中和反应生成CaCl2和H2O，在减少了生成物的同时增加了反应物，致使反应大幅向右移动，产物总重得到很大增加。同时Bothe等人的研究表明Fs在PH较高的环境下较为稳定，故引入Ca(OH)2使生成的Fs更加稳定。但由于反应本身反应限度的限制，故目标产物的纯度只有小幅度提高。

Claims (3)

1.一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法，其特征在于，该方法包括下列合成步骤：
第一步，准确量取CaCl2溶液置于三颈瓶中，电热套加热控制溶液温度在40±2℃之间；
第二步，将与CaCl2溶液等体积的NaAlO2溶液用恒压漏斗慢速滴入上述的三颈瓶内；
第三步，在300-350r/min搅拌速度下反应5-10min后，向三颈瓶内加入Ca(OH)2；
第四步，继续搅拌速度下反应30-40min，抽滤后得到白色沉淀；
第五步，用去离子水反复洗涤2-3次，置于真空干燥箱内50±5℃真空干燥8-10h后用石英研钵研磨成粉；
第六步，超纯水溶解充分搅拌后抽滤，再次放入真空干燥箱中干燥后得高纯度弗里德尔盐，为白色粉末状。
2.根据权利要求1所述的一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法，其特征在于，所述向三颈瓶内加入Ca(OH)2粉末的摩尔浓度与NaAlO2相同。
3.根据权利要求1所述的一种实验室高效合成弗里德尔盐的方法，其特征在于，所述NaAlO2溶液摩尔浓度为CaCl2摩尔浓度的二分之一。
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