CN107522208B - 一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法 - Google Patents

一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用钾霞石粉体(KAlSiO4)合成纳米白云母(KAl2[Si3AlO10](OH)2)副产硝酸钾(KNO3)的方法，属于精细化工材料制备领域。该方法是将白云母粉体与硝酸，醋酸溶液混合，在210～250℃的条件下水热反应12～72小时，合成得到固相产物纳米白云母和液相产物硝酸钾溶液。本发明以钾霞石粉体和硝酸为原料，合成纳米白云母，副产硝酸钾，充分利用了钾霞石中的钾、铝、硅组分，整个过程工艺简单，可达到“资源利用率100％”、“三废零排放”的高效节能和清洁生产的现代工业要求，易于实现工业化生产。

Description

一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法
技术领域
本发明属于精细化工材料制备技术领域，具体涉及一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法。
背景技术
白云母(K[Al2[AlSi3O10](OH)2)，其理论组成是K2O(11.8％)，Al2O3(38.5％)，SiO2(45.2％)，H2O(4.5％)。结构单元层为1∶2(T-O-T)型结构单元层内，[(Si，Al)O4]四面体共三个角顶形成六方网层，两层六方网层夹一层八面体层，构成云母结构层，两层活性氧和(OH)作最紧密堆积，阳离子(Al、Mg、Fe等)充填在八面体空隙中，形成八面体配位的阳离子层。白云母因其特殊的层状结构，使其晶格稳定，具有良好的电气绝缘性能，耐热性，透明性，机械性能(抗拉，抗压，抗剪)以及良好的可劈分性，同时云母的厚度决定了其可击穿电压大小不同，云母的熔点为1260～1330℃，白云母在500～600℃高温下不变质，膨胀较小，冷却后性质不发生变化，在700℃时脱水，800℃时机械、电气性能有所改变直至丧失。其次，云母具有极好的化学稳定性，耐碱性好，且在各浓度的冷盐酸中不起化学作用直到300℃时白云母在盐酸中才失去其坚固性，耐酸性好；同时碱对白云母也几乎不起作用，白云母还具有抗各种射线辐射的性能和良好的防水性。白云母良好的物理化学性质使其具有广泛的应用，云母粉制备的云母纸可取代天然薄片状云母，用作电气、电子和光学工业中的绝缘和支撑元件；其还可用于汽车面漆涂料，化妆品、油墨、塑料行业等高档材料。
天然白云母需通过选矿提纯、剥片、细磨和超细磨、表面改性等工艺来品位和质量，进而实现其高档次应用与利用价值的提升。随着现代工业的发展，对白云母粉体质量与粒度的要求越来越高，目前D90约45μm的白云母粉主要应用于造纸、乳胶漆、橡胶等行业，而高档涂料、珠光云母等产品对白云母粉体粒度提出了更高的要求，微纳米级超细云母粉的制备迫在眉睫。在磨矿过程中，白云母沿层间解理后的新鲜表面仍能紧密的结合，属较难磨的矿物之一，而且微纳米级的白云母对磨矿设备要求比较高，设备较难设计。
硝酸钾是一种高质量的无机钾肥，尤其是对于那些对氯化物敏感的作物，如烟草，茶，咖啡和其他经济作物。当前，世界上大部分硝酸钾是利用氯化钾合成得到的，然而我国氯化钾资源又极为紧缺，且价格昂贵、同时生产工艺又十分复杂。
发明内容
本发明的目的是提供了一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法。该方法以钾霞石粉体，硝酸为原料，采用水热法合成纳米白云母，副产硝酸钾产品。该方法工艺简单易行，资源利用率高，无三废排放，附加值较高，具有良好的经济效益。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法，包括以下步骤：
1)将钾霞石粉体，硝酸，醋酸，蒸馏水按质量比1∶(0.37-0.55)∶(0.003-0.018)∶(5-20)均匀混合形成浆料，其中硝酸的质量浓度为65～68wt％；
2)将步骤1中混合均匀的浆料置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在210～250℃下进行水热反应，反应时间12～72小时；
3)将步骤2的反应釜置于冷水中快速冷却，得到的浆料进行固液分离，得到滤液和滤饼；
4)将步骤3的滤液在110～120℃条件下进行蒸发结晶制得硝酸钾产品；
5)将步骤3的滤饼洗涤至洗液pH值为9～10，滤饼在95～105℃条件下干燥6～12h制得纳米白云母。
如上所述的方法，优选地，所述钾霞石粉体为六方晶型，钾霞石的质量分数＞90wt％，粒度-200目＞95％。
如上所述的方法，优选地，所述步骤2的水热反应在225～250℃下进行，反应时间24～48小时。
如上所述的方法，优选地，所述步骤5中洗涤后的洗液可用在步骤1中循环使用。
另一方面，本发明提供一种纳米白云母，其是采用如上所述的方法制备的。
本发明采用的钾霞石粉体可以通过商业途径购买，也可用钾长石粉体为原料经水热处理获得，该工艺已向国家知识产权局专利局提出发明专利申请：“利用钾长石粉体水热合成六方钾霞石的方法”(申请号：201010543249.9)，申请人为：中国地质大学(北京)。其钾长石原料来源广泛，生产成本低廉。该以钾长石粉体为原料水热合成六方钾霞石的方法的具体技术方案是：将钾长石矿石经破碎和粉磨后，制得钾长石粉体，钾长石粉体的粒度为-200目＞95wt％；将氢氧化钾与氢氧化钠配成的碱液与钾长石粉体混合，在220～280℃的条件下水热反应2～8h，经过滤、洗涤和干燥，制得六方钾霞石粉体；其中，碱液的浓度为8～12M，碱液中NaOH与KOH的摩尔比为7/3～0/10；其中，NaOH与KOH的摩尔比为0/10时，此该碱液中的NaOH为0；在碱液与钾长石粉体的质量比为2～8，并在水热反应过程中进行搅拌，搅拌速率为100～200转/分。所制得的六方钾霞石粉体中的氧化钾的含量在26.0wt％以上，氧化钠的含量在1.2wt％以下，粒度小于328目(即48μm)，可以直接用作本发明的原料。
本发明的有益效果在于：该方法采用水热法，反应结束后固液分离，得到滤液经蒸发结晶可得硝酸钾产品，突破了以氯化钾为原料制备硝酸钾的局限，钾霞石中氧化钾溶出率大于68％；得到的滤饼经洗涤、干燥可得到纳米白云母片状晶体，晶体厚度为20～70nm，片径为200～500nm，产品纯度高、悬浮稳定性好、光散射性好。本发明充分利用了钾霞石中的钾、铝、硅组分，在合成纳米白云母的同时，副产硝酸钾产品，其成本低廉、资源利用率高、无三废排放，且工艺简单、反应条件温和，具有良好的经济效益和应用前景。
附图说明
图1为实施例1的钾霞石原料与合成白云母的X射线粉末衍射图。
图2为实施例1制成的纳米白云母的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下实施例所用钾霞石粉体是以钾长石粉体为原料按照中国专利201010543249.9记载的方法经水热处理获得，化学成分分析结果如表1，经计算钾霞石质量百分含量为91.36wt％，X射线粉晶衍射图分析如图1。对原料X射线粉晶衍射数据进行指标化计算，其晶格常数与标准的JCPDS卡片(卡片号85-1413)中六方钾霞石的标准值基本一致(表2)。
表1六方钾霞石粉体(KA-16)的化学成分分析结果(wB％)
Figure BDA0001424535830000031
表2六方钾霞石粉体(KA-16)的晶格常数与JCPDS标准卡片对比
Figure BDA0001424535830000032
实施例1
分别称取钾霞石粉体100g，质量分数67％的硝酸37g，醋酸0.3g，蒸馏水500mL。先将硝酸、醋酸与蒸馏水混合成溶液，再将钾霞石粉体倒入溶液中，搅拌均匀形成浆料，装入带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在250℃的条件下水热反应18h，立即取出反应釜放入冷水中快速冷却，开釜后进行固液分离，滤液在110～120℃下蒸发结晶得到硝酸钾产品。采用ICP测得氧化钾溶出率为68.7％，硝酸钾中K2O含量为45.31％，折合硝酸钾纯度大于97％。滤饼用蒸馏水洗涤至滤液pH值为9-10，最后在95～105℃下干燥12h即得纳米白云母。采用该法合成的白云母为片状晶体(见图2)。利用原子力显微镜测得其厚度为约40nm，由扫描电镜图可知，片径为约200nm。X射线粉晶衍射图如图1，对白云母的X射线衍射数据进行指标化计算，其晶格常数与标准的JCPDS卡片(卡片号79-1570)中白云母的标准值基本一致(见表3)，测定制品白云母的纯度超过90％。
表3合成纳米白云母的晶格常数与JCPDS卡片标准值对比
Figure BDA0001424535830000041
实施例2
分别称取钾霞石粉体100g，质量分数67％的硝酸55g，醋酸1.8g，蒸馏水2000mL。先将硝酸、醋酸与蒸馏水混合成溶液，再将钾霞石粉体倒入溶液中，搅拌均匀形成浆料，装入带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在250℃的条件下水热反应24h，立即取出反应釜放入冷水中快速冷却，开釜后进行固液分离，滤液在110～120℃下蒸发结晶得到硝酸钾产品。采用ICP测得氧化钾溶出率为70.2％，硝酸钾中K2O含量为45.11％，折合硝酸钾纯度大于96％。滤饼用蒸馏水洗涤至滤液pH值为9-10，最后在95～105℃下干燥12h即得纳米白云母。测定制品白云母的纯度超过90％。该纳米白云母的原子力显微镜、扫描电镜照片和X射线粉晶衍射图与实施例1相近似。
实施例3
分别称取钾霞石粉体100g，质量分数67％的硝酸40g，醋酸1.0g，蒸馏水1000mL。先将硝酸、醋酸与蒸馏水混合成溶液，再将钾霞石粉体倒入溶液中，搅拌均匀形成浆料装入带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在250℃的条件下水热反应72h，立即取出反应釜放入冷水中快速冷却，开釜后进行固液分离，滤液在110～120℃下蒸发结晶得到硝酸钾产品。采用ICP测得氧化钾溶出率为69.7％，硝酸钾中K2O含量为45.21％，折合硝酸钾纯度大于97％。滤饼用蒸馏水洗涤至滤液pH值为9-10，最后在95～105℃下干燥12h即得纳米白云母。测定制品白云母的纯度超过90％。该纳米白云母的原子力显微镜、扫描电镜照片和X射线粉晶衍射图与实施例1相近似。

Claims (3)

1.一种利用钾霞石粉体合成纳米白云母副产硝酸钾的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将钾霞石粉体，硝酸，醋酸，蒸馏水按质量比1：(0.37-0.55)：(0.003-0.018)：(5-20)均匀混合形成浆料，其中硝酸的质量浓度为65～68wt％；
2)将步骤1中混合均匀的浆料置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在210～250℃下进行水热反应，反应时间12～72小时；
3)将步骤2的反应釜置于冷水中快速冷却，得到的浆料进行固液分离，得到滤液和滤饼；
4)将步骤3的滤液在110～120℃条件下进行蒸发结晶制得硝酸钾产品；
5)将步骤3的滤饼洗涤至洗液pH值为9～10，滤饼在95～105℃条件下干燥6～12h制得纳米白云母。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钾霞石粉体为六方晶型，钾霞石的质量分数＞90wt％，粒度-200目>95％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤2的水热反应在225～250℃下进行，反应时间24～48小时。
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