CN109499522A - 一种在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法 - Google Patents
一种在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,利用氨基酸等电点的性质,在pH大于氨基酸等电点的体系中合成氨基酸插层铝镁类水滑石;在pH小于氨基酸等电点的体系中采用超声及加热的方式实现氨基酸插层铝镁类水滑石的剥离;将剥离后得到的类水滑石纳米片层与蒙脱土进行插层组装得到类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料。本发明利用氨基酸等电点的性质,采用超声+加热的方式对色氨酸插层镁铝类水滑石进行剥离,通过改变剥离方式和剥离条件有效提高了类水滑石的剥离量及剥离效率,利于所得类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的进一步利用。
Description
技术领域
本发明属于无机层状复合材料的合成技术领域,具体涉及一种在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法。
背景技术
类水滑石化合物是一种层状化合物,层间具有可交换的阴离子。其层板金属离子、层间阴离子种类和数量及层间体积均具有一定可调控性。由于其独特的组成、结构性质以及微孔结构常作为吸附剂用于废水中重金属离子、阴离子以及有机污染物的去除。由于类水滑石层板较薄,热稳定性差,比表面积较小,单一的类水滑石难以满足废水处理的需要,与其他功能材料的复合可使类水滑石复合材料同时具备主、客体的优点,两者的协同作用对废水处理更为彻底、有效。蒙脱土具有与类水滑石相似的层状结构,可通过离子交换吸附阳离子,也可通过断键的方式吸附水中阴离子,将类水滑石剥离为带正电的纳米片层,利用蒙脱土的可膨胀性和层间阳离子的可交换性,将此片层引入蒙脱土层间,可得到一种吸附量更大的层状复合材料。目前类水滑石的剥离存在剥离量少、剥离效率低、剥离体系具有强腐蚀性等问题,限制了所得复合材料的进一步应用。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案,一种在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于具体过程为:利用氨基酸等电点的性质,在pH大于氨基酸等电点的体系中合成氨基酸插层铝镁类水滑石;在pH小于氨基酸等电点的体系中采用超声及加热的方式,利用氨基酸所带电荷与层板所带电荷相同而产生的静电斥力实现氨基酸插层铝镁类水滑石的剥离;将剥离后得到的类水滑石纳米片层与蒙脱土进行插层组装得到具有更高吸附量的类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料。
本发明所述的在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于具体步骤为:
步骤S1:混合盐溶液的配制
分别配制浓度为1.0mol·L-1的Mg(NO3)2溶液和浓度为0.5mol·L-1的Al(NO3)3溶液,按摩尔比Mg2+/Al3+=3/1、Mg2++Al3+=0.5mol/L的比例混合,最终得到60mL混合盐溶液;
步骤S2:色氨酸溶液的配制
将色氨酸溶于100mL蒸馏水中得到色氨酸溶液,其中色氨酸与混合盐溶液中NO3 -的摩尔比为1:6;
步骤S3:色氨酸插层铝镁类水滑石的制备
室温剧烈搅拌下,将60mL混合盐溶液与浓度为2mol·L-1NaOH溶液逐滴滴入色氨酸溶液中,并用pH计实时监测滴定过程中的pH值,控制滴定速度使整个反应过程中体系pH值保持为10,滴加完毕后所得浆液于60℃反应8h,抽滤、洗涤、干燥、研磨得到色氨酸插层镁铝类水滑石;
步骤S4:色氨酸插层铝镁类水滑石的剥离
取100mL蒸馏水,滴加浓度为0.1mol/L的盐酸溶液调节溶液的pH至3~4,将得到的色氨酸插层镁铝类水滑石加入至上述溶液中进行超声并加热,所得悬浮液以9000r/min的速率离心15min得到类水滑石纳米片层剥离液;
步骤S5:类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的制备
将2.5g蒙脱土加入至得到的类水滑石纳米片层剥离液中进行搅拌,带正电荷的镁铝类水滑石纳米片层作为阳离子进入蒙脱土层间,最终得到具有更大吸附量的类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料。
进一步优选,步骤S2所述色氨酸溶液的配制过程中将色氨酸溶液碱性蒸馏水中,以利于色氨酸的溶解。
进一步优选,步骤S3中所述体系pH值保持为10,高于色氨酸的等电点5.89,此时色氨酸带负电荷;步骤S4中所述溶液pH值保持为3~4,低于色氨酸的等电点5.89,此时色氨酸带正电荷。
进一步优选,步骤S4中所述超声并加热条件的加热温度为40~60℃。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:本发明利用氨基酸等电点的性质,采用超声+加热的方式对色氨酸插层镁铝类水滑石进行剥离,通过改变剥离方式和剥离条件有效提高了类水滑石的剥离量及剥离效率,利于所得类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的进一步利用。
附图说明
图1为蒙脱土及实施例3制得类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的XRD图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明,但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
本发明借助电泳仪对剥离液进行检测,根据剥离液中是否存在带正电荷的胶体粒子来判断是否发生剥离,且剥离液的zeta电位介于40~60mV之间时判定所得剥离液稳定。本发明借助X-射线衍射仪对制备的复合材料的晶体结构进行了表征分析。
实施例1
步骤S1:混合盐溶液的配制
分别配制浓度为1.0mol·L-1的Mg(NO3)2溶液和浓度为0.5mol·L-1的Al(NO3)3溶液,按摩尔比Mg2+/Al3+=3/1、Mg2++Al3+=0.5mol/L的比例混合,最终得到60mL混合盐溶液;
步骤S2:色氨酸溶液的配制
将色氨酸溶于100mL蒸馏水中得到色氨酸溶液,其中色氨酸与混合盐溶液中NO3 -的摩尔比为1:6;
步骤S3:色氨酸插层铝镁类水滑石的制备
室温剧烈搅拌下,将60mL混合盐溶液与浓度为2mol·L-1NaOH溶液逐滴滴入色氨酸溶液中,并用pH计实时监测滴定过程中的pH值,控制滴定速度使整个反应过程中体系pH值保持为10,滴加完毕后所得浆液于60℃反应8h,抽滤、洗涤、干燥、研磨得到色氨酸插层镁铝类水滑石;
步骤S4:色氨酸插层铝镁类水滑石的剥离
取100mL蒸馏水,滴加浓度为0.1mol/L的盐酸溶液调节溶液的pH至3~4,将得到的色氨酸插层镁铝类水滑石加入至上述溶液中进行超声并加热,所得悬浮液以9000r/min的速率离心15min得到类水滑石纳米片层剥离液,每隔1h采用电泳仪对剥离液进行检测判断是否发生剥离,不同剥离方式所对应的剥离时间如表1所示,由表1可知,采用超声+40℃加热的方式,所用剥离时间较少,且zeta电位介于40~60mV之间,稳定性较好。
表1剥离方式对剥离时间及zeta电位的影响
剥离方式 | 所需剥离时间 | zeta电位(mV) |
搅拌 | 3h | 24.53 |
超声 | 3h | 26.84 |
超声+30℃加热 | 1h | 38.26 |
超声+40℃加热 | 0.8h | 43.22 |
超声+50℃加热 | 0.8h | 42.68 |
实施例2
步骤S1:混合盐溶液的配制
分别配制浓度为1.0mol·L-1的Mg(NO3)2溶液和浓度为0.5mol·L-1的Al(NO3)3溶液,按摩尔比Mg2+/Al3+=3/1、Mg2++Al3+=0.5mol/L的比例混合,最终得到60mL混合盐溶液;
步骤S2:色氨酸溶液的配制
将色氨酸溶于100mL蒸馏水中得到色氨酸溶液,其中色氨酸与混合盐溶液中NO3 -的摩尔比为1:6;
步骤S3:色氨酸插层铝镁类水滑石的制备
室温剧烈搅拌下,将60mL混合盐溶液与浓度为2mol·L-1NaOH溶液逐滴滴入色氨酸溶液中,并用pH计实时监测滴定过程中的pH值,控制滴定速度使整个反应过程中体系pH值保持为10,滴加完毕后所得浆液于60℃反应8h,抽滤、洗涤、干燥、研磨得到色氨酸插层镁铝类水滑石;
步骤S4:色氨酸插层铝镁类水滑石的剥离
取100mL蒸馏水,滴加浓度为0.1mol/L的盐酸溶液调节溶液的pH至3~4,将得到的色氨酸插层镁铝类水滑石加入至上述溶液中进行超声并40℃加热0.8h,所得悬浮液以9000r/min的速率离心15min得到类水滑石纳米片层剥离液,采用电泳仪对剥离液进行检测判断是否发生剥离,不同剥离量剥离后所对应的zeta电位如表2所示,由表2可知,采用超声+40℃加热的方式,剥离量最大为1.5g/100mL,其zeta电位介于40~60mV之间,稳定性较好。
表2剥离量对zeta电位的影响
剥离量 | zeta电位(mV) |
0.50g | 43.17 |
0.75g | 44.66 |
1.00g | 42.59 |
1.25g | 41.09 |
1.50g | 43.80 |
1.75g | 35.49 |
2.00g | 23.93 |
实施例3
步骤S1:混合盐溶液的配制
分别配制浓度为1.0mol·L-1的Mg(NO3)2溶液和浓度为0.5mol·L-1的Al(NO3)3溶液,按摩尔比Mg2+/Al3+=3/1、Mg2++Al3+=0.5mol/L的比例混合,最终得到60mL混合盐溶液;
步骤S2:色氨酸溶液的配制
将色氨酸溶于100mL蒸馏水中得到色氨酸溶液,其中色氨酸与混合盐溶液中NO3 -的摩尔比为1:6;
步骤S3:色氨酸插层铝镁类水滑石的制备
室温剧烈搅拌下,将60mL混合盐溶液与浓度为2mol·L-1NaOH溶液逐滴滴入色氨酸溶液中,并用pH计实时监测滴定过程中的pH值,控制滴定速度使整个反应过程中体系pH值保持为10,滴加完毕后所得浆液于60℃反应8h,抽滤、洗涤、干燥、研磨得到色氨酸插层镁铝类水滑石;
步骤S4:色氨酸插层铝镁类水滑石的剥离
取100mL蒸馏水,滴加浓度为0.1mol/L的盐酸溶液调节溶液的pH至3~4,将得到的色氨酸插层镁铝类水滑石加入至上述溶液中进行超声并40℃加热0.8h,所得悬浮液以9000r/min的速率离心15min得到类水滑石纳米片层剥离液;
步骤S5:类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的制备
将2.5g蒙脱土加入至得到的纳米片层剥离液中进行搅拌,带正电荷的镁铝类水滑石纳米片层作为阳离子进入蒙脱土层间,最终得到具有更大吸附量的类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料。
对制备的类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料进行X射线衍射分析,其衍射图谱如图1所示,其中a为蒙脱土,b为类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料,图谱中显示出类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料特有的衍射峰,晶相单一,层间距为1.46nm,是一个单元类水滑石片层于一个单元蒙脱土片层的厚度之和。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明原理的范围下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (5)
1.一种在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于具体过程为:利用氨基酸等电点的性质,在pH大于氨基酸等电点的体系中合成氨基酸插层铝镁类水滑石;在pH小于氨基酸等电点的体系中采用超声及加热的方式,利用氨基酸所带电荷与层板所带电荷相同而产生的静电斥力实现氨基酸插层铝镁类水滑石的剥离;将剥离后得到的类水滑石纳米片层与蒙脱土进行插层组装得到具有更高吸附量的类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料。
2.根据权利要求1所述的在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于具体步骤为:
步骤S1:混合盐溶液的配制
分别配制浓度为1.0mol·L-1的Mg(NO3)2溶液和浓度为0.5mol·L-1的Al(NO3)3溶液,按摩尔比Mg2+/Al3+=3/1、Mg2++Al3+=0.5mol/L的比例混合,最终得到60mL混合盐溶液;
步骤S2:色氨酸溶液的配制
将色氨酸溶于100mL蒸馏水中得到色氨酸溶液,其中色氨酸与混合盐溶液中NO3 -的摩尔比为1:6;
步骤S3:色氨酸插层铝镁类水滑石的制备
室温剧烈搅拌下,将60mL混合盐溶液与浓度为2mol·L-1NaOH溶液逐滴滴入色氨酸溶液中,并用pH计实时监测滴定过程中的pH值,控制滴定速度使整个反应过程中体系pH值保持为10,滴加完毕后所得浆液于60℃反应8h,抽滤、洗涤、干燥、研磨得到色氨酸插层镁铝类水滑石;
步骤S4:色氨酸插层铝镁类水滑石的剥离
取100mL蒸馏水,滴加浓度为0.1mol/L的盐酸溶液调节溶液的pH至3~4,将得到的色氨酸插层镁铝类水滑石加入至上述溶液中进行超声并加热,所得悬浮液以9000r/min的速率离心15min得到类水滑石纳米片层剥离液;
步骤S5:类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的制备
将2.5g蒙脱土加入至得到的类水滑石纳米片层剥离液中进行搅拌,带正电荷的镁铝类水滑石纳米片层作为阳离子进入蒙脱土层间,最终得到具有更大吸附量的类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料。
3.根据权利要求2所述的在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于:步骤S2所述色氨酸溶液的配制过程中将色氨酸溶于碱性蒸馏水中,以利于色氨酸的溶解。
4.根据权利要求2所述的在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于:步骤S3中所述体系pH值保持为10,高于色氨酸的等电点5.89,此时色氨酸带负电荷;步骤S4中所述溶液pH值保持为3~4,低于色氨酸的等电点5.89,此时色氨酸带正电荷。
5.根据权利要求2所述的在水体系中高效制备类水滑石/蒙脱土无机层状复合材料的方法,其特征在于:步骤S4中所述超声并加热条件的加热温度为40~60℃,加热时间为0.8h。
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