CN110963513A - 一种镁基水滑石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁基水滑石的制备方法,包括:将含镁料液、第一金属盐制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子包括镁离子和N价金属离子,N为+3或+4;配制碱性溶液;将混合金属盐溶液与碱性溶液同时加入至超重力反应器进行沉淀反应,制得浆料产物;对浆料产物进行固液分离,在固相中得到镁基水滑石。本发明通过利用超重力反应器并调控反应物料比例和反应条件,既实现了设备连续化、自动化和规模化生产,同时还得到了粒度均一的镁基水滑石产品。
Description
技术领域
本发明涉及水滑石的制备技术领域,具体涉及一种镁基水滑石的制备方法。
背景技术
青海拥有丰富的盐湖镁资源,镁储量丰富。然而,目前对镁的利用多致力于低品位、低附加值产品。因此,开发具有高附加值的镁基功能材料,拓展盐湖资源的应用方向具有非常重要的意义。
层状复合金属氢氧化物是一种层状材料(简称水滑石,简写LDHs),LDHs由带正电荷的金属氢氧化物层板和带负电荷的层间阴离子组装而成,其组成结构式为:[M2+ 1-xM3+ x(OH)2](An-)x/n·mH2O,其中M2+和M3+分别为位于主体层板上二价和三价金属阳离子,An-是可交换的层间阴离子,x为M3+/(M2++M3+)的摩尔比值,m为层间水分子的摩尔量。位于层板上的二价金属阳离子M2+可以在一定比例范围内被离子半径相近的三价金属阳离子M3+同晶取代,从而使主体层板带部分的正电荷;层间可交换的客体阴离子An-与层板正电荷相平衡,使LDHs整体上呈现电中性。LDHs具有主客体元素种类和数量可调、层板弹性可调、尺寸和形貌可调等特点。因LDHs结构的特殊性及性能被极大强化的特点,该材料在催化、能源、生物传感器、吸附、药物等研究领域引起了国际上的广泛兴趣和高度重视,产业间关联度大、渗透性强,可广泛应用于国民经济众多领域和行业。其中,镁基LDHs材料可被用作阻燃剂、热稳定剂、吸附剂、抗老化剂、催化剂或载体等,利用盐湖丰富的镁资源制备镁基LDHs材料具有重要的意义。
传统的LDHs的制备方法主要包括水热法、沉淀法、离子交换法、焙烧还原法等。沉淀法采用金属混合盐溶液与混合碱溶液通过适当的方法混合得到沉淀后晶化一定时间得到,该方法具有适用范围广的特点;焙烧还原法是建立在LDHs记忆效应的基础上,是将LDHs经一定温度焙烧处理得到复合金属氧化物,再将该氧化物加入至含有某种阴离子的溶液,得到该阴离子插层的LDHs。原位生长法是指在载体表面经处理后得到同时具有材料本身以及载体基质共同优点的复合材料。水热法是将金属盐溶液与碱溶液混合后置于水热反应釜中,在一定温度和压力下得到产品。但是上述方法多为一锅式的制备,而这些方法从根本上不利于实现连续化和自动化,合成过程容易受人工影响引起产品批次质量不稳定,不利于大规模生产。此外,上述方法得到的产品粒径分布不均一,容易影响产品的后期实际应用。
发明内容
为解决上述现有层状双金属氢氧化物的一锅式生产方法带来的不同批次产品质量不稳定的问题,本发明提供一种利用超重力反应器来实现设备连续化、自动化、大规模制备的方法,该方法制得的镁基水滑石粒径分布均一,且具有优异的抗老化性能和阻燃性能。
为了达到上述发明目的,本发明提供一种镁基水滑石的制备方法,包括如下步骤:
A:将含镁料液、第一金属盐制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子包括镁离子和N价金属离子,N为+3或+4;
B:配制碱性溶液;
C:将混合金属盐溶液与碱性溶液加入超重力反应器进行沉淀反应,制得浆料产物;
D:对浆料产物进行固液分离,在固相中得到镁基水滑石;
其中镁基水滑石的组成结构式为:[Mg1-xMN+ x(OH)2](An-)z·mH2O,其中MN+为位于主体层板上的N价金属离子,An-是可交换的层间阴离子,x为MN+/(Mg2++MN+)的物质的量的比值,0.2≤x≤0.4,m为层间结晶水分子数。
进一步地,步骤A还包括将第二金属盐与所述含镁料液和所述第一金属盐一起制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子还包括由第二金属盐带来的不同于镁离子的二价金属离子;其中镁基水滑石的组成结构式为MgaM2+ bMN+ 1-a-b(OH)2(An-)c·mH2O,其中MN+为位于主体层板上的N价金属离子,An-是可交换的层间阴离子,0.2≤a≤0.4,0≤b≤0.2,m为层间结晶水分子数。
进一步地,所述N价金属离子为Al3+、Ni3+、Co3+、Fe3+、Mn3+、Cr3+、V3+、Ti3+、In3+、Ga3+、Ti4+、Sn4+、Mn4+中的至少一种;所述碱性溶液为强碱溶液或弱碱溶液。
更进一步地,所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、LiOH溶液、氨水、Na2CO3溶液、K2CO3溶液、Li2CO3溶液、(NH4)2CO3溶液、NH4HCO3溶液、水合肼溶液、二缩脲溶液、六次亚甲基四胺溶液中的至少一种。
更进一步地,所述二价金属离子为Zn2+、Ca2+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cd2+、Be2+中的至少一种。
更进一步地,所述混合金属盐溶液中的阴离子为Cl-、SO4 2-、CO3 2-、NO3 -、ClO4 -、ClO3 -、CO3 2-、SO4 2-、SO3 2-、S2O3 2-、H2PO4 -、HPO4 2-、PO4 3-、B4O7 2-、水杨酸根、对氨基苯甲酸根、乙二酸根、丙二酸根、对苯二甲酸根和十二烷基磺酸根中的任意一种。
进一步地,所述混合物金属盐溶液的物质的量浓度为0.1~10mol/L;碱性溶液的物质的量浓度为0.1~20mol/L。
更进一步地,在所述混合金属盐溶液中,所述金属阳离子中的所有二价金属离子与所述N价金属离子的物质的量之比为1:1~100:1;所述镁离子与所述由第二金属盐带来的二价金属离子的物质的量之比为1:0~10。
进一步地,所述步骤C中,在超重力反应器的温度为5~95℃,转速为100~5000rpm。
进一步地,还包括对所述浆料产物进行晶化,晶化条件包括:25~300℃的晶化温度、2~100h的晶化时间。
进一步地,还包括在所述步骤A和/或所述步骤B中加入改性剂,改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基氯化铵、硬脂酸钠、硬脂酸锌、十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
进一步地,所述含镁料液包括镁盐溶解后的溶液、盐湖卤水、油田水的含镁料液或海水的含镁料液。
本发明提供的镁基水滑石的制备方法通过利用超重力反应器并调控反应物料比例和反应条件,既实现了设备连续化,又保证了反应床层温度、浓度与过饱和度分布均匀。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述,本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚,附图中:
图1为本发明实施例1所得白色粉末的XRD谱图;
图2为实施例2所得白色粉末的XRD谱图;
图3为实施例3所得MgAl-LDHs的SEM照片;
图4为实施例4所得MgAl-LDHs的SEM照片;
图5为实施例3和实施例4所得镁基水滑石的紫外吸收谱图。
具体实施方式
以下,将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而,可以以许多不同的形式来实施本发明,并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反,提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用,从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
本发明的发明人基于现有层状双金属氢氧化物的一锅式生产方法带来的不同批次产品质量不稳定问题,提供了一种利用超重力反应器来实现镁基水滑石可连续化制备的方法。
本发明实施例提供的可连续化制备镁基水滑石的制备方法,包括以下步骤:
步骤A:将含镁料液、第一金属盐制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子包括镁离子和N价金属离子,N为+3或+4。
进一步地,步骤A还可以包括将第二金属盐与所述镁盐和所述第一金属盐一起制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子还包括由第二金属盐带来的不同于镁离子的二价金属离子。
上述含镁料液包括镁盐溶解后的溶液或各类含镁卤水。例如:盐湖卤水的提纯(包括提锂、提硼或提钾等操作)后的含镁料液或海水提纯(包括提锂、提硼或提钾等操作)后的含镁料液。水可溶性镁盐可以是硝酸镁、氯化镁、硫酸镁等;也可以是镁离子浓度为0.05g/L~500g/L的卤水或含镁料液直接作为镁源;对于不溶或难溶镁盐,可以通过加酸或加碱使其溶解,制成含镁料液,比如,针对采用微溶于水的碳酸镁,可以滴加盐酸使其形成含镁料液。
N价金属离子为Al3+、Ni3+、Co3+、Fe3+、Mn3+、Cr3+、V3+、Ti3+、In3+、Ga3+、Ti4+、Sn4+、Mn4+中的至少一种。
不同于镁离子的二价金属离子选择为Zn2+、Ca2+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cd2+、Be2 +中的至少一种。
混合金属盐溶液中的阴离子为Cl-、SO4 2-、CO3 2-、NO3 -、ClO4 -、ClO3 -、CO3 2-、SO4 2-、SO3 2-、S2O3 2-、H2PO4 -、HPO4 2-、PO4 3-、B4O7 2-、水杨酸根、对氨基苯甲酸根、乙二酸根、丙二酸根、对苯二甲酸根和十二烷基磺酸根中的任意一种。
混合物金属盐溶液的物质的量浓度为0.1~20mol/L。
在混合金属盐溶液中,金属阳离子中的所有二价金属离子与N价金属离子的物质的量之比为1:1~100:1。步骤A没有使用第二金属盐的情况下,此处的所有二价金属离子指的是镁离子;步骤A使用第二金属盐的情况下,此处的所有二价金属离子指的是镁离子加上第二金属盐带来的二价金属离子。
在混合金属盐溶液中,镁离子与由第二金属盐带来的二价金属离子的物质的量之比为1:0~10。当比值为1:0时,意味着步骤A中没有第二金属盐的加入。
步骤B:配制碱性溶液。
碱性溶液的物质的量浓度为0.1~20mol/L,可以是强碱溶液或是弱碱溶液。
碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、LiOH溶液、氨水、Na2CO3溶液、K2CO3溶液、Li2CO3溶液、(NH4)2CO3溶液、NH4HCO3溶液、水合肼溶液、二缩脲溶液、六次亚甲基四胺溶液中的至少一种。
在步骤A和/或所述步骤B中均可加入改性剂,如聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵等。
步骤A和步骤B不存在必须的先后操作顺序。
步骤C:将混合金属盐溶液与碱性溶液同时加至超重力反应器中进行沉淀反应,制得浆料产物。
超重力反应器的承受温度约为5~95℃,因此,反应过程中需要将温度设置在该范围内,转速为100~5000rpm。
浆料产物可以进一步送回至超重力反应器中与混合金属盐溶液和碱性溶液再次反应。
步骤D:对浆料产物进行固液分离,在固相中得到镁基水滑石。
优选对浆料产物进行晶化以提高其结晶度、并对粒径进行调控,晶化条件包括:25~300℃的晶化温度、2~100h的晶化时间。
不加入第二金属盐制备得到的镁基水滑石的组成结构式为:[Mg1-xMN+ x(OH)2](An-)z·mH2O,其中MN+为位于主体层板上的N价金属离子,An-是可交换的层间阴离子,x为MN +/(Mg2++MN+)的物质的量的比值,0.2≤x≤0.4,m为层间结晶水分子数。
加入第二金属盐制备得到的镁基水滑石的组成结构式为:MgaM2+ bMN+ 1-a-b(OH)2(An-)c·mH2O,其中MN+为位于主体层板上的N价金属离子,An-是可交换的层间阴离子,0.2≤a≤0.4,0≤b≤0.2,m为层间结晶水分子数。试验证明,三元镁基水滑石的紫外吸收性能明显优于二元镁基水滑石,对于后续产品的抗老化性能提升具有积极贡献。
本发明提供的镁基水滑石材料可被用作阻燃剂、热稳定剂、吸附剂、抗老化剂、催化剂或载体,应用范围广,极大地促进了盐湖镁资源的高附加值产品的开发。
本发明提供的镁基水滑石制备方法,可在实现层状双金属氢氧化物连续化、自动化、大规模生产的同时,进一步促进盐湖镁资源的高值化利用。此外,因该方法得到的镁基水滑石粒径更均匀、更细、批次质量更稳定,从而利于在高聚物材料中的分散,并表现出更优异的阻燃、热稳定和抗老化性能。
以下将结合具体的实施例来说明本发明的上述镁基水滑石的制备方法,本领域技术人员所理解的是,下述实施例仅是本发明上述镁基水滑石的制备方法的具体示例,而不用于限制其全部。
实施例1
(1)混合金属盐溶液的配制:称取MgCl2·6H2O 40.6g和AlCl3 13.3g,溶于1L的去离子水中,得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取NaOH 24g和NaCO3 28.8g溶于1L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液按照50mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为3000rpm,温度为80℃。
(4)超重力反应器得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到白色粉末。
图1为得到的白色粉末的X射线衍射谱图(简称XRD图),从图中看到白色粉末具有标准的MgAl-LDHs的特征衍射峰。
实施例2
(1)混合金属盐溶液的配制:称取3.5g的十二烷基硫酸钠(SDS)溶于1.5L去离子水中,溶解完全后,加入MgCl2·6H2O 40.6g和AlCl3 24g,得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取NaOH 24g和NaCO3 10g溶于1.5L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液按照50mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为3000rpm,温度为50℃。
(4)超重力反应器得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到白色粉末。
图2为得到的白色粉末的X射线衍射谱图(简称XRD图),从图中看到白色粉末具有标准的MgAl-LDHs的特征衍射峰。
实施例3
(1)混合金属盐溶液的配制:取12L镁离子浓度为108g/L的卤水,加入氯化铝199.5g,得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取NaOH 720g溶于12L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液按照20mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为2000rpm,室温反应。
(4)超重力反应器得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到MgAl-LDHs白色粉末。
图3为本实施例制备得到的MgAl-LDHs的扫描电子显微镜(以下简称SEM)照片。与常规的沉淀法制备的水滑石相比,超重力法得到的水滑石粒径更均一,形貌更规则。该分散性好、粒径均一的镁基水滑石能在高聚物中表现出更好的分散性和更好的阻燃、抗光热老化性能。
实施例4
(1)混合金属盐溶液的配制:取1L镁离子浓度为108g/L的卤水,加入六水合硝酸锌1338g,氯化铝1197g,再加入2L水得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取NaOH 1080g和Na2CO3 1296g溶于1L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液分别按照30mL/min和10mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为2000rpm,室温反应。
(4)超重力反应器得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到ZnMgAl-LDHs白色粉末。
图4为本实施例制备得到的ZnMgAl-LDHs的SEM照片,该镁基水滑石粒径均一,形貌为规则六角片状。
图5为实施例3制备得到的MgAl-LDHs(图中a曲线)与实施例4制备得到的ZnMgAl-LDHs(图中b曲线)的紫外吸收谱图。由图可知,三元的ZnMgAl-LDHs相比于二元的MgAl-LDHs水滑石表现出更好的紫外吸收性能,在实际应用中将具有更好的抗紫外光老化性能。
实施例5
(1)混合金属盐溶液的配制:称取MgCl2·6H2O 60.9g和FeCl3 16.2g,溶于1L的去离子水中,得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取KOH 56g溶于1L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液按照10mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为2000rpm,室温反应。从超重力反应器流出的沉淀进一步打进超重力反应器与混合金属盐溶液和碱性溶液继续混合、反应。
(4)超重力反应器得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到MgFe-LDHs白色粉末。
实施例6
(1)混合金属盐溶液的配制:称取Ni(NO3)2 364g和FeCl3 16.2g,溶于5L的去离子水中,得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取碳酸钠600g溶于5L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液按照10mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为2000rpm,温度为60℃。从超重力反应器流出的沉淀进一步打进超重力反应器,并在100℃下进行晶化12h。
(4)超重力反应器得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到MgNiFe-LDHs白色粉末。
实施例5
(1)混合金属盐溶液的配制:称取Mg(NO3)2 148g、Ni(NO3)2 182g和TiCl4 189g,于2L的去离子水中,得到澄清的混合金属盐溶液。
(2)配制碱性溶液:称取碳酸氢铵720g溶于2L的去离子水中得到澄清的碱性溶液。
(3)将混合金属盐溶液和碱性溶液按照10mL/min的速度打入至超重力反应器,设置超重力反应器转速为3500rpm,温度为20℃。从超重力反应器流出的沉淀进一步打进超重力反应器,并在80℃下进行晶化12h。
(4)晶化得到的白色沉淀经过离心分离、并用去离子水洗涤3次后、70℃烘箱中干燥得到MgNiTi-LDHs白色粉末。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明,但是本领域的技术人员将理解:在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下,可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (12)
1.一种镁基水滑石的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
A:将含镁料液、第一金属盐制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子包括镁离子和N价金属离子,N为+3或+4;
B:配制碱性溶液;
C:将混合金属盐溶液与碱性溶液加入超重力反应器进行沉淀反应,制得浆料产物;
D:对浆料产物进行固液分离,在固相中得到镁基水滑石;
其中镁基水滑石的组成结构式为:[Mg1-xMN+ x(OH)2](An-)z·mH2O,其中MN+为位于主体层板上的N价金属离子,An-是可交换的层间阴离子,x为MN+/(Mg2++MN+)的物质的量的比值,0.2≤x≤0.4,m为层间结晶水分子数。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤A还包括将第二金属盐与所述含镁料液、所述第一金属盐一起制成混合金属盐溶液,混合金属盐溶液中的金属阳离子还包括由第二金属盐带来的不同于镁离子的二价金属离子;
其中镁基水滑石的组成结构式为MgaM2+ bMN+ 1-a-b(OH)2(An-)c·mH2O,其中MN+为位于主体层板上的N价金属离子,An-是可交换的层间阴离子,0.2≤a≤0.4,0≤b≤0.2,m为层间结晶水分子数。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述N价金属离子为Al3+、Ni3+、Co3+、Fe3 +、Mn3+、Cr3+、V3+、Ti3+、In3+、Ga3+、Ti4+、Sn4+、Mn4+中的至少一种;所述碱性溶液为强碱溶液或弱碱溶液。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述碱性溶液为NaOH溶液、KOH溶液、LiOH溶液、氨水、Na2CO3溶液、K2CO3溶液、Li2CO3溶液、(NH4)2CO3溶液、NH4HCO3溶液、水合肼溶液、二缩脲溶液、六次亚甲基四胺溶液中的至少一种。
5.根据权利要求1~4任一所述的制备方法,其特征在于,所述二价金属离子为Zn2+、Ca2 +、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cd2+、Be2+中的至少一种。
6.根据权利要求1~4任一所述的制备方法,其特征在于,所述混合金属盐溶液中的阴离子为Cl-、SO4 2-、CO3 2-、NO3 -、ClO4 -、ClO3 -、CO3 2-、SO4 2-、SO3 2-、S2O3 2-、H2PO4 -、HPO4 2-、PO4 3-、B4O7 2-、水杨酸根、对氨基苯甲酸根、乙二酸根、丙二酸根、对苯二甲酸根和十二烷基磺酸根中的任意一种。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述混合物金属盐溶液的物质的量浓度为0.1~10mol/L;碱性溶液的物质的量浓度为0.1~20mol/L。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,在所述混合金属盐溶液中,所述金属阳离子中的所有二价金属离子与所述N价金属离子的物质的量之比为1:1~100:1;所述镁离子与所述由第二金属盐带来的二价金属离子的物质的量之比为1:0~10。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤C中,在超重力反应器的温度为5~95℃,转速为100~5000rpm。
10.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,还包括对所述浆料产物进行晶化,晶化条件包括:25~300℃的晶化温度、2~100h的晶化时间。
11.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,还包括在所述步骤A和/或所述步骤B中加入改性剂,改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基氯化铵、硬脂酸钠、硬脂酸锌、十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
12.根据权利要求1或2所述的制备方法,所述含镁料液包括镁盐溶解后的溶液、盐湖卤水、油田水的含镁料液或海水的含镁料液。
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