TW202104083A - 水滑石製造方法 - Google Patents

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劉柏儀
黃朝靖
劉碧蓉
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Abstract

一種水滑石製造方法，用以解決習知水滑石製造方法中必須額外加入一鹼液的問題。該水滑石製造方法係包含：將一個二價金屬鹽及一個鹼性三價金屬鹽溶於水中，得一混合溶液，該混合溶液的pH值＞9，且該混合溶液中包含來自該二價金屬鹽的一個二價金屬陽離子與來自該鹼性三價金屬鹽的一個三價金屬陽離子，使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子於該混合溶液中共同沉澱而形成一水滑石。

Description

水滑石製造方法
本發明係關於一種水滑石製造方法，特別係關於一種能夠減少廢水產生的水滑石製造方法。
水滑石（hydrotalcite）又稱為層狀雙氫氧化合物（layerd double hydroxide），係具有如下之其通式： [
Figure 02_image001
Figure 02_image003
(OH)2 ] x + (
Figure 02_image005
)‧mH2 O。 其中，
Figure 02_image007
為鎂離子（
Figure 02_image013
）、鋅離子（
Figure 02_image015
）、亞鐵離子（
Figure 02_image017
）、鈷離子（
Figure 02_image019
）或鎳離子（
Figure 02_image021
）等的二價金屬陽離子，
Figure 02_image009
為鋁離子（
Figure 02_image023
）、鉻離子（
Figure 02_image025
）鐵離子（
Figure 02_image027
）、釩離子（
Figure 02_image029
）或鉬離子（
Figure 02_image031
）等的三價金屬陽離子，
Figure 02_image011
為碳酸根離子（
Figure 02_image033
）、氯離子（
Figure 02_image035
）、硝酸根離子（
Figure 02_image037
）、硫酸根離子（
Figure 02_image039
）或磷酸根（
Figure 02_image041
）等的n價陰離子，0.2≦x≦0.33，n及m為正整數。水滑石廣泛地應用於催化、吸附、離子交換、醫藥、塗料、功能性高分子材料、高分子添加劑或生物奈米複合材料等方面的應用。
以鎂鋁水滑石為例，習知水滑石製造方法（又稱酸性溶液調鹼合成法）中，係將硝酸鎂（Mg(NO3 )2 ）及硝酸鋁（Al(NO3 )3 ）溶於水中，再加入氫氧化鈉（NaOH）等鹼液，此時鎂離子（Mg2+ ）及鋁離子（Al3+ ）即會由於氫氧化物溶解度積而共同沉澱，即能夠獲得鎂鋁水滑石。
然而，該習知水滑石製造方法中，卻由於該鹼液的添加而增加了反應的成本，再且，該習知水滑石製造方法中，必須限制該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子的總濃度不高於30公克/公升時，才能夠成功製造獲得水滑石，因此加大了反應的總體機，進而產生更多的廢水。有鑑於此，習知的水滑石製造方法確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種水滑石製造方法，係可以免除鹼液添加的步驟者。
本發明的再一目的是提供一種水滑石製造方法，係可以縮小反應的總體積者。
本發明的水滑石製造方法，包含：將一個二價金屬鹽及一個鹼性三價金屬鹽溶於水中，得一混合溶液，該混合溶液的pH值＞9，且該混合溶液中包含來自該二價金屬鹽的一個二價金屬陽離子與來自該鹼性三價金屬鹽的一個三價金屬陽離子，使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子於該混合溶液中共同沉澱而形成一水滑石。
據此，本發明的水滑石製造方法係藉由該鹼性三價金屬鹽的使用，使該混合溶液可以為鹼性溶液，進而可以免除該習知水滑石製造方法中的鹼液添加步驟，可以達成降低鹼液添加所造成的時間及材料成本之功效。又，本發明的水滑石製造方法可以適用於該混合溶液中的該二價金屬陽離子與該三價金屬陽離子的總濃度已高於30公克/公升的狀況，因此可以縮小反應的總體積，達成提升減少廢液的產出之功效。
本發明的水滑石製造方法，另可以包含：於80～150℃之溫度下，隔水加熱該水滑石，如此可以促進呈非晶形的水滑石或呈低結晶性膠體態的水滑石可以進一步進行結晶反應，而能夠形成一結晶型水滑石。
本發明的水滑石製造方法，其中，該二價金屬陽離子可以為一鎂離子、一鋅離子、一亞鐵離子、一鈷離子或一鎳離子，該二價金屬鹽可以包含該二價金屬陽離子的硝酸鹽、硫酸鹽及氯鹽；又，該三價金屬陽離子可以為一鋁離子、一鉻離子、一鐵離子、一釩離子或一鉬離子，該鹼性三價金屬鹽可以為鋁酸鈉、正釩酸鈉或鉬酸鈉。如此，使本發明的水滑石製造方法可以用以製造如鎳鋁水滑石或鎂鋁水滑石等各種型態的水滑石。
本發明的水滑石製造方法，其中，該二價金屬鹽與該鹼性三價金屬鹽的莫耳比為1.5：1～5：1。如此，藉由該比例的調整，可以於使用最少量的該二價金屬鹽及該鹼性三價金屬鹽的狀況下產出最大量的水滑石。
本發明的水滑石製造方法，另可以包含：於該混合溶液中加入一界面活性劑，續使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子於含有該界面活性劑的該混合溶液中共同沉澱；舉例而言，該界面活性劑為溴化十六烷基三甲基銨、溴化十四烷基三甲基銨、十六烷基三甲基氫氧化銨或三段塊式高分子（PPO-PEO-PPO）。如此，藉由該界面活性劑的使用，可以促進該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子的共同沉澱，因此可以更進一步地提升水滑石的生產效率。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明的一實施例之水滑石製造方法，係使一個二價金屬鹽及一個鹼性三價金屬鹽於水中形成一個二價金屬陽離子及一個三價金屬陽離子，續使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子共同沉澱而形成水滑石。
詳而言之，該二價金屬鹽溶於水中時可以解離出該二價金屬陽離子，該二價金屬陽離子可以為一鎂離子（
Figure 02_image013
）、一鋅離子（
Figure 02_image015
）、一亞鐵離子（
Figure 02_image017
）、一鈷離子（
Figure 02_image019
）或一鎳離子（
Figure 02_image021
），且該二價金屬鹽可以為包含該二價金屬陽離子的硝酸鹽、硫酸鹽或氯鹽等（如，硝酸鎂、硝酸鎳等）。
又，該鹼性三價金屬鹽溶於水中時則可以解離出該三價金屬陽離子，且此時所獲得的鹼性三價金屬水溶液係呈鹼性，該三價金屬陽離子可以為一鋁離子（
Figure 02_image023
）、一鉻離子（
Figure 02_image025
）、一鐵離子（
Figure 02_image027
）、一釩離子（
Figure 02_image029
）或一鉬離子（
Figure 02_image031
），且該鹼性三價金屬鹽可以為鋁酸鈉（sodium aluminate）、正釩酸鈉（sodium orthovanadate）及鉬酸鈉（sodium molybdate）等。
值得注意的是，可以將該二價金屬鹽及該鹼性三價金屬鹽同時溶於水中，以得一混合溶液，或者分別使該二價金屬鹽及該鹼性三價金屬鹽溶於水中，以得一個二價金屬鹽水溶液及一個鹼性三價金屬鹽水溶液，續混合該二價金屬鹽水溶液及該鹼性三價金屬鹽水溶液而得該混合溶液。此時，較佳可以調整該二價金屬鹽及該鹼性三價金屬鹽的莫耳比，使該混合溶液的pH值可以為鹼性（pH值＞9）。於本實施例中，該二價金屬鹽及該鹼性三價金屬鹽的莫耳比為1.5：1～5：1。
該二價金屬鹽及該鹼性三價金屬鹽可以於該混合溶液中解離出該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子，該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子續能夠共同沉澱而形成水滑石。
此外，針對該混合溶液中的該二價金屬陽離子與該三價金屬陽離子的總濃度高於30公克/公升的狀況，本發明的水滑石製造方法仍能夠有效地製造獲得水滑石，因此相較於習知水滑石製造方法具有較佳的生產效率。並且，工者還可以於該混合溶液中另加入一界面活性劑，使該界面活性劑於該混合溶液中形成數個微胞（micelle），促使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子能夠吸附於該數個微胞上，並且於該數個微胞上整齊地排列，因而有助於該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子的共同沉澱，進而能夠再次地提升水滑石的生產效率。舉例而言，該界面活性劑可以為溴化十六烷基三甲基銨（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）、溴化十四烷基三甲基銨（tetradececyltrimethylammonium bromide，TTAB）、十六烷基三甲基氫氧化銨（hexadecyltrimethylammonium hydroxide）、三段塊式高分子（即，PPO-PEO-PPO；如，P123，以EO20 PO70 EO20 代表，其分子式為HO(CH2 CH2 O)20 (CH2 CH(CH3 )O)70 (CH2 CH2 O)20 H)）等。依據該混合溶液中的二價金屬陽離子的用量可以調整該界面活性劑的添加劑量，舉例而言，每單位莫耳鋁可以添加的界面活性劑為0.05莫耳以上，但不超過0.5莫耳。
此外，在該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子續能夠共同沉澱而形成水滑石之後，工者可以再對該水滑石進行隔水加熱，如此可以促進呈非晶形的水滑石或呈低結晶性膠體態的水滑石可以進一步進行結晶反應，而能夠形成一結晶型水滑石。於本實施例中，係於80～150℃之溫度下進行隔水加熱。
為證實藉由本發明的水滑石製造方法確實能夠獲得水滑石，遂進行以下試驗：
實驗例1、以本發明的水滑石製造方法於低濃度下製造水滑石
將無水硝酸鎂（Mg(NO3 )2 ，3.80公克，即0.026莫耳）溶於去離子水中，以得一硝酸鎂水溶液，及將鋁酸鈉（NaAlO2 ，1.04公克，即0.013莫耳）溶於去離子水中，以得一鋁酸鈉水溶液，及續混合該硝酸鎂水溶液及該鋁酸鈉水溶液而得該混合溶液，該混合溶液的總體積為100毫升，其中的鎂離子與鋁離子的總濃度為9.6公克/公升，且該混合溶液的pH值為11。
經劇烈攪拌15分鐘後，將該混合溶液於80℃之溫度下進行隔水加熱2小時，接著於室溫下冷卻沉澱，取得之固體產物進行X光繞射分析（X-ray diffraction，XRD）結果如第1圖所示，該固體產物具有水滑石結構，且總產量約為2.71公克。
比較例1、以習知水滑石製造方法於低濃度下製造水滑石
將無水硝酸鎂（Mg(NO3 )2 ，7.90公克，即0.054莫耳）溶於去離子水中，以得該硝酸鎂水溶液，及將無水硝酸鋁（Al(NO3 )3 ，3.80公克，即0.018莫耳）溶於去離子水中，以得一硝酸鋁水溶液，及續混合該硝酸鎂水溶液及該硝酸鋁水溶液而得該混合溶液，該混合溶液的總體積為200毫升，其中的鎂離子與鋁離子的總濃度為8.9公克/公升，再以一氫氧化銨水溶液（NH4 OH(aq) ）將該混合溶液的pH值調整至11。
經劇烈攪拌15分鐘後，將該混合溶液於80℃之溫度下進行隔水加熱2小時，接著於室溫下冷卻沉澱，取得之固體產物進行X光繞射分析（X-ray diffraction，XRD）結果如第2圖所示，該固體產物具有水滑石結構。
依據實驗例1及比較例1的比較結果可以得知：針對該混合溶液中的該二價金屬陽離子（鎂離子）與該三價金屬陽離子（鋁離子）的總濃度未高於30公克/公升的狀況，無論是藉由本發明的水滑石製造方法，或是藉由該習知水滑石製造方法，均可以成功獲得具有水滑石結構的固體產物；惟本發明的水滑石製造方法可以免除鹼液添加的步驟，可以降低鹼液添加所造成的時間及材料成本。
實驗例2、以本發明的水滑石製造方法於高濃度下製造水滑石（一）
將無水硝酸鎂（Mg(NO3 )2 ，3.80公克，即0.026莫耳）溶於去離子水中，以得該硝酸鎂水溶液，及將鋁酸鈉（NaAlO2 ，1.04公克，即0.013莫耳）溶於去離子水中，以得該鋁酸鈉水溶液，及續混合該硝酸鎂水溶液及該鋁酸鈉水溶液而得該混合溶液，該混合溶液的總體積為10毫升，其中的鎂離子與鋁離子的總濃度為96公克/公升，且該混合溶液的pH值為11。
經劇烈攪拌15分鐘後，將該混合溶液於120℃之溫度下進行隔水加熱2小時，接著於室溫下冷卻沉澱，取得之固體產物進行X光繞射分析（X-ray diffraction，XRD）結果如第3圖所示，該固體產物具有水滑石結構，且總產量約為2.85公克。
比較例2、以習知水滑石製造方法於高濃度下製造水滑石
將無水硝酸鎂（Mg(NO3 )2 ，6.63公克，即0.045莫耳）溶於去離子水中，以得該硝酸鎂水溶液，及將無水硝酸鋁（Al(NO3 )3 ，4.76公克，即0.022莫耳）溶於去離子水中，以得該硝酸鋁水溶液，及續混合該硝酸鎂水溶液及該硝酸鋁水溶液而得該混合溶液，該混合溶液的總體積為20毫升，其中的鎂離子與鋁離子的總濃度為84.5公克/公升，再以一氫氧化鈉水溶液（NaOH(aq) ）將該混合溶液的pH值調整至11。
經劇烈攪拌15分鐘後，將該混合溶液於80℃之溫度下進行隔水加熱2小時，接著於室溫下冷卻沉澱，取得之固體產物進行X光繞射分析（X-ray diffraction，XRD）結果如第4圖所示，該固體產物的結構以氧化物為主。
依據實驗例2及比較例2的比較結果可以得知：針對該混合溶液中的該二價金屬陽離子（鎂離子）與該三價金屬陽離子（鋁離子）的總濃度已高於30公克/公升的狀況，僅有藉由本發明的水滑石製造方法才可以成功獲得具有水滑石結構的固體產物，因此本發明的水滑石製造方法能夠縮小反應的總體積，進而減少廢液的產出。
實驗例3、以本發明的水滑石製造方法於高濃度下製造水滑石（二）
將無水硝酸鎂（Mg(NO3 )2 ，12.50公克，即0.084莫耳）溶於去離子水中，以得該硝酸鎂水溶液，及將鋁酸鈉（NaAlO2 ，2.30公克，即0.028莫耳）溶於去離子水中，以得該鋁酸鈉水溶液，另將溴化十六烷基三甲基銨（CTAB，0.584公克）溶於去離子水中，以得一界面活性劑水溶液，續混合該硝酸鎂水溶液、該鋁酸鈉水溶液及該界面活性劑水溶液而得該混合溶液，該混合溶液的總體積為20毫升，其中的鎂離子與鋁離子的總濃度為140公克/公升，且該混合溶液的pH值為11。
經劇烈攪拌15分鐘後，將該混合溶液於150℃之溫度下進行隔水加熱2小時，接著於室溫下冷卻沉澱，取得之膠體產物以去離子水分散後過濾，最終收集濾液並進行X光繞射分析（X-ray diffraction，XRD）結果如第5圖所示，該膠體產物具有水滑石結構。
依據實驗例2及實驗例3的比較結果可以得知：當該混合溶液中的該二價金屬陽離子（鎂離子）與該三價金屬陽離子（鋁離子）的總濃度高於30公克/公升的狀況下，也可以藉由該界面活性劑的添加，促進該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子的共同沉澱，而能夠進一步提升水滑石的生產效率。
綜上所述，本發明的水滑石製造方法係藉由該鹼性三價金屬鹽的使用，使該混合溶液可以為鹼性溶液，進而可以免除該習知水滑石製造方法中的鹼液添加步驟，可以達成降低鹼液添加所造成的時間及材料成本之功效。
又，本發明的水滑石製造方法可以適用於該混合溶液中的該二價金屬陽離子與該三價金屬陽離子的總濃度已高於30公克/公升的狀況，進而能夠縮小反應的總體積，達成減少廢液的產出之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
無
［第1圖］ 以本發明的水滑石製造方法於低濃度下製造出的水滑石的X光繞射分析結果。 ［第2圖］ 以習知水滑石製造方法於低濃度下製造出的水滑石的X光繞射分析結果。 ［第3圖］ 以本發明的水滑石製造方法於高濃度下製造出的水滑石的X光繞射分析結果（一）。 ［第4圖］ 以習知水滑石製造方法於高濃度下製造出的水滑石的X光繞射分析結果。 ［第5圖］ 以本發明的水滑石製造方法於高濃度下製造出的水滑石的X光繞射分析結果（二）。
Figure 108125119-A0101-11-0002-1

Claims (8)

  1. 一種水滑石製造方法，包含： 將一個二價金屬鹽及一個鹼性三價金屬鹽溶於水中，得一混合溶液，該混合溶液的pH值＞9，且該混合溶液中包含來自該二價金屬鹽的一個二價金屬陽離子與來自該鹼性三價金屬鹽的一個三價金屬陽離子，使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子於該混合溶液中共同沉澱而形成一水滑石。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之水滑石製造方法，另包含：於80～150℃之溫度下，隔水加熱該水滑石，以形成一結晶型水滑石。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之水滑石製造方法，其中，該二價金屬陽離子為一鎂離子、一鋅離子、一亞鐵離子、一鈷離子或一鎳離子，該三價金屬陽離子為一鋁離子、一鉻離子、一鐵離子、一釩離子或一鉬離子。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之水滑石製造方法，其中，該二價金屬鹽為包含該二價金屬陽離子的硝酸鹽、硫酸鹽及氯鹽。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之水滑石製造方法，其中，該鹼性三價金屬鹽為鋁酸鈉、正釩酸鈉或鉬酸鈉。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之水滑石製造方法，其中，該二價金屬鹽與該鹼性三價金屬鹽的莫耳比為1.5：1～5：1。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之水滑石製造方法，另包含：於該混合溶液中加入一界面活性劑，續使該二價金屬陽離子及該三價金屬陽離子於含有該界面活性劑的該混合溶液中共同沉澱。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之水滑石製造方法，其中，該界面活性劑為溴化十六烷基三甲基銨、溴化十四烷基三甲基銨、十六烷基三甲基氫氧化銨或三段塊式高分子。
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