一种羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料及其基于机械化学法的制备方法

摘要

本发明公开了一种羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料及其基于机械化学法的制备方法。本发明的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，将氧化镁和水铁矿的混合物置于研磨设备中充分研磨，待混合物颜色由红棕色变成黄褐色后，加入适量水和少量无水乙醇，经晶化、洗涤离心和干燥后获得层间阴离子仅羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。本发明的Mg/Fe型阴离子黏土以金属(氢)氧化物为原材料在球磨机中通过机械化学方法合成，无需加热，合成产物产量较高，具有工艺简单、耗能小、成本低等优点；碱性污水量少，节省资源，保护环境；本发明的合成产物为典型的层状双羟基复合金属氢氧化物，但层间仅含羟基与水分子，其化学结构式为Mg6Fe2(OH)16(OH)2·4H2O。

权利要求

1.一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：将氧化镁和无定型态水铁矿的混合物置于研磨设备中充分研磨，待混合物颜色由红棕色变成黄褐色后，加入适量水和少量无水乙醇，经晶化、洗涤离心和干燥后获得层间阴离子仅羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。

2.如权利要求1所述的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：所述水铁矿采用Fe盐水解法制备。

3.如权利要求2所述的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：MgO和水铁矿的摩尔比为3:1。

4.如权利要求3所述的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：所述研磨设备包括研磨球，所述研磨球与混合物的质量比为20-80:1。

5.如权利要求1所述的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：在室温下研磨。

6.如权利要求5所述的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：晶化温度为80-90℃，时间为24-48h。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，其特征在于：所述洗涤离心至上层澄清液的电导率小于200μs/cm。

8.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备的羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。

说明书

一种羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料及其基于机械化学

法的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及化学材料制备技术领域，尤其涉及一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法。

背景技术

[0002] Mg/Fe型阴离子黏土(Mg-Fe-LDH)材料是具有Mg-Fe结构层的层状双羟基复合金属氧化物，是一类由带正电荷的金属氢氧化物层板和层板间用于平衡电荷的阴离子共同构成的具有层状结构的化合物，其结构通式可表示为[M2+1-xM3+x(OH)2]x+[(An-)x/n·mH2O]，式中M2+ 3+ n- 3+ 2+ 3+和M 分别为二价和三价金属阳离子，A 为阴离子，x＝M /(M +M )且0.2≤x≤0.33。独特的化学结构决定了其具有层板阳离子可调配性和层间阴离子可交换性，其中离子交换容量(2-3meq/g)可与阴离子交换树脂相媲美，因而被广泛应用于化学化工、离子交换及吸附等领域。

[0003] 在本发明相关领域，目前国内外文献报道及专利描述的阴离子黏土合成方法通常为共沉淀法，例如，Kerchle申请的美国专利(No.4,458,026)通过镁、铝盐水溶液在碱性条件下发生共沉淀法制备水滑石；湖州师范学院“一种水滑石的制备方法”(专利号CN101817510A)在传统共沉淀法基础上利用缓冲溶液控制反应pH值。然而，采用共沉淀法制备的颗粒结晶程度较低，为适应实际应用需求改进合成产物表面形态，华东交通大学“处理污水中磷的水滑石制备方法(专利号CN106179178A)”利用水热法、吴晓红等“一种ZnAl-层状双金属氢氧化物的合成方法(专利号CN104445364A)”利用成核/晶化隔离法均得到了Zn/Al型类水滑石，且产物结晶度高、结构完整，但合成过程相对复杂、能耗高。另外，沈阳化工大学“一种Mg-Fe层状双金属氢氧化物的制备方法(专利号CN106186080A)”、北京师范大学“一种层状双金属氢氧化物的制备方法及其制备的产品(专利号CN107128879A)”利用氧化物-盐溶液法在特定条件下反应制备了Mg/Fe型层状双金属氢氧化物，尽管可以用于宏量制备，但仍然不可避免在层间引入了其他阴离子，潜在的二次污染问题不可忽视。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种工艺简单、耗能小、成本低的基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法。

[0005] 本发明的一种基于机械化学法制备羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料的方法，将氧化镁和水铁矿的混合物置于研磨设备中充分研磨，待混合物颜色由红棕色变成黄褐色后，加入适量水和少量无水乙醇，经晶化、洗涤离心和干燥后获得层间阴离子仅羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。

[0006] 优选的，所述水铁矿采用Fe盐水解法制备。

[0007] 优选的，MgO和水铁矿的摩尔比为3:1。

[0008] 优选的，所述研磨设备包括研磨球，所述研磨球与混合物的质量比为20-80:1。

[0009] 优选的，室温条件下研磨。

[0010] 优选的，晶化温度为80-90℃，时间为24-48h。

[0011] 优选的，所述洗涤离心至上层澄清液的电导率小于200μs/cm。电导很高的话，说明盐分、杂质很高，不洗涤直接干燥的话会有盐析出，影响合成产物的纯度

[0012] 一种由上述的制备方法制备的羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。

[0013] 本发明的Mg/Fe型阴离子黏土以金属(氢)氧化物为原材料在球磨机中通过机械化学方法合成，该方法不需要对试剂作熔融态加工，利用球磨机的高速震动和转动对反应物进行强烈的撞击、研磨和搅拌，使粉末颗粒产生塑性形变，降低元素的扩散激活能，进而诱发化学反应合成目的产物，相对于液相法，无需加热，合成产物产量较高，具有工艺简单、耗能小、成本低等优点；本发明只需少量水提供液相环境晶化，使产物结晶完整，合成时产生的碱性污水量少，节省资源，保护环境；本发明的合成产物为典型的层状双羟基复合金属氢氧化物，但层间仅含羟基与水分子，其化学结构式为Mg6Fe2(OH)16(OH)2·4H2O，制备层间阴离子仅为羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土，不引入二次污染的阴离子，同时增加更多的羟基活性位点，实际应用时能有效提高阴离子黏土的吸附性能。

附图说明

[0014] 图1为本发明实施例1制备的羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土的XRD图谱；

[0015] 图2为本发明实施例1制备的羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土的SEM图谱；

[0016] 图3是机械化学法制备的羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土的工艺流程图。

具体实施方式

[0017] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

[0018] 实施例1：

[0019] 在室温条件下，利用罐磨球磨机，在尼龙磨罐中加入6.564g轻质氧化镁和5.810g无定型态水铁矿，并加入744g玛瑙研磨球(直径为15mm，平均每个球重3.9g，共190个)，MgO和无定型态水铁矿摩尔比为3:1，研磨球与混合物的质量比约60:1，研磨24h，罐磨机转速为90r/min，研磨过程中反应物颜色由混合物的白色、红棕色逐渐变为均匀统一的黄褐色。随后向研磨产物中加入去离子水和少量乙醇(一则加入有机溶剂后降低研磨粉末的团聚情况，二则尼龙罐罐壁有蜡状涂层，加入少许乙醇可使其溶解)，在80℃下晶化24h。将晶化后的悬浊液平均倒入离心管中，置于高速离心机中在转速为4000r/min下离心3min，离心洗涤
1-2次，上层澄清液的电导率小于200μs/cm。将洗涤好的产物放入干燥箱内，于45℃下干燥完全，研磨过筛后得到羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。

[0020] 由图1可知，合成产物的衍射峰符合阴离子黏土的衍射特点，且组分单一，纯净。

[0021] 由图2可知，合成产物具有阴离子黏土晶体典型的片状结构。

[0022] 实施例2：

[0023] 在室温条件下，利用行星球磨机，在4个100mL的玛瑙罐中分别加入0.821g轻质氧化镁和0.726g无定型态水铁矿，并加入31g玛瑙研磨球，MgO和无定型态水铁矿摩尔比为3:1，研磨球与混合物的质量比约20:1，顺时针和逆时针交替研磨1h，保证球磨机转速为400r/min，研磨过程中反应物颜色由混合物的白色、红棕色逐渐变为统一的黄褐色。随后向研磨产物中加入去离子水和少量乙醇，将悬浊液在80℃下晶化48h。将晶化后的悬浊液平均倒入离心管中，离心洗涤1-2次，上层澄清液的电导率小于200μs/cm。将洗涤好的产物放入干燥箱内，于45℃干燥完全，研磨过筛后得到羟基插层的Mg/Fe型阴离子黏土材料。

[0024] 以上未涉及之处，适用于现有技术。

[0025] 虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。