一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法

2023-09-18 00:39:35 1

專利名稱：一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法，屬無機材料層狀雙金屬氫氧化物的製備及應用的技術領域。
背景技術：
類水滑石化合物是由帶正電荷的氫氧化物層板和層間陰離子構成，由於其層板陽離子的可搭配性和層間陰離子基團廣泛的選擇性，類水滑石材料是一種具有較大應用潛力的多功能無機材料。鋅鐵類水滑石因其在電、磁、光及催化領域的應用前景，而成為一種重要的功能材料，因Zn2+、Fe3+形成氫氧化物的化學環境相差很大，其合成較為困難，合成研究也只有少量 報導，例如孟偉青等利用Zn2+、Fe2+為原料，NaOH為沉澱劑的共沉澱法合成了 ZnFein類水滑石；Teruhisa Hongo等利用Zn2+、Fe2+為原料，NaOH為沉澱劑合成了 ZnFem及ZnFe11Fem類水滑石；M. S. Gasser等利用Zn2+、Fe3+為原料，NaOH為沉澱劑合成出ZnFein類水滑石；這些方法雖然製備了 ZnFein類水滑石材料，但還都存在一些工藝弊端，有的工藝參數不精確，產物純度低，有的產物結構特徵不明顯，很難與其他化學物質匹配，有的工藝方法較複雜，製備成本高，很難進行工業化生產。

發明內容
發明目的本發明的目的是針對背景技術的情況，採用均勻沉澱法，以硫酸鋅、硫酸亞鐵為原料，以六次甲基四胺為沉澱劑，製成納米晶鋅鐵類水滑石，以大幅度提高鋅鐵類水滑石的純度和製備效率。技術方案本發明使用的化學物質材料為硫酸鋅、硫酸亞鐵、六次甲基四銨、去離子水、無水乙醇、氮氣、氧氣；其組合準備用量如下以克、毫升、釐米3為計量單位硫酸鋅ZnSO4 7H2012. 94g±0. Olg硫酸亞鐵FeS04 7H204. 17g±0. Olg六次甲基四胺=(CH2)6N416.82g±0.01g去離子水H202000mL±50mL無水乙醇C2H5OH1000mL±50mL氮氣N25000cm3± 50cm3氧氣025000cm3 ± 50cm3製備方法如下(I)精選化學物質材料對製備所需的化學物質材料要進行精選，並進行質量純度控制硫酸鋅固態粉體99.5%
硫酸亞鐵固態粉體 99%六次甲基四胺固態粉體99 %去離子水液態液體 99.7%無水乙醇液態液體 99.7%
氮氣氣態氣體99%氧氣氣態氣體99%(2)配製硫酸鋅水溶液稱取硫酸鋅12. 94g±0. Olg，量取去離子水80mL±0. OlmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. 30mol/L的硫酸鋅水溶液；(3)配製硫酸亞鐵水溶液稱取硫酸亞鐵4. 17g±0. Olg，量取去離子水70mL±0. OlmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. 10mol/L的硫酸亞鐵水溶液；(4)製備鋅鐵類水滑石鋅鐵類水滑石的製備是在四口燒瓶中進行的，是在加熱、攪拌、水循環冷凝、水浴、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的；①將四口燒瓶置於水浴缸上，水浴缸內加入水浴水，水浴水要淹沒四口燒瓶體積的 4/5 ；②在四口燒瓶上由左到右依次設置氣體管、加液漏鬥、電動攪拌器、水循環冷凝管；③將配製的硫酸鋅水溶液與硫酸亞鐵水溶液加入燒杯中混合，然後將六次甲基四胺16. 82g±0. Olg加入混合溶液中，攪拌均勻後由加液漏鬥加入四口燒瓶中；④開啟電加熱器，開始加熱，溫度由20°C ±2°C開始升溫，水浴水及四口燒瓶內溫度升至60°C ±2°C ；開啟電動攪拌器進行攪拌；開啟水循環冷凝管進行水循環冷凝；開啟氮氣管，向四口燒瓶輸入氮氣，氮氣輸入速度18cm3/min，氮氣輸入時間240min± IOmin ；當混合溶液的顏色呈淺綠色時，關閉氮氣，輸入氧氣，氧氣輸入速度18cm3/min，氧氣輸入時間120min±5min,混合溶液變為紅褐色；四口燒瓶內的化學物質在加熱、攪拌、水循環冷凝、輸入氮氣、輸入氧氣過程中，將發生化學反應，反應方程式如下
ZnSO4. IH2O + FeSO4 7H20 + (CH2)6N4
■況H0min > Zn3Fe(OH)81 +(NH4)2SO4 + CH2O + H2O
cvi^STm > Zn6Fe2(OH)16SO4 4H20 i式中=Zn3Fe(OH) 8 :鋅鐵複合氫氧化物，(NH4) 2S04 :硫酸銨，Zn6Fe2 (OH) 16S04 4H20 鋅鐵類水滑石，CH2O:甲醛；
⑤反應結束後，關閉電加熱器，停止攪拌，停止水循環冷凝，停止輸入氧氣，使其隨瓶冷卻至20°C ±2°C，冷卻後成渾濁溶液；(5)抽濾將渾濁溶液置於抽濾瓶上部的布氏漏鬥中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產物濾餅，溶液抽至濾瓶中；(6)去離子水洗滌、抽濾將產物濾餅置於燒杯中，加入去離子水IOOmL,攪拌洗滌5min ;然後將洗滌液置於抽濾瓶上的布氏漏鬥中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；去離子水洗滌、抽濾重複進行5次；(7)無水乙醇洗滌、抽濾 將產物濾餅置於燒杯中，加入無水乙醇IOOmL,攪拌洗滌5min ;然後將洗滌液置於抽濾瓶上的布氏漏鬥中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；無水乙醇洗滌、抽濾重複進行5次；(8)真空乾燥將洗滌、抽濾後的產物濾餅置於石英產物舟中，然後置於真空乾燥箱中進行乾燥，乾燥溫度80°C ±2°C，真空度15Pa，乾燥時間720min± lOmin，乾燥後成產物晶體顆粒；(9)研磨，過篩將乾燥後的產物晶體顆粒用瑪瑙研缽、研棒進行研磨，然後用600目篩網過篩，反覆研磨，反覆過篩，使產物成晶體細粉，即納米晶鋅鐵類水滑石；(10)檢測，化驗，分析，表徵對製備的晶體細粉產物的形貌、色澤、化學物理性能進行檢測、化驗、分析、表徵；用Rigaku/max-2500型X射線衍射儀進行晶相鑑定；用JSM-6700F掃描電鏡分析產物形貌；結論產物為紅褐色晶體，晶體形貌為不規則六邊形薄片，晶體顆粒直徑彡80nm,產物純度為99% ；(11)產物儲存對製備的紅褐色晶體產物儲存於棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保存，置於陰涼潔淨環境，要防火、防曬、防水、防潮、防酸鹼鹽侵蝕，儲存溫度20°C ±2°C，相對溼度(10%。有益效果本發明與背景技術相比具有明顯的先進性，是採用均勻沉澱法，以硫酸鋅、硫酸亞鐵為原料，以六次甲基四胺為沉澱劑，以去離子水為溶劑、洗滌劑，以無水乙醇為洗滌劑，以氮氣為保護氣體，以氧氣為氧化劑，經配製溶液、加熱、攪拌、水循環冷凝、氮氣保護、氧氣氧化進行化合反應，經洗滌、抽濾、真空乾燥、研磨、過篩製得納米晶鋅鐵類水滑石，此製備方法工藝先進嚴密、製備速度快，數據翔實準確，產物純度好，達99%，產物鋅鐵類水滑石為片狀晶體，晶體顆粒直徑< 80nm，是十分理想的納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法。


圖I為鋅鐵類水滑石製備狀態圖
圖2為鋅鐵類水滑石反應液加熱溫度與時間坐標關係3為鋅鐵類水滑石產物X-射線衍射強度圖譜圖4為鋅鐵類水滑石產物形貌中所示，附圖標記清單如下
I.電源開關，2.溫度調控器，3.攪拌調控器，4.電熱攪拌器，5.顯示屏，6.氮氣瓶，7.氧氣瓶,8.氮氣閥,9.氧氣閥，10.氧氣管，11.氣體管，12.控制閥，13.加液漏鬥，14.電動攪拌器，15.出水口，16.出氣口，17.水循環冷凝管，18.進水口，19.固定架，20.四口燒瓶，21.反應溶液，22.水浴缸，23.水浴水，24.指示燈。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明做進一步說明圖I所示，為鋅鐵類水滑石製備狀態圖，各位置要正確，按量配比，按序操作。製備使用的化學物質的量值，是按預先設置的數值範圍確定的，以克、毫升、釐米3為計量單位，當工業化製取時以千克、升、米3為計量單位。製備鋅鐵類水滑石是在四口燒瓶中進行的，是在水浴、加熱、電動攪拌、水循環冷凝、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的；四口燒瓶20置於水浴缸22內，水浴缸22內為水浴水23，水浴水23要淹沒四口燒瓶20體積的4/5，並用固定架19固定；四口燒瓶20內為反應溶液21 ;在四口燒瓶20上部由左至右依次設有氣體管11、加液漏鬥13及控制閥12、電動攪拌器14、水循環冷凝管17及出水口 15、出氣口 16、進水口 18 ;水浴缸22的下部為電熱攪拌器4，在電熱攪拌器4上設有顯示屏5、指示燈24、電源開關I、溫度調控器2、攪拌調控器3 ;在電熱攪拌器4的左部設有氮氣瓶6、氧氣瓶7，氮氣瓶6連通氣體管11，並由氮氣閥8控制，氧氣瓶7連通氣體管10，並由氧氣閥9控制；氣體管11深入四口燒瓶20內，並輸入氮氣和氧氣。圖2所示，為製備鋅鐵類水滑石加熱溫度與時間坐標關係圖，圖中可知，四口燒瓶加熱溫度由20°C開始，即A點，以2°C /min的速度升至60°C ±2°C，S卩B點，在此溫度恆溫、保溫反應360min，即B-C區段，然後停止加熱，使其隨瓶自然冷卻至20°C ±2°C，即D點，力口熱溫度與時間成正比。圖3所示，為鋅鐵類水滑石產物X-射線衍射強度圖譜，譜圖中顯示出鋅鐵類水滑石化合物特有的衍射峰，峰形尖銳，對稱性好，晶相單一，結晶度高。圖4所示，為鋅鐵類水滑石產物形貌圖，圖中可知，鋅鐵類水滑石為不規則六邊形片狀晶體，晶體直徑< 80nm。
權利要求
1.一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法，其特徵在於使用的化學物質材料為硫酸鋅、硫酸亞鐵、六次甲基四胺、去離子水、無水乙醇、氮氣、氧氣；其組合準備用量如下以克、毫升、釐米3為計量單位 硫酸鋅=ZnSO4 · 7H2012. 94g±0. Olg 硫酸亞鐵=FeSO4 · 7H204. 17g±0. Olg 六次甲基四胺=(CH2)6N4 16.82g±0.01g 去離子水H202000mL±50mL 無水乙醇C2H5OH1000mL± 50mL 氮氣N25000cm3 ± 50cm3 氧氣025000cm3± 50cm3 製備方法如下 (1)精選化學物質材料 對製備所需的化學物質材料要進行精選，並進行質量純度控制 硫酸鋅固態粉體99.5% 硫酸亞鐵固態粉體99% 六次甲基四胺固態粉體 99% 去離子水液態液體99. 7% 無水乙醇液態液體99.7% 氮氣氣態氣體99% 氧氣氣態氣體99% (2)配製硫酸鋅水溶液 稱取硫酸鋅12. 94g±0. Olg，量取去離子水80mL±0. OlmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. 30mol/L的硫酸鋅水溶液； (3)配製硫酸亞鐵水溶液 稱取硫酸亞鐵4. 17g±0.01g，量取去離子水70mL±0.01mL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. IOmoI/L的硫酸亞鐵水溶液； (4)製備鋅鐵類水滑石 鋅鐵類水滑石的製備是在四口燒瓶中進行的，是在加熱、攪拌、水循環冷凝、水浴、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的； ①將四口燒瓶置於水浴缸上，水浴缸內加入水浴水，水浴水要淹沒四口燒瓶體積的、4/5 ； ②在四口燒瓶上由左到右依次設置氣體管、加液漏鬥、電動攪拌器、水循環冷凝管； ③將配製的硫酸鋅水溶液與硫酸亞鐵水溶液加入燒杯中混合，然後將六次甲基四胺、16.82g±0. Olg加入混合溶液中，攪拌均勻後由加液漏鬥加入四口燒瓶中； ④開啟電加熱器，開始加熱，溫度由20°C±2°C開始升溫，水浴水及四口燒瓶內溫度升至 60°C ±2°C ； 開啟電動攪拌器進行攪拌； 開啟水循環冷凝管進行水循環冷凝； 開啟氮氣管，向四口燒瓶輸入氮氣，氮氣輸入速度18cm3/min，氮氣輸入時間240min± IOmin ； 當混 合溶液的顏色呈淺綠色時，關閉氮氣，輸入氧氣，氧氣輸入速度18cm3/min，氧氣輸入時間120min±5min，混合溶液變為紅褐色； 四口燒瓶內的化學物質在加熱、攪拌、水循環冷凝、輸入氮氣、輸入氧氣過程中，將發生化學反應，反應方程式如下ZnSO4. 7H20 + FeSO4 · 7H20 + (CH2)6N4N2/2640°ggf — ->Zn3Fe(OH)81 +(NH4)2SO4 + CH2O + H2O92-^gc-n- ->Zn6Fe2(OH)16SO4 · 4H201 式中=Zn3Fe(OH)8 :鋅鐵複合氫氧化物，(NH4)2SO4 :硫酸銨，Zn6Fe2(OH)16SO4 · 4H20 :鋅鐵類水滑石，CH2O:甲醛； ⑤反應結束後，關閉電加熱器，停止攪拌，停止水循環冷凝，停止輸入氧氣，使其隨瓶冷卻至20°C ±2°C，冷卻後成渾濁溶液； (5)抽濾 將渾濁溶液置於抽濾瓶上部的布氏漏鬥中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產物濾餅，溶液抽至濾瓶中； (6)去離子水洗滌、抽濾 將產物濾餅置於燒杯中，加入去離子水IOOmL，攪拌洗滌5min ;然後將洗滌液置於抽濾瓶上的布氏漏鬥中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；去離子水洗滌、抽濾重複進行5次； (7)無水乙醇洗滌、抽濾 將產物濾餅置於燒杯中，加入無水乙醇IOOmL,攪拌洗滌5min ;然後將洗滌液置於抽濾瓶上的布氏漏鬥中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；無水乙醇洗滌、抽濾重複進行5次； (8)真空乾燥 將洗滌、抽濾後的產物濾餅置於石英產物舟中，然後置於真空乾燥箱中進行乾燥，乾燥溫度80°C ±2°C，真空度15Pa，乾燥時間720min± lOmin，乾燥後成產物晶體顆粒； (9)研磨，過篩 將乾燥後的產物晶體顆粒用瑪瑙研缽、研棒進行研磨，然後用600目篩網過篩，反覆研磨，反覆過篩，使產物成晶體細粉，即納米晶鋅鐵類水滑石； (10)檢測，化驗，分析，表徵 對製備的晶體細粉產物的形貌、色澤、化學成分、化學物理性能進行檢測、化驗、分析、表徵； 用Rigaku/max-2500型X射線衍射儀進行晶相鑑定； 用JSM-6700F掃描電鏡分析產物形貌； 結論產物為紅褐色晶體，晶體形貌為不規則六邊形薄片，晶體顆粒直徑< 80nm，產物純度為99% ； (11)產物儲存對製備的紅褐色晶體產物儲存於棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保存，置於陰涼潔淨環境，要防火、防曬、防水、防潮、防酸鹼鹽侵蝕，儲存溫度20°C ±2°C，相對溼度彡10%。
2.根據權利要求I所述的一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法，其特徵在於製備鋅鐵類水滑石是在四口燒瓶中進行的，是在水浴、加熱、磁力攪拌、水循環冷凝、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的；四口燒瓶(20)置於水浴缸(22)內，水浴缸(22)內為水浴水(23)，水浴水(23)要淹沒四口燒瓶(20)體積的4/5，並用固定架(19)固定；四口燒瓶(20)內為反應溶液(21);在四口燒瓶(20)上部由左至右依次設有氣體管(11)、加液漏鬥(13)及控制閥(12)、電動攪拌器(14)、水循環冷凝管(17)及出水口(15)、出氣口(16)、進水口(18);水浴缸(22)的下部為電熱攪拌器(4)，在電熱攪拌器(4)上設有顯示屏(5)、指示燈(24)、電源開關(I)、溫度調控器(2)、攪拌調控器(3);在電熱攪拌器(4)的左部設有氮氣瓶(6)、氧氣瓶(7)，氮氣瓶(6)連通氣體管(11)，並由氮氣閥(8)控制，氧氣瓶(7)連通氣體管(10)，並由氧氣閥(9)控制；氣體管(11)深入四口燒瓶(20)內，並輸入氮氣和氧氣。
3.根據權利要求I所述的一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法，其特徵在於製備鋅鐵類水滑石加熱溫度與時間坐標關係為加熱溫度由20°C開始，即A點，以2V Mn的速度升至60°C ±2°C，即B點，在此溫度恆溫、保溫反應360min，即B-C區段，然後停止加熱，使其隨瓶自然冷卻至20°C ±2°C，即D點，加熱溫度與時間成正比。
4.根據權利要求I所述一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法，其特徵在於均勻沉澱法製備的鋅鐵類水滑石為紅褐色不規則六邊形片狀晶體，晶體顆粒直徑< 80nm。
全文摘要
本發明涉及一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法，採用均勻沉澱法，以硫酸鋅、硫酸亞鐵為原料，以六次甲基四胺為沉澱劑，以去離子水為溶劑、洗滌劑，以無水乙醇為洗滌劑，以氮氣為保護氣體，以氧氣為氧化劑，經配製溶液、加熱、攪拌、水循環冷凝、氮氣保護、氧氣氧化下進行化合反應，經洗滌、抽濾、真空乾燥、研磨、過篩，製成納米晶鋅鐵類水滑石，此製備方法工藝先進嚴密，製備速度快，數據翔實準確，產物純度好，達99％，產物鋅鐵類水滑石為不規則六邊形片狀晶體，晶體顆粒直徑≤80nm，可與多種化學物質匹配，是十分理想的納米晶鋅鐵類水滑石的快速製備方法。
文檔編號C01G49/00GK102757097SQ201210048610
公開日2012年10月31日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者吳旭, 安霞, 宋健玲, 謝鮮梅, 賈瑩 申請人:太原理工大學