托贝莫来石晶须及其微波水热合成方法与流程

本发明属于无机非金属材料合成技术领域，具体为托贝莫来石合成领域，特别涉及托贝莫来石晶须及其微波水热合成方法。

背景技术：

托贝莫来石由于其轻质、高强、导热系数低和耐热性能好，广泛应用于保温隔热材料。同时，由于其具有的结构特性，托贝莫来石可广泛用作阳离子交换剂与吸附剂，除去废水中的重金属离子。目前，托贝莫来石的合成仍以传统的水热合成方法为主，该传统方法由于反应时间长，是制备托贝莫来石的主要耗能工序，而且传统水热合成时，热量是从体系外部传至体系内部，会产生温度梯度，加热不均匀，而且大部分能量会被器壁吸收，能量损耗大，加热速率慢。

中国专利cn106315605a公开了一种利用低品位凹凸棒石黏土制备1.1nm托贝莫来石的方法，将低品位凹凸棒石黏土矿粉碎得到150-300目粉体，然后分散到硅酸盐水溶液中，微波活化处理5-10分钟，形成稳定的悬浮液a；将钙盐分散在水中，形成均一分散液b；在快速搅拌下，将分散液b缓慢加入到悬浮液a中，充分混合均匀，得到前驱体悬浮液；将前驱体悬浮液转入水热反应釜中进行水热反应，然后降温至室温；固体产物经分离、洗涤、干燥、粉碎处理，得到1.1nm托贝莫来石。

该专利虽然进行了微波活化处理，但主要的合成过程仍然是采用传统的水热合成方法，依然没有解决传统的水热合成方法能量损耗大，加热速率慢的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中水热合成托贝莫来石耗能大、耗时长的技术问题，而提出一种托贝莫来石晶须及其微波水热合成方法，微波加热能够加剧水分子与原料分子之间的碰撞，反应更加快速且均匀，可以节省时间，降低能耗。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种托贝莫来石晶须，所述托贝莫来石晶须为片状晶须，晶须宽度为100-300nm，长度为1-5μm。

如上所述的托贝莫来石晶须，优选地，晶须宽度为200-300nm，长度为2-5μm。

一种托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，包括以下步骤：

步骤一：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅摩尔比0.7-1:1混合均匀，形成固体混合物，然后按液固比10-30ml/g在固体混合物中加入去离子水并混合均匀，得到混合浆料；

步骤二：将步骤一所得混合浆料放入微波反应釜中，微波加热升温至180-220℃，均匀搅拌反应2-8h后进行后处理即得。

如上所述的托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，优选地，在步骤一中，所述氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅摩尔比0.83:1混合均匀。

如上所述的托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，优选地，在步骤一中，所述去离子水按液固比30ml/g加入。

如上所述的托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，优选地，在步骤二中，所述搅拌的速率为100-200r/min。

如上所述的托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，优选地，在步骤二中，微波加热升温至200-220℃，均匀搅拌反应2h。

如上所述的托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，优选地，在步骤二中，所述后处理的具体操作为：将反应体系冷却至室温后，过滤得到固体沉淀，将所得固体沉淀洗涤后，在40-60℃的温度条件下真空干燥，即得所述托贝莫来石晶须。

如上所述的托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，所述托贝莫来石晶须为片状晶须，晶须宽度为100-300nm，长度为1-5μm，优选地，晶须宽度为200-300nm，长度为2-5μm。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

微波加热是材料在电磁场中由电介质材料的介质损耗引起的体加热，物料的内外部同时加热，加热均匀，同时升温速率快，比传统加热相比较更具有加热均匀，反应速率快等优点，因此用微波水热合成托贝莫来石加剧水分子与原料分子之间的碰撞，反应更加快速且均匀，因此可以在短时间内快速合成托贝莫来石晶须，可以节省时间，节约能耗。

而微波加热不需任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式能耗的几分之一或几十分之一就可达到加热目的。因此，采用微波加热合成托贝莫来石可极大地缩短反应时间，提高反应效率，节约能耗，对社会可持续发展具有重要的环保意义。

附图说明

图1为实施例1合成的托贝莫来石晶须的sem图；

图2为实施例2合成的托贝莫来石晶须的sem图；

图3为实施例3合成的托贝莫来石晶须的sem图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例提供一种托贝莫来石晶须，所述托贝莫来石晶须为片状晶须，晶须宽度为100-300nm，长度为1-5μm，优选地，晶须宽度为200-300nm，长度为2-5μm。

本发明的实施例还提供了一种托贝莫来石晶须的微波水热合成方法，包括以下步骤：

步骤一：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅摩尔比0.7-1:1(例如0.8:1、0.9:1、1:1等)混合均匀，然后按液固比10-30ml/g(例如10、15、20、25、30ml/g等)加入去离子水并混合均匀，得到混合浆料(该混合浆料呈悬浮液状)；

步骤二：将步骤一所得混合浆料放入微波反应釜中，微波加热升温至180-220℃(例如185、190、195、200、210、215℃等)，均匀搅拌反应2-8h(例如2、3、4、5、6、7、8h等)后进行后处理即得。

本发明以氢氧化钙与气相白炭黑为原料来制备托贝莫来石晶须，以氢氧化钙为原料，省去了氧化钙与水反应生成氢氧化钙的步骤，加入去离子水后，氢氧化钙水解为钙离子与氢氧根离子，而且碱性条件下有利于二氧化硅的溶解；气象白炭黑为无定型二氧化硅，结晶态的二氧化硅在低温下溶解度极小且活性很低，而无定型二氧化硅活性高且在低温时的溶解度要比结晶态的二氧化硅高的多，尤其当二氧化硅与氢氧化钙同时存在时，二氧化硅的溶解度显著增加，在溶解过程中，二氧化硅与溶液中的氢氧根离子结合生成[h2sio4]^2-从而达到溶解的目的，同时消耗了氢氧根离子，这也有助于氢氧化钙的水解，从而增大其溶解度，最终有利于托贝莫来石晶须的形成。

在上述原料的基础上，本发明采用微波加热的方式进行水热合成，微波加热是材料在电磁场中由电介质材料的介质损耗引起的体加热，使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，仅需传统加热方式能耗的几分之一或几十分之一就可达到加热目的。因此，本发明采用微波加热合成托贝莫来石可极大地缩短反应时间，2h就可得到产物，极大地提高了反应效率。

根据本发明，钙硅比、液固比以及反应温度和反应时间的变化基本不会对托贝莫来石的晶型产生影响，而只会引起晶须形貌的变化，下面进一步说明。

本发明的具体实施例中，在步骤一中，所述氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅摩尔比0.83:1混合均匀；在钙硅比为0.83:1的情况下，氢氧化钙与气相白炭黑两种原料会充分反应生成托贝莫来石，原料利用率高，而当钙硅比较低时，例如0.7，会有部分原料未能参与反应，而当钙硅比为1时，则会生成少量硬硅钙石，故本发明最佳的钙硅比为0.83:1。

本发明的具体实施例中，在步骤一中，所述去离子水按液固比30ml/g加入；液固比的大小直接影响着氢氧化钙与气相白炭黑的溶解情况，也就间接的影响了两者之间的反应情况，从而对最终生成的托贝莫来石产物形貌产生影响，在较小的液固比时，例如10ml/g，托贝莫来石晶须较宽，且呈现出片状甚至块状形貌，而进一步升高液固比至20ml/g，晶须宽度变窄，长度变长，而在30ml/g的液固比下，得到的托贝莫来石形貌最佳。

本发明的具体实施例中，在步骤二中，所述搅拌的速率为100-200r/min。本发明在微波水热过程中，需要搅拌反应体系，若不搅拌或者搅拌速度慢，不利于反应物的溶解，会导致反应不充分，不能形成较好的托贝莫来石晶须；而搅拌速率过大则会抑制晶须的完好生长，因此本发明的搅拌速率限定为100-200r/min。

本发明的具体实施例中，在步骤二中，微波加热升温至200-220℃，均匀搅拌反应2h；在180-220℃的范围内，随着微波加热反应温度的升高，所得托贝莫来石晶须的长径比倾向于增大。

本发明的具体实施例中，在步骤二中，所述后处理的具体操作为：将反应体系冷却至室温后，过滤得到固体沉淀，将所得固体沉淀洗涤后，在40-60℃的温度条件下真空干燥，即得所述托贝莫来石晶须。

综上，本发明将氢氧化钙与白炭黑按一定的钙硅比、液固比、反应时间、反应温度配制成溶液置于微波反应釜中进行动态水热合成，反应结束后将所得样品过滤干燥，得到托贝莫来石晶须。本发明所制备的托贝莫来石晶须形貌较为均匀，其合成方法不仅简单易操作，而且能耗低、合成效率高，此外，本发明对于产物的后处理过程也只需过滤、洗涤、干燥即可，符合环保生产的发展趋势。

下述实施例中的钙硅比均为摩尔比。

实施例1

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至200℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为150r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物，对其进行sem检测，sem图如图1所示，观察到托贝莫来石晶须，宽度为200-300nm，长度为2-5μm。

实施例2

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至220℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为150r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物，该产物的晶须形貌与实施例1相同。

实施例3

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至220℃，均匀搅拌反应4h，搅拌速率为150r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物，对其进行sem检测，sem图如图2所示，观察到托贝莫来石晶须，宽度为100-300nm，长度为1-4μm。

实施例4

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至220℃，均匀搅拌反应6h，搅拌速率为150r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物，对其进行sem检测，sem图如图3所示，显示托贝莫来石晶须出现了板结现象。

实施例5

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至180℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为120r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物。

实施例6

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比10ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，搅拌速率升温至220℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为180r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，经过过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物。

实施例7

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.83混合均匀，按液固比20ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至220℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为180r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物。

实施例8

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比0.7混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至220℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为150r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物。

实施例9

一种托贝莫来石晶须，其合成方法如下：将氢氧化钙与气相白炭黑按钙硅比1混合均匀，按液固比30ml/g加入去离子水，得到混合浆料，放入微波水热合成反应釜中，升温至220℃，均匀搅拌反应2h，搅拌速率为150r/min，将得到的反应混合液冷却至室温，进行过滤、洗涤，60℃真空干燥得目标产物。

根据上述实施例的实验结果来看，本发明在钙硅比0.83，液固比30ml/g，反应温度在200-220℃反应2h，可以得到形貌较好的托贝莫来石晶须，且晶须宽度为200-300nm，长度为2-5微米，反应时间短，可以节约大量能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除