鎂鋁水滑石的合成、組成分析及其晶體結(jié)構(gòu)表征、市場(chǎng)應(yīng)用2

1、-作者xxxx-日期xxxx鎂鋁水滑石的合成、組成分析及其晶體結(jié)構(gòu)表征、市場(chǎng)應(yīng)用2【精品文檔】鎂鋁水滑石的合成、組成分析及其晶體結(jié)構(gòu)表征、市場(chǎng)應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法制備鎂鋁水滑石；2. 利用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定鎂鋁水滑石樣品中Mg2+和Al3+的含量；3. 熱分析法確定鎂鋁水滑石樣品中的結(jié)構(gòu)水含量；4. 并通過(guò)紅外、X粉末衍射表征晶體結(jié)構(gòu)。二、實(shí)驗(yàn)原理1、合成材料水滑石是一種層柱狀雙金屬氫氧化物，是一類近年來(lái)發(fā)展迅速的陰離子型粘土因?yàn)榫哂刑厥獾慕Y(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，如帶電性質(zhì)陰離子可交換性吸附性能催化性能等，其在催化劑催化劑載體污水處理劑醫(yī)藥醫(yī)藥載體等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用典

2、型的水滑石 Mg6Al2(OH)16CO3 4H2O是一種天然存在的礦物，天然存在的水滑石大都是鎂鋁水滑石，且其層間陰離子主要局限為CO32-但天然鎂鋁水滑石在世界范圍內(nèi)很有限，因而人工合成鎂鋁水滑石的研究和應(yīng)用引起了人們的高度重視和關(guān)注層狀雙金屬氫氧化物（Layered double hydroxides,簡(jiǎn)稱LDHs）是一類陰離子型粘土，又稱類水滑石組成通式為：M(II)1-xM(III)x(OH)2x+Ax/nn-mH2O，M（II）：二價(jià)金屬離子，M(III)：三價(jià)金屬離子，An-：陰離子，x=M(III)M(II)+ M(III)，x。 本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法制備鎂鋁水滑石；利用EDTA

3、絡(luò)合滴定法測(cè)定鎂鋁水滑石樣品中Mg2+和Al3+的含量；熱分析法確定鎂鋁水滑石樣品中的結(jié)構(gòu)水含量；并通過(guò)紅外、X粉末衍射表征晶體結(jié)構(gòu)。2、共沉淀法 共沉淀法是制備水滑石的基本方法, 即以可溶性鋁鹽和鎂鹽與沉淀劑反應(yīng)生成沉淀物， 經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥后制得水滑石。根據(jù)投料方式不同可分為單滴法和雙滴法。根據(jù)沉淀方式不同衍生出低過(guò)飽和沉淀法和高過(guò)飽和沉淀法 。共沉淀法合成溫度低，過(guò)程簡(jiǎn)單， 制得的水滑石具有較高的均勻性、顆粒尺寸分布較窄且具有一定形貌。但由于反應(yīng)各組分的沉淀速度和沉淀平衡濃度積不可避免地存在著差異， 所以導(dǎo)致產(chǎn)品組成的局部不均勻性， 而且沉淀物還需反復(fù)洗滌過(guò)濾, 才能除去混入的雜質(zhì)離子

4、。研究發(fā)現(xiàn)，共沉淀工藝條件與水滑石晶體的形貌、組成和粒徑密切相關(guān)。老化溫度過(guò)低, 晶體的形成速度過(guò)慢；溫度過(guò)高， 則晶體生長(zhǎng)速度過(guò)快， 易形成粗晶。在65 -75 時(shí)合成的水滑石晶體結(jié)構(gòu)較好, 粒徑15 nm-30 nm， BET比表面積100 m2 /g-120 m2 /g，可視為最佳老化溫度。采用水熱晶化處理共沉淀物 , 不僅能得到小粒徑、高均勻度的水滑石， 還能大大縮短晶化時(shí)間。結(jié)晶度、層間陰離子的排列有序度和晶體平均粒徑均隨水熱晶化時(shí)間的增加而增大。在微波場(chǎng)下共沉淀合成水滑石， 微波晶化法可以在約8 min內(nèi)達(dá)到與常規(guī)熱晶化法24 h同樣的效果，避免了高溫高壓， 而且縮短了結(jié)晶時(shí)間 。

5、共沉淀法的合成路線：（1）MgCl2+AlCl3+NaOH+Na2CO3Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+NaCl（2）Mg(SO4)2+Al(NO)3+NaOH+Na2CO3Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+Na2SO4（3）MgSO4+Al2SO4+NaOH+Na2CO3 Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+Na2SO4該類合成路線在反應(yīng)中消耗大量的NaOH，這些NaOH與原料中Cl-、SO42-反應(yīng)，生成低價(jià)值的NaCl、Na2SO4而大量排出，一方面成本相對(duì)較高，另一方面造成環(huán)境污染。近年來(lái)環(huán)境保護(hù)日益受到重視，清潔合成技術(shù)是發(fā)展的必

6、然趨勢(shì)。該方法是以MgO與鋁酸鈉水溶液混合反應(yīng)生成水滑石,反應(yīng)后濾液可全部回收，用于下一批合成物料，無(wú)高濃度廢液排放，是環(huán)境友好過(guò)程。3、X射線衍射法（XRD）X射線衍射法是一種研究晶體結(jié)構(gòu)的分析方法，而不是直接研究試樣內(nèi)含有元素的種類及含量的方法。當(dāng)X射線照射晶態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，將受到晶體點(diǎn)陣排列的不同原子或分子所衍射。X射線照射兩個(gè)晶面距為d的晶面時(shí)，受到晶面的反射，兩束反射X光程差2dsin使入射波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，即2dsin=n（n為整數(shù)），兩束光的相位一致，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，這種干涉現(xiàn)象稱為衍射，晶體對(duì)X射線的這種折射規(guī)則稱為布拉格規(guī)則。稱為衍射角（入射或衍射X射線與晶面間夾角）。n相當(dāng)于相干波之

7、間的位相差，n=1，2時(shí)各稱0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)衍射線。反射級(jí)次不清楚時(shí)，均以n=1求d。晶面間距一般為物質(zhì)的特有參數(shù)，對(duì)一個(gè)物質(zhì)若能測(cè)定數(shù)個(gè)d及與其相對(duì)應(yīng)的衍射線的相對(duì)強(qiáng)度，則能對(duì)物質(zhì)進(jìn)行鑒定。4、紅外光譜分析（IR）紅外光譜在推測(cè)未知物分子結(jié)構(gòu)中也是常用的手段之一，它主要是依據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。原子間的振動(dòng)對(duì)應(yīng)有不同的能級(jí)，因此當(dāng)其振動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)所需的能量不同，即吸收紅外光的能量不同，產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)頻率的特征峰，根據(jù)譜峰可以推測(cè)原子間的運(yùn)動(dòng)形式，從而可推測(cè)未知物分子中官能團(tuán)的種類。 對(duì)于水滑石而言，IR分析是判斷層間陰離子種類的有效手段，同時(shí)也可測(cè)

8、定陰離子的成鍵類型和它的來(lái)源。三、儀器和試劑實(shí)驗(yàn)裝置：儀器：電動(dòng)攪拌器，加熱套，滴液漏斗兩個(gè)，回流冷凝管，溫度計(jì)，250ml三口圓底燒瓶，酸、堿滴定管各一支，背景光學(xué)儀器廠PCT-2A型差熱天平，日本理學(xué)Rigaku D/Max-3B型X射線衍射儀，紅外光譜儀等。試劑：硝酸鎂 MgSO4 6H2O （AR）；硝酸鋁 Al2(SO4)3 9H2O （AR）；氫氧化鈉 NaOH （AR）；無(wú)水碳酸鈉 Na2CO3 （AR）；ZnO(A.R);EDTA(A.R);三乙醇胺（）；氯化銨-氨水和乙酸鈉-乙酸緩沖溶液；鹽酸；鉻黑T;二甲基酚橙指示劑等。四、實(shí)驗(yàn)步驟一、鎂鋁水滑石的合成采用共沉淀法制備Mg/

9、Al投料摩爾比為的Mg-Al-C稱取MgSO47H2和Al 2（SO4）318H2加入到50ml去離子水中配成鹽溶液；另取NaOH 0.13 mol 和Na2CO3 0.054mol 加入到50ml 去離子水中配成堿溶液。將兩種溶液在充分?jǐn)嚢柘?，同時(shí)滴加到50ml 的去離子水中，控制溶液Ph=10.然后回流晶化2h，抽濾，水洗，將制得的產(chǎn)物Mg-Al-C于700C干燥24h，最后研磨。二、產(chǎn)物中Mg2+、Al3+含量的測(cè)定1）、標(biāo)定EDTA標(biāo)準(zhǔn)也滴定溶液 稱取EDTA二鈉鹽，溶于150200ml溫?zé)岬娜ルx子水中，冷卻，稀釋至500ml，搖勻。 鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：準(zhǔn)確稱量置于小燒杯中，加入2ml

10、 6mol/l HCL，配制溶液。 取25ml Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入12滴0.5%二甲基酚橙指示劑，變黃，再加20%六甲基四銨溶液至呈紅色后再加2ml，用標(biāo)定，變亮黃。2）、Mg2+的測(cè)定取25ml溶液，加入過(guò)量三乙醇胺掩蔽劑，加入氯化銨氨水緩沖溶液調(diào)劑PH=10，鉻黑T做指示劑，它與部分Mg2+配合生成MgIn-是酒紅色，再用EDTA滴定，溶液為純藍(lán)色，記錄V1、V2、V3。3）、Al3+的測(cè)定取25ml溶液于錐形瓶，加入過(guò)量EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液煮沸1分鐘，冷卻后加乙酸鈉-乙酸緩沖溶液，調(diào)節(jié)Ph=6，二甲基酚橙做指示劑，用Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至淺紅色。記錄V1、V2、V3三、產(chǎn)物中結(jié)構(gòu)水含量的測(cè)

11、定利用熱分析法確定產(chǎn)物中的結(jié)構(gòu)水含量。四、XRD表征已掃描速度為50/min ，2角度范圍為3700，分別記錄鎂鋁水滑石樣品的XRD譜圖。五、IR表征KBr壓片，記錄鎂鋁水滑石樣品在4000200cm1范圍的吸收譜圖。1、壓片法：取干燥KBr粉末約100mg及藥品12mg，在瑪瑙研缽中研勻，裝入壓片模具，將模具放入壓片機(jī)中，邊抽氣邊加壓，至壓力為100kgf/cm2左右，并維持壓力5min，卸掉壓力，則得厚約1mm的透明KBr樣品片。2、1）將試樣的薄片裝在磁性樣品架上，放入Avatar360FT-IR紅外光譜儀的樣品室中，先測(cè)空白背景，再將樣品置于光路中，測(cè)量樣品的紅外光譜圖。 2)掃譜結(jié)束

12、后，取出樣品架，取出薄片，將壓片模具、試樣架等擦洗干凈，置于干燥器中保存好。 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論1、由Mg2+、Al3+含量計(jì)算Mg/Al摩爾比值。V1V2V3V均VEDTA1/mlVEDTA2/ml0VZN2+/ml未滴出未滴出未滴出1) 計(jì)算edta的濃度Cedta×25×÷molL2) 計(jì)算Mg2+的濃度CMg2+=×÷ molL3) 計(jì)算Al3+的濃度因EDTA加入過(guò)多，PH調(diào)整 不當(dāng)，導(dǎo)致沒(méi)滴定出來(lái)失敗分析:1)由于Al3+與EDTA反應(yīng)為1:1，Al3+Y=AlY,比例為1:1,常用于分析，但是易封閉，即指示劑會(huì)被封閉，反滴定無(wú)法進(jìn)

13、行2)無(wú)法滴出Al3+的原因還有由于加入的EDTA過(guò)量，使指示劑封閉，無(wú)法滴定出Al3+的濃度3)由于滴定時(shí)，加入緩沖液的同時(shí)，還要加入乙酸鈉-乙酸緩沖溶液調(diào)整PH值，這些都是需要嚴(yán)格計(jì)算，調(diào)整為多少，PH也會(huì)影響指示劑的變色，因而對(duì)滴定造成很大的影響，也成為滴定失敗的重大原因共0條評(píng)論.2、計(jì)算結(jié)構(gòu)水含量3、確定鎂鋁水滑石的組成4、物相分析與晶體結(jié)構(gòu)分析由XRD譜圖可以看出，該合成產(chǎn)物主要為Na2SO4 ，而鎂鋁水滑石只占很少的量。因?yàn)?，屬于鎂鋁水滑石的特征衍射峰（003）,（006）,（009）,（015）,（018）,（110）,（113）在圖中都有出現(xiàn)，證明產(chǎn)物中有水滑石形成，但衍射峰

14、的峰型粗而寬，且雜峰太多，說(shuō)明所合成的水滑石試樣的結(jié)晶度差，晶相并不單一，有雜質(zhì)，而其中的最強(qiáng)峰，就是屬于雜質(zhì)Na2SO4的峰，峰型尖而窄，這說(shuō)明了，所合成的物質(zhì)中的主晶相是Na2SO4 ，而所要合成的鎂鋁水滑石的生成量則極少。主要產(chǎn)物為Na2SO4 ，而鎂鋁水滑石只占很少的量的原因分析：該次實(shí)驗(yàn)所得水滑石樣品中，以Na2SO4 這種雜質(zhì)為主要晶相，而鎂鋁水滑石所占的量則較少，導(dǎo)致Na2SO4 在產(chǎn)物中過(guò)多的原因如下：1：Na2SO4 與鎂鋁水滑石的晶型相近，所以，在適合水滑石形成的條件下，也有利于Na2SO4 的產(chǎn)生。2：由于Na2SO4 是易溶于水中的，所以，在產(chǎn)物中混有大量Na2SO4

15、的另一個(gè)原因即，在洗滌產(chǎn)物這一過(guò)程中，雜質(zhì)未被洗滌干凈，殘留下大量Na2SO4 雜質(zhì)。3：在配制A B 溶液時(shí)用的是自來(lái)水，在洗滌的時(shí)候也是用的自來(lái)水，而非蒸餾水，所以，從自來(lái)水中也會(huì)帶來(lái)較多的雜質(zhì)。4：本實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中由于時(shí)間原因，在水浴加熱過(guò)程中少進(jìn)行了 1 小時(shí)，也是導(dǎo)致Na2SO4 過(guò)多的主要原因之一。通過(guò)布拉格公式2dsin=n可得出晶面間距d 。如表（2）表（2）中列出了樣品在（003）,（006）,（009）,（015）,（018）,（110）,（113）晶面上的衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的d值，由表（1）的數(shù)據(jù)可知，d003 = 0.783 nm的值約為d006 = 0.393 n

16、m值的2倍和d009 = 0.258 nm值的3倍，說(shuō)明樣品中的水滑石有較規(guī)整的板層結(jié)構(gòu)，與水滑石的衍射卡（JCPD22-0700）相比，雖然衍射強(qiáng)度（與樣品量及測(cè)試條件有關(guān)）有差異，但其峰的位置即晶面間距d大致一致，說(shuō)明樣品中的水滑石結(jié)構(gòu)良好。根據(jù)衍射峰指標(biāo)化和d值，代入公式 d = 4( h2 + hk +k2 ) a-2 3-1 + l2 c-2-1/2 得：理論值為 ：a = 0.306 nm , c = 2.349 nm ，實(shí)驗(yàn)值為 ：a = 0.507 nm , c = 1.681 nm 。兩值相比，相差不大，說(shuō)明水滑石的結(jié)構(gòu)良好， 由于 c 值約為層間距d003 = 0.783

17、nm的3倍，表明晶胞在c軸方向上是由3層水滑石層片組成。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得樣品中水滑石的化學(xué)式大致為 ： Mg2 Al (OH)6 (CO3)0.5 H2O,與天然水滑石的組成式比較吻合。七、水滑石在市場(chǎng)中的應(yīng)用1、 水滑石在農(nóng)用薄膜中的作用水滑石在農(nóng)膜中的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)：增透、緩釋、保溫、與光穩(wěn)定劑有協(xié)同和熱穩(wěn)定作用等，使水滑石與其他緩釋劑相比有顯著的優(yōu)越性。水滑石的增透作用：在農(nóng)膜中透光性能可用兩個(gè)概念來(lái)表述：透光率和透明度。透光率是透過(guò)農(nóng)膜光線的光通量與入射光的光通量之比(用來(lái)表示)，透射光包括直射光和散射光。透明度是直射光的透過(guò)能力，不包括散射光，一般用霧度來(lái)表示。霧度是偏離入射光方向的散

18、射光光通量與透過(guò)光光通量之比。因此，霧度大也就是透明度不高。冬季，為了提高塑料大棚內(nèi)的溫度，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，我國(guó)北方地區(qū)希望使用透光性能好、霧度低的農(nóng)膜來(lái)鋪設(shè)，主要用于反季節(jié)栽培的日光溫室。水滑石在農(nóng)膜中增透作用通過(guò)三個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：增加結(jié)晶晶核、減小水滑石顆粒尺寸、相近的折光率。結(jié)晶晶核：農(nóng)膜中樹(shù)脂以結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)(無(wú)規(guī)狀態(tài))存在。光線在無(wú)規(guī)樹(shù)脂中不發(fā)生折射，所以透光率高。PVC樹(shù)脂是無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度5-10，透光率90。聚烯烴樹(shù)脂結(jié)晶度高，透光率不如PVC樹(shù)脂。農(nóng)膜常用樹(shù)脂透光率對(duì)比如下：PVC>EVA>LDPE>LLDPE農(nóng)膜中樹(shù)脂結(jié)晶度越高，結(jié)晶尺寸越大，材料非均相結(jié)

19、構(gòu)越明顯，入射光的折射損耗越大，造成農(nóng)膜的霧度高、透明度低。樹(shù)脂中加入水滑石，由于其尺寸小、數(shù)量大，相當(dāng)于在樹(shù)脂中增加結(jié)晶中心，起著類似成核劑的作用，使薄膜中晶體數(shù)量增加、尺寸減小，減少光的折射，增加薄膜的透光性。水滑石顆粒尺寸：水滑石顆粒尺寸一般較小，例如水滑石HT-P的平均粒徑98以上<1m，100<3m。一般的緩釋劑粒徑大，使入射光受到阻隔，增加了霧度。面水滑石則因粒徑小，對(duì)光線阻隔比其他緩釋劑少得多，因此霧度小。表2列出了各種緩釋劑的平均粒徑。相近的折光率：光線射入農(nóng)膜中，遇到固體顆粒(包括樹(shù)脂晶體)，都會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。不透明的顆粒阻礙光線通過(guò)，產(chǎn)生反射和漫散射；透明顆粒由于折光率不同會(huì)產(chǎn)生折射，如果折光率與樹(shù)脂相近似，折光現(xiàn)象小，通過(guò)農(nóng)膜的光線損耗小，提高了農(nóng)膜的透光性能。由于水滑石與PE樹(shù)脂折光率相近，在農(nóng)膜中添加水滑石，產(chǎn)生的折光現(xiàn)象較小，使農(nóng)膜的透光性能高于其他緩釋劑。各種緩釋劑及LDPE的折光率見(jiàn)表3。2、 水滑石的緩釋作用水滑石是無(wú)機(jī)化合物結(jié)晶體，具有顆粒尺寸小、表面積大的特性，因?yàn)槠浔砻娉识嗫捉Y(jié)構(gòu)，所以具有較大的吸油能力(見(jiàn)表4)，對(duì)農(nóng)膜中流滴劑有緩釋作用。3、 水滑石的保