本發(fā)明屬于無機(jī)材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法。
背景技術(shù)：
重金屬微污染一直是飲用水中危害巨大的頑固型污染。納米鎂鹽氧化物已被證實(shí)是高性能的飲用水微量重金屬離子脫除媒介之一，具有低溶損、高堿性的優(yōu)良特質(zhì)，因可解離出o2-離子而擁有極佳的抗菌性，并且由于等電點(diǎn)可達(dá)12.4而對陽離子呈現(xiàn)出獨(dú)特的靜電捕捉能力。納米氧化鎂通常由焙燒分解其碳酸鹽前驅(qū)體得到。近年來，成核/晶化隔離法的出現(xiàn)解決了納米材料難以工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)難題。它將晶體成核和晶化分開進(jìn)行，利用高速膠體磨在旋轉(zhuǎn)的過程中機(jī)械攪拌作用，同時定齒和轉(zhuǎn)齒之間所產(chǎn)生的液壓剪切作用力，使得在反應(yīng)初期爆發(fā)式形成大量細(xì)小晶核，然后通過后期的水熱晶化制備出粒徑均一的納米級材料。此方法符合化學(xué)共沉淀原理，具有反應(yīng)均勻、溫度低、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，先采用成核/晶化隔離法制備納米氧化鎂的碳酸鹽前驅(qū)體，再經(jīng)過簡單焙燒即可得到納米氧化鎂。
但是，納米氧化鎂前驅(qū)體因?yàn)樵谒橘|(zhì)中進(jìn)行制備時極易發(fā)生二次成核和團(tuán)聚現(xiàn)象以至晶體無序不可控，從而導(dǎo)致后續(xù)焙燒的氧化鎂成品吸附和除菌性能大幅降低，故遲遲未能在實(shí)踐中得以推廣，成為這種極具潛力的材料一直徘徊于實(shí)際應(yīng)用之外的技術(shù)瓶頸之一。根據(jù)經(jīng)典的界面化學(xué)理論分析，納米鎂鹽前驅(qū)體團(tuán)聚的原因很大可能是表面帶負(fù)電荷的納米鎂鹽前驅(qū)體顆粒極易吸附溶液中的活性mg2+在其表面進(jìn)行成核生長。若想要減少團(tuán)聚的出現(xiàn)，歸根結(jié)底就是要降低或是消除納米鎂鹽前驅(qū)體顆粒對活性mg2+的吸附。通常方法是在反應(yīng)體系中加入分散劑、表面活性劑如聚乙二醇、聚甲基丙烯酸銨、聚羥酸銨等對納米顆粒進(jìn)行包裹，然后通過后續(xù)熱處理的方法去除它們。但是添加劑大多是有機(jī)物，與水溶液的相溶性差，且加入后只能任由納米顆粒生長，過程難以控制，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了這種方法的局限性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的納米氧化鎂材料制備過程中存在的納米氧化鎂前驅(qū)體在水介質(zhì)中極易發(fā)生二次成核和團(tuán)聚現(xiàn)象以至晶體無序不可控，從而導(dǎo)致后續(xù)焙燒的納米氧化鎂成品吸附和除菌性能大幅降低的技術(shù)問題，提供一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法，是以六水氯化鎂為鎂源，碳酸銨為沉淀劑，咪唑基離子液體作為分散劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用成核/晶化隔離法合成前驅(qū)體三水碳酸鎂，再焙燒得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
進(jìn)一步地，一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法，具體制備步驟如下：
1)室溫條件下配制濃度為0.01～1.5mol·l-1的氯化鎂溶液和濃度為0.01～1.5mol·l-1的碳酸銨溶液，所述氯化鎂溶液的配制溶質(zhì)為六水氯化鎂；
2)將配制好的氯化鎂溶液和碳酸銨溶液按體積比1:1用蠕動泵按設(shè)定流量同時加入預(yù)先設(shè)定了轉(zhuǎn)速和剪切間隙的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器中，同時加入咪唑基離子液體，且加入的咪唑基離子液體的體積為加入的氯化鎂溶液體積的1/10，在常溫下進(jìn)行成核反應(yīng)，反應(yīng)完畢后從旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器出口收集懸浮液待用，將含咪唑基離子液體的母液循環(huán)用作原料；
3)將收集到的懸浮液進(jìn)行晶化，然后過濾并用去離子水反復(fù)洗滌濾餅3～5次，再將濾餅置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驅(qū)體三水碳酸鎂；
4)將干燥后的前驅(qū)體三水碳酸鎂置于馬弗爐中，在600～800℃的溫度下焙燒2h，即得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
進(jìn)一步地，步驟2)蠕動泵的設(shè)定流量為1.39～25ml·min-1。
進(jìn)一步地，步驟2)中旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1000～5000rpm，剪切間隙為0.1～0.5mm。
進(jìn)一步地，步驟2)中所用咪唑基離子液體為氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑、溴化1,2-二甲基-3-丁基咪唑、氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑或1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽中的任意一種。
進(jìn)一步地，步驟3)中的晶化溫度為15～30℃，晶化時間為1～4h。
進(jìn)一步地，步驟4)中得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的粒徑為15～30nm。
本發(fā)明的有益效果是：
1)本發(fā)明將咪唑基離子液體用于納米氧化鎂前驅(qū)體的合成，在鎂源mgcl2·6h2o(六水氯化鎂)和沉淀劑(nh4)2co3(碳酸銨)構(gòu)成的成核/晶化隔離法合成體系中，發(fā)揮咪唑基離子液體的調(diào)控特色，最終得到分散性良好、結(jié)晶有序納米氧化鎂。
2)本發(fā)明在成核/晶化隔離法制備納米氧化鎂前驅(qū)體時，加入一定的量的咪唑基離子液體，離子液體ab中的陽離子an+可與納米氧化鎂前驅(qū)體顆粒發(fā)生作用并擁有較大的位阻，便可阻止活性mg2+在顆粒表面成核生長，大大降低顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。這樣一來，通過可控的調(diào)節(jié)陽離子取代基位置或者是側(cè)鏈取代基的長度來調(diào)節(jié)其與顆粒表面作用力的強(qiáng)度，進(jìn)而便可控制所得納米氧化鎂前驅(qū)體顆粒的分散程度；此外，咪唑基離子液體容易通過氫鍵作用自發(fā)形成長成有序的自組裝結(jié)構(gòu)，能夠提供良好的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用；
3)本發(fā)明具有可操作性強(qiáng)、重復(fù)性好、無環(huán)境污染、離子液體可循環(huán)使用、適合批量生產(chǎn)等特點(diǎn)；本發(fā)明中的成核反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，降低了耗能，制備得納米氧化鎂在飲用水除菌以及微量重金屬離子吸附等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。
4)本發(fā)明制備得納米氧化鎂材料不僅純度高，分散性好，而且形貌有序，尺寸均一，所得納米氧化鎂顆粒的粒徑為15～30nm。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本實(shí)施例中的一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法，是以六水氯化鎂為鎂源，碳酸銨為沉淀劑，咪唑基離子液體作為分散劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用成核/晶化隔離法合成前驅(qū)體三水碳酸鎂，再焙燒得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
具體制備步驟如下：
1)室溫條件下配制濃度為0.01～1.5mol·l-1的氯化鎂溶液和濃度為0.01～1.5mol·l-1的碳酸銨溶液，所述氯化鎂溶液的配制溶質(zhì)為六水氯化鎂；
2)將配制好的氯化鎂溶液和碳酸銨溶液按體積比1:1用蠕動泵按設(shè)定流量同時加入預(yù)先設(shè)定了轉(zhuǎn)速和剪切間隙的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器中，所述蠕動泵的設(shè)定流量為1.39～25ml·min-1，所述旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1000～5000rpm，剪切間隙為0.1～0.5mm；同時加入咪唑基離子液體，且加入的咪唑基離子液體的體積為加入的氯化鎂溶液體積的1/10，在常溫下進(jìn)行成核反應(yīng)，反應(yīng)完畢后從旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器出口收集懸浮液待用，將含咪唑基離子液體的母液循環(huán)用作原料；
3)將收集到的懸浮液進(jìn)行晶化，晶化溫度為15～30℃，晶化時間為1～4h，然后過濾并用去離子水反復(fù)洗滌濾餅3～5次，再將濾餅置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驅(qū)體三水碳酸鎂；
4)將干燥后的前驅(qū)體三水碳酸鎂置于馬弗爐中，在600～800℃的溫度下焙燒2h，即得到粒徑為15～30nm的無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
所述咪唑基離子液體為氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑、溴化1,2-二甲基-3-丁基咪唑、氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑或1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽中的任意一種。
實(shí)施例1
本實(shí)施例中的一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法，是以六水氯化鎂為鎂源，碳酸銨為沉淀劑，咪唑基離子液體作為分散劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用成核/晶化隔離法合成前驅(qū)體三水碳酸鎂，再焙燒得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
具體制備步驟如下：
1)室溫條件下配制濃度為0.01mol·l-1的氯化鎂溶液和濃度為0.01mol·l-1的碳酸銨溶液各250ml，所述氯化鎂溶液的配制溶質(zhì)為六水氯化鎂；
2)將配制好的氯化鎂溶液和碳酸銨溶液按體積比1:1用蠕動泵按設(shè)定流量同時加入預(yù)先設(shè)定了轉(zhuǎn)速和剪切間隙的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器中，所述蠕動泵的設(shè)定流量為15ml·min-1，所述旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為1000rpm，剪切間隙為0.3mm；同時加入25ml氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑，在常溫下進(jìn)行成核反應(yīng)，反應(yīng)完畢后從旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器出口收集懸浮液待用，將含咪唑基離子液體的母液循環(huán)用作原料；
3)將收集到的懸浮液進(jìn)行晶化，晶化溫度為20℃，晶化時間為1h，然后過濾并用去離子水反復(fù)洗滌濾餅3～5次，再將濾餅置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驅(qū)體三水碳酸鎂；
4)將干燥后的前驅(qū)體三水碳酸鎂置于馬弗爐中，在600～800℃的溫度下焙燒2h，即得到粒徑為15～30nm的無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中的一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法，是以六水氯化鎂為鎂源，碳酸銨為沉淀劑，咪唑基離子液體作為分散劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用成核/晶化隔離法合成前驅(qū)體三水碳酸鎂，再焙燒得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
具體制備步驟如下：
1)室溫條件下配制濃度為0.8mol·l-1的氯化鎂溶液和濃度為0.8mol·l-1的碳酸銨溶液各250ml，所述氯化鎂溶液的配制溶質(zhì)為六水氯化鎂；
2)將配制好的氯化鎂溶液和碳酸銨溶液按體積比1:1用蠕動泵按設(shè)定流量同時加入預(yù)先設(shè)定了轉(zhuǎn)速和剪切間隙的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器中，所述蠕動泵的設(shè)定流量為1.39ml·min-1，所述旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為3000rpm，剪切間隙為0.1mm；同時加入25ml氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑，在常溫下進(jìn)行成核反應(yīng)，反應(yīng)完畢后從旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器出口收集懸浮液待用，將含咪唑基離子液體的母液循環(huán)用作原料；
3)將收集到的懸浮液進(jìn)行晶化，晶化溫度為15℃，晶化時間為4h，然后過濾并用去離子水反復(fù)洗滌濾餅3～5次，再將濾餅置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驅(qū)體三水碳酸鎂；
4)將干燥后的前驅(qū)體三水碳酸鎂置于馬弗爐中，在600～800℃的溫度下焙燒2h，即得到粒徑為15～30nm的無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
實(shí)施例3
本實(shí)施例中的一種無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料的制備方法，是以六水氯化鎂為鎂源，碳酸銨為沉淀劑，咪唑基離子液體作為分散劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用成核/晶化隔離法合成前驅(qū)體三水碳酸鎂，再焙燒得到無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
具體制備步驟如下：
1)室溫條件下配制濃度為1.5mol·l-1的氯化鎂溶液和濃度為1.5mol·l-1的碳酸銨溶液各250ml，所述氯化鎂溶液的配制溶質(zhì)為六水氯化鎂；
2)將配制好的氯化鎂溶液和碳酸銨溶液按體積比1:1用蠕動泵按設(shè)定流量同時加入預(yù)先設(shè)定了轉(zhuǎn)速和剪切間隙的旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器中，所述蠕動泵的設(shè)定流量為25ml·min-1，所述旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速為5000rpm，剪切間隙為0.5mm；同時加入25ml氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑，在常溫下進(jìn)行成核反應(yīng)，反應(yīng)完畢后從旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器出口收集懸浮液待用，將含咪唑基離子液體的母液循環(huán)用作原料；
3)將收集到的懸浮液進(jìn)行晶化，晶化溫度為30℃，晶化時間為2h，然后過濾并用去離子水反復(fù)洗滌濾餅3～5次，再將濾餅置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驅(qū)體三水碳酸鎂；
4)將干燥后的前驅(qū)體三水碳酸鎂置于馬弗爐中，在600～800℃的溫度下焙燒2h，即得到粒徑為15～30nm的無團(tuán)聚有序納米氧化鎂材料。
上述實(shí)施例中的咪唑基離子液體氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑可用溴化1,2-二甲基-3-丁基咪唑、氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑或1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽代替；且所用咪唑基離子液體為分析純，濃度大于99％。