一種微通道反應(yīng)器制備碳酸根型納米水滑石的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料化學(xué)、無(wú)機(jī)化工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水滑石材料的制備方法，具體地說(shuō)是一種利用微通道反應(yīng)器制備碳酸根型納米水滑石的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水滑石是一類典型的層狀結(jié)構(gòu)材料，其化學(xué)通式可表示為[M2YxM' (OH) 2]x+ (AnO x/n.yH20，其中M2+和M3+分別為位于主體層板上的二價(jià)和三價(jià)金屬陽(yáng)離子，An-為層間客體陰離子，X —般在0.2-0.33之間，y為結(jié)晶水的數(shù)量。通過(guò)改變主體層板上的金屬離子種類和比例，以及將不同類型的客體陰離子插層到主體水滑石層間可得到不同組成及性能的插層水滑石材料，因此水滑石材料目前已作為催化劑及催化劑載體、離子交換材料、吸附劑、功能性助劑、生物醫(yī)藥材料、熒光材料及磁性材料等得到廣泛應(yīng)用。
[0003]一般情況下陰離子本身所帶的電荷越多、離子半徑越小，越容易通過(guò)離子交換進(jìn)入層間。一些常見無(wú)機(jī)陰離子的交換能力順序?yàn)?C032->HP042->S042->0H->F->Cr>Br->N03->Γ，可見CO/—型水滑石較其它類型水滑石材料更穩(wěn)定，而實(shí)際應(yīng)用中含CO/—型水滑石也最為常見，如最典型的水滑石材料Mg6Al2 (OH) 16C03.4Η20即為碳酸根型水滑石。水滑石類材料的制備方法通常采用液相共沉淀法，但常規(guī)方法存在滴加過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)程間歇、產(chǎn)品粒徑分布寬、易存在雜相、產(chǎn)品批次間重復(fù)性差、難以大規(guī)模生產(chǎn)等問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足，國(guó)內(nèi)外研究者開發(fā)了多種新型的水滑石制備方法。
[0004]專利CN1358691A公開了一種用全返混液膜反應(yīng)器制備超細(xì)陰離子層狀材料的方法，該方法采用強(qiáng)制微觀混合技術(shù)使兩種液體反應(yīng)物在反應(yīng)器轉(zhuǎn)子與定子之間的縫隙處迅速充分混合接觸，縫隙尺寸為1-20微米，反應(yīng)后的產(chǎn)物迅速脫離反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)粒子的成核與生長(zhǎng)步驟分離，所得粒子的尺寸為lO-lOOnm，但該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，能耗較大。
[0005]Abello 等(Tuning Nanomaterials’Characteristics by a MiniaturizedIn-Line Dispers1n-Precipitat1n Method:Applicat1n to Hydrotalcite Synthesis,Advanced Materials, 2006,18 (18)，2436-2439)公開了一種小體積反應(yīng)器制備水滑石的方法，即把兩股反應(yīng)溶液通入內(nèi)部有效體積約6mL的微型反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)器底部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約24000rpm，反應(yīng)器外壁裝有固定刀片剪切高速旋轉(zhuǎn)的液體用以強(qiáng)化混合，但所得水滑石產(chǎn)品存在團(tuán)聚問(wèn)題。
[0006]Shirure 等(Intensificat1n of precipitat1n using narrow channelreactors:magnesium hydroxide precipitat1n, Industrial&engineering chemistryresearch, 2005,44 (15)，5500-5507)公開了一種窄通道反應(yīng)器制備水滑石的方法，但所得產(chǎn)品粒徑基本在10 μ m以上，且團(tuán)聚嚴(yán)重。
[0007]Wang等(Synthesis of ultrafine layered double hydroxide (LDHs) nanoplatesusing a continuous-f low hydrothermal reactor, Nanoscale, 2013, 5 (I), 114-117)公開了一種新型連續(xù)流超臨界水熱制備水滑石納米片的方法，該系統(tǒng)壓力范圍為0-240bar，溫度區(qū)間為0-400°C，但該方法成本較高。
[0008]專利CN103011254A公開了一種均分散類水滑石納米單片的制備方法，利用微通道反應(yīng)器在水溶液中制備出表面無(wú)有機(jī)物質(zhì)吸附的類水滑石納米單片，但未涉及碳酸根型水滑石的制備。
[0009]上述公開的文獻(xiàn)或?qū)＠兄苽渌男路椒ň嬖谀承┨囟ǖ膯?wèn)題，或設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或過(guò)程能耗較高，或產(chǎn)品品質(zhì)較差，導(dǎo)致這些工藝難以真正低成本、大規(guī)模制備高品質(zhì)水滑石產(chǎn)品。目前尚無(wú)微通道反應(yīng)器制備碳酸根型納米水滑石材料的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明目的是提供一種利用微通道反應(yīng)器制備碳酸根型納米水滑石的方法，包括如下工藝步驟:
[0011]一種利用微通道反應(yīng)器制備碳酸根型納米水滑石的方法，使一定濃度的混合金屬鹽溶液和一定濃度的含有碳酸根的混合堿溶液經(jīng)換熱后分別連續(xù)地通入微通道反應(yīng)器，一定溫度下在微通道反應(yīng)器中進(jìn)行沉淀反應(yīng)，將沉淀反應(yīng)得到的水滑石漿料在60-200°C溫度下老化或水熱處理1-8小時(shí)，再將處理后的漿料過(guò)濾、洗滌、干燥，得到平均粒徑在20-100nm的碳酸根型水滑石產(chǎn)品。
[0012](I)分別配制金屬離子總濃度為0.2-2.0moI/L的混合金屬鹽溶液及碳酸根和氫氧根離子總濃度為0.4-4.0mol/L的混合堿溶液。其中混合金屬鹽溶液的配制是將含有二價(jià)金屬離子M2+和三價(jià)金屬離子M3+的可溶性鹽溶于去離子水中，并且二價(jià)與三價(jià)金屬離子的總摩爾比 Ση(M2+)/Ση(M3+)控制在 2/1-4/1 之間。M2+可以是 Mg2+、Zn2+、Ni2+、Fe2+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Ca2+、Cd2+ 中的一種或幾種；Μ3+可以是 Al3+、Fe3+、Cr3+、Co3+、V3+、Ti3+、Ga3+ 和 In3+ 中的一種或幾種?；旌蠅A溶液的配制是從碳酸鈉或碳酸鉀或碳酸銨等可溶性碳酸鹽中選取一種，從氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨水中選取另外一種混合配制而成；
[0013](2)將配置好的混合金屬鹽溶液和含有碳酸根的混合堿溶液分別由平流泵經(jīng)換熱后連續(xù)地通入微通道反應(yīng)器中，一定溫度下在微通道反應(yīng)器中進(jìn)行沉淀反應(yīng)制備得到水滑石漿料；
[0014](3)將沉淀反應(yīng)得到的水滑石漿料經(jīng)后續(xù)老化或水熱處理，再將處理后的漿料過(guò)濾、洗滌、干燥，得到平均粒徑在20-100nm的碳酸根型水滑石產(chǎn)品。
[0015]上述步驟(2)中，混合金屬鹽溶液與含有碳酸根的混合堿溶液在微通道反應(yīng)器中進(jìn)行沉淀反應(yīng)的體積比為1:1，反應(yīng)溫度為20-100°C，即換熱后的溫度，一般選擇在50-80°C，以使相同負(fù)荷下降低反應(yīng)器流動(dòng)阻力。反應(yīng)生成的漿料在微通道反應(yīng)器中的停留時(shí)間小于0.1秒。上述步驟(3)中，老化或水熱處理的溫度為60-200°C、時(shí)間為l_8h。
[0016]本發(fā)明所述微通道反應(yīng)器的水力直徑尺寸范圍在200-1000 μ m，優(yōu)選的實(shí)施范圍在500-800 μ m。微通道反應(yīng)器包括兩個(gè)原料入口，一個(gè)物料出口，微通道反應(yīng)器每個(gè)進(jìn)口通道為單個(gè)通道、或設(shè)置為二條以上的分支；上級(jí)通道與下級(jí)通道之間以半圓弧或劣弧形微通道連通，且各級(jí)微通道的寬度逐級(jí)遞減，遞減幅度在40-60%。
[0017]本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì):
[0018](I)水滑石產(chǎn)品粒徑分布窄、粒徑大小可控、形貌規(guī)整、無(wú)雜相。在水力直