本發(fā)明屬于無機材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種無團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，并且由于等電點可達12.4而對陽離子呈現(xiàn)出獨特的靜電捕捉能力。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行，利用高速膠體磨在旋轉(zhuǎn)的過程中機械攪拌作用，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。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)體因為在水介質(zhì)中進行制備時極易發(fā)生二次成核和團聚現(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，故遲遲未能在實踐中得以推廣，成為這種極具潛力的材料一直徘徊于實際應(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)體團聚的原因很大可能是表面帶負電荷的納米鎂鹽前驅(qū)體顆粒極易吸附溶液中的活性mg2+在其表面進行成核生長。若想要減少團聚的出現(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，這些缺點導(dǎo)致了這種方法的局限性。
技術(shù)實現(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，再焙燒得到無團聚有序納米氧化鎂材料。
進一步地，一種無團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，即得到無團聚有序納米氧化鎂材料。
進一步地，步驟2)蠕動泵的設(shè)定流量為1.39～25ml·min-1。
進一步地，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。
進一步地，步驟3)中的晶化溫度為15～30℃，晶化時間為1～4h。
進一步地，步驟4)中得到無團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度，進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、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；本發(fā)明中的成核反應(yīng)在常溫下進行，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。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本實施例中的一種無團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。
實施例1
本實施例中的一種無團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的無團聚有序納米氧化鎂材料。
實施例2
本實施例中的一種無團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的無團聚有序納米氧化鎂材料。
實施例3
本實施例中的一種無團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的無團聚有序納米氧化鎂材料。
上述實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％。