專利名稱：一種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法
技術領域：
本發(fā)明公開了ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法。屬無機非金屬材料合成技術領域。
背景技術：
水化硅酸鈣又稱為托貝莫來石，它是硅酸鈣保溫材料的主要成分，由其組成的保溫材料具有容重小、耐高溫和導熱系數(shù)低等特點，托貝莫來石作為輕質防火保溫建筑材料的主要原料而被廣泛使用。在生物材料領域，托貝莫來石納米線具有快速誘導沉積類骨羥基磷灰石能力，并具有良好的吸附蛋白和細胞功能，從而達到提高骨形成的能力，促進骨修復進程，有望作為骨修復材料。鋁土礦、富鉀巖石等礦石在綜合利用過程中會產(chǎn)生大量的含硅堿液，對這種脫硅堿液進行回收利用可制備硅灰石粉體。發(fā)明專利“利用脫硅堿液合成針狀硅灰石粉體エ藝”·(申請?zhí)枮?01010254879. 4)公開了將富鉀巖石或粉煤灰或煤矸石預脫硅過程中得到的脫硅堿液制備成針狀硅灰石粉體的方法，但該方法存在合成エ藝復雜、能耗高，產(chǎn)品純度低、形貌不規(guī)則等問題。國內對托貝莫來石的制備方法進行了一定的研究。上海硅酸鹽研究所利用含Ca2+和Si032_的溶液、以EDTA (こニ胺四こ酸)為螯合剤，制備了直徑為O. I μ πΓ . O μ m，長度為40 μ πΓ ΟΟ μ m的托貝莫來石。華東師范大學以硝酸鈣為鈣源、硅酸鈉為硅源，采用水熱微乳法制備得到托貝莫來石納米線，其直徑約3(T50nm，長度最高達到10多微米。這些方法因使用了較昂貴的有機和無機試劑，導致在生產(chǎn)成本上都比較高，難以用于エ業(yè)生產(chǎn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術之不足而提供一種エ藝簡單、能耗較低、合成的托貝莫來石晶須純度高的利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法。本發(fā)明ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，包括下述步驟步驟一，將硅酸鈉配置成SiO2濃度為20g/L 30g/L的溶液，向溶液中加入苛性堿得到混合液，所述混合液中苛性堿的濃度為50g/L 100g/L，然后，再向混合液中按鈣硅摩爾比為O. 8^1. O加入石灰乳，得到混合料漿；步驟ニ，將所述混合料漿放入壓カ反應釜中，攪拌升溫至180°C 240°C，在O. 5MPa^3. 2MPa大氣壓下恒溫反應完成后，自然冷卻至室溫；然后，將壓カ反應釜中的料漿過濾，得濾餅和濾液，濾液再次返壓カ反應釜回循環(huán)利用，濾餅于90°C 110°C下干燥，獲得托貝莫來石晶須。本發(fā)明ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法中，所述步驟一中，向所述混合料漿中添加含氯的化合物和含鋁的化合物；所述含氯的化合物添加量按硅氯摩爾比為1(Γ20加入，所述含鋁的化合物添加量按硅鋁摩爾比為5 15加入；所述含氯的化合物和含鋁的化合物選自A1C13、NaCl、Al (OH) 3、NaAlO2中的至少3種按設計的硅鋁摩爾比和硅氯摩爾比混合而成。本發(fā)明ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法中，所述壓カ反應釜的升溫速度為 2V /min 3°C /min。本發(fā)明ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法中，所述攪拌速度為I OOrpnT^OOrpm。本發(fā)明ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法中，所述恒溫反應時間為T9小吋。本發(fā)明ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的 方法中，獲得的托貝莫來石晶須長度為 5 μ πΓ Ο μ m,直徑為 O. 2 μ πΓθ· 5 μ m。本發(fā)明由于米用上述エ藝方法，米用石灰乳與娃酸鈉溶液混合，在一定的溫度和時間下，在氯離子和鋁離子的作用下，合成了結晶晶面好、純度高的托貝莫來石晶須。在合成托貝莫來石過程中，加入氯離子不僅可促進托貝莫來石的生成，同時具有使托貝莫來石晶須晶面結晶完整的作用；而加入鋁離子有助于提高合成產(chǎn)物的純度，當達到一定量后，合成產(chǎn)物全部為托貝莫來石。采用本發(fā)明獲得的有益效果是在氯離子的作用下，溶液中的鹽效應促使Ca(OH)2發(fā)生解離，使得溶液中Ca2+的含量増加，從而為Ca2+與硅氧四面體鏈的結合創(chuàng)造條件，促進了托貝莫來石的生成，同樣，因托貝莫來石的層狀結構，在托貝莫來石晶須的表面吸附了ー定量的Ca2+，氯離子可使Ca2+發(fā)生解析或繼續(xù)與硅氧四面體鏈結合，從而保證的晶須晶面的完整性；鋁離子在硅酸鈉溶液中形成穩(wěn)定的鋁硅酸根離子，在I. Inm托貝莫來石形成過程中，鋁離子取代托貝莫來石結構中三元鏈的橋聯(lián)硅氧四面體的硅，阻礙了橋聯(lián)硅氧四面體之間的鍵合，從而形成單鏈硅氧四面體層，最終形成I. Inm托貝莫來石。在氯離子和鋁離子的作用下，有效地提高了托貝莫來石的純度，獲得晶須晶面較完整的単相托貝莫來石，為合成純度高、結晶好的托貝莫來石晶須提供了一條有效途徑。采用本發(fā)明還可實現(xiàn)エ業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的高堿性硅酸鈉廢液的綜合回收。


附圖I是本發(fā)明實施例12合成的托貝莫來石晶須XRD ；附圖2是本發(fā)明實施例12合成的托貝莫來石晶須SEM。從圖1、2中可以看出產(chǎn)物為純的I. Inm托貝莫來石単相，經(jīng)SEM檢測發(fā)現(xiàn)其形貌呈明顯的針狀，結晶晶面較完整，托貝莫來石晶須直徑為0.5 μ πΓΟ. 7 μ m、長為5 μ m 13 μ m。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步詳細說明。對比例I :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中，按鈣硅摩爾比為I加入石灰乳，攪拌混勻后放入反應釜中，按2°C /min的速度升溫至180°C，在O. 5MPa壓カ下以IOOrpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析，可知其主要物相為水化硅酸鈣凝膠(CSH)，無托貝莫來石生成。對比例2 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中，按鈣硅摩爾比為I加入石灰乳，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以IOOrpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析，可知其主要物相為針鈉鈣石，且有少量的托貝莫來石生成。對比例3 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中，按鈣硅摩爾比為I加入石灰乳，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以150rpm的速度攪拌恒溫反應9小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，產(chǎn)物為針鈉鈣石。實施例I :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為50g/L的苛性堿，混合溶液與石灰乳按鈣硅摩爾比為I混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2°C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以IOOrpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析，可知其主要物相為針鈉鈣石，而托貝莫來石生成量較少。 實施例2 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，混合溶液與石灰乳按I丐娃摩爾比為I混合，攪拌混勻后放入反應爸中，按2. 5V /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應8小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析，可知產(chǎn)物中含有針鈉鈣石和托貝莫來石，但與未加苛性堿溶液相比，針鈉鈣石的量明顯減少，而托貝莫來石的生成量大幅増加。實施例3 :在SiO2濃度為30g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，混合溶液與石灰乳按鈣硅摩爾比為I混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按:TC /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應9小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析，可知產(chǎn)物仍由針鈉鈣石和托貝莫來石組成。實施例4 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，然后按硅氯摩爾比20將NaCl加入混合液中，再按鈣硅摩爾比為I與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以150rpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，與未加入NaCl相比，產(chǎn)物中針鈉鈣石進ー步減少，而托貝莫來石的生成量進ー步増加，同時托貝莫來石針狀晶須的尺寸趨于均勻。實施例5 :在SiO2濃度為25g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為70g/L的苛性堿，然后按硅氯摩爾比10將NaCl加入到混合液中，再按鈣硅摩爾比為I與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，與硅氯摩爾比20相比，產(chǎn)物中主要物相為托貝莫來石，但仍含有少量的針鈉鈣石，同時產(chǎn)物中針狀晶須尺寸變得更加均勻。實施例6 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，然后按硅氯摩爾比10、硅鋁摩爾比15將NaCl、Al (OH)3加入到混合液中，再按鈣硅摩爾比為I與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，產(chǎn)物為單斜托貝莫來石和I. Inm托貝莫來石，無針鈉鈣石生成，托貝莫來石晶須直徑為0. I μ πΓθ. 4 μ m、長為5 μ πΓ Ο μ m。
實施例7 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，然后按硅氯摩爾比10、硅鋁摩爾比5將NaCl、A1C13、Al (OH) 3加入到混合液中，再按鈣硅摩爾比為O. 8與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應9小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，產(chǎn)物單一的I. Inm托貝莫來石，經(jīng)SEM檢測發(fā)現(xiàn)其形貌呈明顯的針狀，結晶晶面完整，托貝莫來石晶須直徑為0.2 μ πΓΟ. 5 μ m、長為
5μ m 10 μ m。實施例8 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，然后按硅氯摩爾比10、硅鋁摩爾比5將似(1、似410241(0!1)3按加入到混合液中，再按鈣硅摩爾比為0. 83與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應6小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，產(chǎn)物為高単一 I. Inm托貝莫來石，且衍射峰的雜峰消失，經(jīng)SEM檢測發(fā)現(xiàn)其形貌呈明顯的針狀，結晶晶面較完整，托貝莫來石晶須直徑為 0. 4 μ m 0. 7 μ5 μ m 12 μ m。實施例9 :在SiO2濃度為30g/L的硅酸鈉溶液中加入濃度為100g/L的苛性堿，然后按硅氯摩爾比10、硅鋁摩爾比5將NaCl、A1C13、NaAlO2加入到混合液中，再按鈣硅摩爾比為I.與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 50C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應9小吋，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，然后在干燥箱中干燥，對濾餅進行XRD分析可知，產(chǎn)物仍為純的I. Inm托貝莫來石単相，經(jīng)SEM檢測發(fā)現(xiàn)其形貌同樣呈明顯的針狀，結晶晶面較完整，托貝莫來石晶須直徑為0. 4 μ m 0. 7 μ5 μ m 10 μ m。實施例10 :在SiO2濃度為20g/L的硅酸鈉溶液中，配置苛性堿濃度為100g/L的混合溶液，然后按硅氯摩爾比10、硅鋁摩爾比5將NaCl、A1C13、NaAlO2, Al (OH)3加入到混合液中，再按鈣硅摩爾比為I與石灰乳混合，攪拌混勻后放入反應釜中，按2. 5°C /min的速度升溫至240°C，在3. 2MPa壓カ下以200rpm的速度攪拌恒溫反應9小時，之后自然冷卻到室溫，過濾料漿得到濾餅，將濾餅干燥后進行XRD分析可知，產(chǎn)物為純的I. Inm托貝莫來石単相，經(jīng)SEM檢測發(fā)現(xiàn)其形貌呈明顯的針狀，結晶晶面較完整，托貝莫來石晶須直徑為0. 5 μ m 0. 7 μ5 μ m 13 μ m。
權利要求
1.ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，包括下述步驟 步驟一，將硅酸鈉配置成SiO2濃度為20g/L 30g/L的溶液，向溶液中加入苛性堿得到混合液，所述混合液中苛性堿的濃度為50g/L 100g/L，然后，向混合液中加入石灰乳，得到混合料漿；所述石灰乳的加入量按鈣硅摩爾比為O. 8 I. O加入； 步驟ニ，將所述混合料漿放入壓カ反應釜中，攪拌升溫至180°C ^240 °C,在O.5MPa^3. 2MPa大氣壓下恒溫反應完成后，自然冷卻至室溫；然后，將壓カ反應釜中的料漿過濾，得濾餅和濾液，濾液再次返壓カ反應釜回循環(huán)利用，濾餅于90°C 110°C下干燥，獲得托貝莫來石晶須。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，其特征在于所述步驟一中，向所述混合料漿中添加含氯的化合物和含鋁的化合物；所述含氯的化合物添加量按硅氯摩爾比為1(Γ20加入，所述含鋁的化合物添加量按硅鋁摩爾比為5 15加入；所述含氯的化合物和含鋁的化合物選自A1C13、NaCl、Al (OH) 3、NaAlO2中的至少3種按設計的硅鋁摩爾比和硅氯摩爾比混合而成。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，其特征在于所述壓カ反應釜的升溫速度為2V /mirT3°C /min。
4.根據(jù)權利要求3所述的ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，其特征在于所述攪拌速度為100rpnT200rpm。
5.根據(jù)權利要求4所述的ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，其特征在于所述恒溫反應時間為3、小時。
6.根據(jù)權利要求5所述的ー種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法，其特征在于獲得的托貝莫來石晶須為針狀，長度為5μπΓ 0μηι,直徑為O. 2 μ πΓθ. 5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用硅酸鈉合成托貝莫來石晶須的方法。將硅酸鈉和苛性堿配置成一定濃度的溶液，按一定的硅氯摩爾比和硅鋁摩爾比溶入含氯化合物和含鋁化合物，將配置好的溶液與石灰乳按一定的鈣硅摩爾比混合后，在反應釜中采用動態(tài)水熱法恒溫恒壓反應。反應完成后，冷卻，過濾，即得到托貝莫來石晶須。本發(fā)明工藝簡單、能耗較低、合成的托貝莫來石晶須純度高，采用本發(fā)明制備的托貝莫來石晶須為針狀，結晶晶面較完整，可用于建材、石化、陶瓷及生物材料等領域?？蓪崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的高堿性硅酸鈉廢液的綜合回收。適于工業(yè)化應用。
文檔編號C01B33/24GK102674380SQ20121016523
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權日2012年5月25日
發(fā)明者姜濤, 張元波, 張吉清, 曾精華, 朱忠平, 李光輝, 李騫, 楊永斌, 羅駿, 范曉慧, 蔣昊, 許斌, 郭宇峰, 陳浩遠, 陳許玲, 饒明軍 申請人:中南大學