鋰皂石在不同鹽溶液中溶脹性能的研究

趙 恒，趙 鵬，范四海，吳麗惠，何云凡

（1.湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.襄陽(yáng)市墻體材料革新與建筑節(jié)能辦公室，湖北 襄陽(yáng) 441000）

【試驗(yàn)研究】

鋰皂石在不同鹽溶液中溶脹性能的研究

趙 恒1，趙 鵬2，范四海1，吳麗惠1，何云凡1

（1.湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.襄陽(yáng)市墻體材料革新與建筑節(jié)能辦公室，湖北 襄陽(yáng) 441000）

在中性、酸性、堿性的鹽溶液以及部分重金屬鹽溶液中，分別測(cè)定鋰皂石的膨脹容，分析了不同的鹽溶液對(duì)鋰皂石膨脹性能的影響。結(jié)果表明：酸性鹽溶液對(duì)鋰皂石的溶脹性能是不利的，中性和堿性鹽溶液中鋰皂石的溶脹性能較好。此外，鋰皂石在重金屬鹽溶液中，一定程度上對(duì)重金屬離子具有吸附作用。

鋰皂石；鹽溶液；溶脹性能；吸附

鋰皂石(hectorite)是屬于蒙脫石族粘土的一種天然礦物[1]，由上下兩層硅氧四面體中間夾著一層鎂氧八面體組合而成；八面體中的部分鎂離子被一價(jià)鋰離子置換，部分氫氧根離子被氟離子所置換，形成了強(qiáng)缺電子和強(qiáng)電負(fù)性結(jié)構(gòu)[2]。鋰皂石的特殊晶體結(jié)構(gòu)使得其凝膠具有良好的觸變、增稠、化學(xué)穩(wěn)定、配伍、吸附、衛(wèi)生安全等性質(zhì)，在化妝品、日用化工、吸附劑、催化劑以及納米材料等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。

目前，鋰皂石的制備方法已日趨成熟，可以通過(guò)天然鋰皂石提純、水熱合成法、微波輔助水熱法、固相熔融合成法、天然蒙脫石理化改性法制得[7-10]。相較鋰皂石的合成，鋰皂石應(yīng)用時(shí)的體系往往比較復(fù)雜，而目前對(duì)于鋰皂石在不同鹽溶液體系中的溶脹性能的研究并不多。為了進(jìn)一步利用鋰皂石的特性，取得更加優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用，本試驗(yàn)通過(guò)水熱合成法合成了鋰皂石，在中性、酸性、堿性的鹽溶液以及部分重金屬鹽溶液中，分別測(cè)定鋰皂石的膨脹容，分析了不同的鹽溶液對(duì)鋰皂石溶脹性能的影響。

1 主要設(shè)備與試劑

儀器及器具主要有：X-射線衍射儀、電子天平、磁力攪拌器、晶化釜、烘箱、研缽、200目標(biāo)準(zhǔn)篩、100mL具塞量筒、稱(chēng)量瓶、藥匙、標(biāo)簽紙、燒杯、玻璃棒等。

藥品：氟化鋰(LiF)，氫氧化鎂(Mg(OH)2)，二氧化硅(SiO2)，去離子水(H2O)，氯化鈉(NaCl)，硝酸鈉(NaNO3)，氯化鈣(CaCl2)，硫酸鎂(MgSO4)，碳酸鉀(K2CO3)，碳酸鈉(Na2CO3)，硫酸銅(CuSO4)，硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)，硝酸鈉(Ni(NO3)2·6H2O)，醋酸錳(Mn(CH3COO)2·4H2O)。

2 試驗(yàn)步驟

2.1 鋰皂石的合成

(1) 準(zhǔn)確稱(chēng)量31.00g去離子水加入到50mL燒杯中，再準(zhǔn)確稱(chēng)量0.27g LiF加入到上述燒杯中，攪拌10min，得到漿液A。

(2) 準(zhǔn)確稱(chēng)量2.33g Mg(OH)2，加入到漿液A中，攪拌1h，得到漿液B。

(3) 準(zhǔn)確稱(chēng)量3.60g SiO2，在1.5h內(nèi)緩慢攪拌加入漿液B中，得到漿液C。

(4) 將漿液C轉(zhuǎn)移到內(nèi)襯有聚四氟乙烯的晶化釜中，然后在180℃下晶化6h。

(5) 待晶化釜冷卻，從中取出反應(yīng)產(chǎn)物，干燥后即可得到鋰皂石。

2.2 鋰皂石在不同鹽溶液中溶脹性能的研究

(1) 分別配制摩爾濃度為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9mol/L的氯化鈉、硝酸鈉、氯化鈣、硫酸鎂、碳酸鉀、碳酸鈉溶液，并配制摩爾濃度為0.3mol/L的硫酸銅、硝酸鋅、硝酸鎳、醋酸錳溶液。

(2) 將制備好的鋰皂石樣品在研缽中研磨后，樣品用200目標(biāo)準(zhǔn)篩篩取，然后將篩取的樣品放在稱(chēng)量瓶中。

(3) 將盛有樣品的稱(chēng)量瓶去蓋，置于溫度控制在105～110℃的烘箱中約3～4h，將樣品烘干至恒重，然后取出并冷卻至室溫。

(4) 分別用天平稱(chēng)取鋰皂石樣品，置于預(yù)先貼好標(biāo)簽的稱(chēng)量瓶中，將各鋰皂石樣品分多次放入已加入90mL不同濃度各溶液的量筒內(nèi)，直至0.6g鋰皂石完全加入量筒中，然后分別用相應(yīng)濃度的溶液定容至100mL。

(5) 靜置24h，讀取沉淀物界面刻度值，以mL/0.6g計(jì)，精確至0.5mL。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋰皂石樣品表征結(jié)果

圖1 合成鋰皂石樣品XRD圖譜

由圖1中分析可知，在2θ為5.52°、19.42°、 28.76°、34.99°、53.49°、61.03°、72.58°處出現(xiàn)的衍射峰， 分別對(duì)應(yīng)鋰皂石的001、(100，020)、004、(130，200)、(150，240，310)、060、222晶面產(chǎn)生的特征衍射，而且在圖中未發(fā)現(xiàn)氟化鋰和氫氧化鎂的特征峰，表明在選取的試驗(yàn)條件下，原料充分反應(yīng)，合成出了純度高的鋰皂石。

3.2 鋰皂石在中性的鹽溶液中的溶脹性能

鋰皂石在不同濃度中性鹽溶液中的膨脹容見(jiàn)表1。

表1 不同濃度中性鹽溶液中鋰皂石的膨脹容

從表1中可看出：鋰皂石在一定濃度的中性鹽溶液中的溶脹性能較好，每0.6g鋰皂石基本上能達(dá)到100mL滿(mǎn)刻度值。隨著鹽溶液濃度的增加，鋰皂石的膨脹容有所下降，這說(shuō)明鹽溶液濃度升高，對(duì)鋰皂石的溶脹性能是不利的。

3.3 鋰皂石在酸性的鹽溶液中的溶脹性能

鋰皂石在不同濃度酸性鹽溶液中的膨脹容見(jiàn)表2。

表2 不同濃度酸性鹽溶液中鋰皂石的膨脹容

對(duì)比表1，從表2中可看出：鋰皂石在一定濃度的酸性鹽溶液中的溶脹性能較中性鹽溶液中的溶脹性能差，并且隨著鹽溶液濃度增加，鋰皂石的溶脹性能?chē)?yán)重下降。這說(shuō)明酸性溶液對(duì)鋰皂石的溶脹性能影響較大，酸性越強(qiáng)，鋰皂石的膨脹容越低。這可能是由于酸性溶液中，游離氫離子較多，影響了鋰皂石空間“卡片房子”結(jié)構(gòu)的形成[11]。

3.4 鋰皂石在堿性的鹽溶液中的溶脹性能

鋰皂石在不同濃度堿性鹽溶液中的膨脹容見(jiàn)表3。

從表3中可看出：鋰皂石在一定濃度的堿性鹽溶液中的溶脹性能與中性鹽溶液中的溶脹性能比較接近，但是隨著鹽溶液濃度增加，鋰皂石的溶脹性能也有所下降。這也說(shuō)明了鹽溶液的濃度對(duì)鋰皂石的溶脹性能有一定的影響，鹽溶液的濃度越大，鋰皂石的溶脹性能越差。

表3 不同濃度堿性鹽溶液中鋰皂石的膨脹容

3.5 鋰皂石在重金屬鹽溶液中的溶脹性能

鋰皂石在不同濃度重金屬鹽溶液中的膨脹容見(jiàn)表4。

表4 不同濃度重金屬鹽溶液中鋰皂石的膨脹容

參照表1、表2、表3中濃度為0.3mol/L的金屬鹽溶液，從表4中可以看出鋰皂石在相同濃度下的重金屬鹽溶液的中溶脹性能較低。試驗(yàn)結(jié)束后，具塞量筒中土樣部分有顏色，而上清液比較清澈，相較試驗(yàn)前溶液顏色淺了很多，這表明鋰皂石對(duì)重金屬離子具有一定的吸附作用。這也可能是鋰皂石在重金屬鹽溶液中，溶脹性能降低的原因之一。

4 結(jié)論

相同濃度下，鋰皂石在一定濃度的中性鹽溶液中的溶脹性能較好，一定濃度的酸性鹽溶液會(huì)降低鋰皂石的溶脹性能，一定濃度的堿性鹽溶液對(duì)鋰皂石的溶脹性能影響不大。鹽溶液的鹽性對(duì)鋰皂石的溶脹性能影響較大，鹽濃度越高，鋰皂石的溶脹性能越低。除此之外，一定濃度下，鋰皂石對(duì)于重金屬鹽溶液的溶脹性能相較其他鹽溶液低，這可能是由于鋰皂石對(duì)重金屬的吸附作用導(dǎo)致的。因此，在今后的鋰皂石應(yīng)用中，選擇中性或者堿性條件，可以較好地利用鋰皂石的溶脹性能。同時(shí)，要發(fā)揮鋰皂石較好的溶脹性能，使用環(huán)境的鹽度不宜太高。在含有重金屬的鹽溶液中應(yīng)用，需同時(shí)考慮鋰皂石的吸附性能。

[1]FOSHAG W F, WOODFORD A O. Bentonitic magnesian clay mineral from California[J]. Journal Mineralogical Society of America. 1936, 21: 238-244.

[2]BUJDAK J. Effect of the layer charge of clay minerals on optical properties of organic dyes. A review[J]. Applied Clay Science, 2006, 34(1-4): 58-73.

[3]王浩，邱俊，曹曉強(qiáng)，等.鋰皂石的制備方法及應(yīng)用[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2015，21(1)：82-84.

[4]MA J, JIA Y Z, JING Y. Synthesis and photocatalytic activity of TiO2-hectorite composites[J]. Applied Clay Science, 2009, 46: 114-116.

[5]BASKARALIMGAM P, PULIKESI M, RAMAMURTHI V, et al. Equilibriumstudiesof theadsorption of aciddyeontomodified hectorite[J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 136(3): 989-992.

[6]VELASCO J I, ANTUNES M, AYYAD O, et al. Foams based on low density polyethylene/hectorite nanocomposites: thermalstability and thermomechanicalproperties[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2007, 105(3): 1658-1667.

[7]聶建華，鄭大鋒，皮丕輝，等.鋰皂石有機(jī)改性研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008，27(12)：1903-1910.

[8]周春暉，杜澤學(xué)，李小年，等.水熱體系合成鋰皂石結(jié)構(gòu)的演化和影響規(guī)律研究[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21(9)：1327-1332.

[9]馮臻.微波合成鋰皂石的結(jié)構(gòu)與性能及其應(yīng)用[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2006，38(11)：33-36.

[10]KALO H, MOLLER M W, ZIADEH M et al. Large scale melt synthesis in an open crucible of Na-fluorohectorite with superb charge homogeneity and particle size[J]. Appl. Clay Sci., 2010, 48(1-2): 39-45.

[11]LUCKHAM P F, ROSSI S. The colloidal and rheological properties of bentonite suspensions[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 1999, 82(1-3): 43-92.

Study on Swelling Properties of Hectorite-like Solids in Different Salt Solution

ZHAO Heng1, ZHAO Peng2, FAN Si-hai1, WU Li-hui1, HE Yun-fan1
(1. School of Chemical Engineering and Food Science, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. Xiangyang Office of Wall Materials Innovation and Building Energy-saving, Xiangyang 441000, China)

The influence of different salt solutions on swelling properties of hectorite was analyzed by testing swelling capacities in different concentrations of salt solution. The results suggested that acidic and salt solutions could significantly decrease swelling capacity of artificial hectorite. The swelling properties of hectorite was good in neutral solution and alkali solution. And the hectorite could adsorb heavy metal ions to a certain extent.

hectorite; salt solution; swelling properties; absorb

TQ127.2

A

1007-9386(2016)04-0013-03

2016-08-05