本发明属于无机材料制备领域，具体涉及一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法。
背景技术：
重金属微污染一直是饮用水中危害巨大的顽固型污染。纳米镁盐氧化物已被证实是高性能的饮用水微量重金属离子脱除媒介之一，具有低溶损、高碱性的优良特质，因可解离出o2-离子而拥有极佳的抗菌性，并且由于等电点可达12.4而对阳离子呈现出独特的静电捕捉能力。纳米氧化镁通常由焙烧分解其碳酸盐前驱体得到。近年来，成核/晶化隔离法的出现解决了纳米材料难以工业化生产的技术难题。它将晶体成核和晶化分开进行，利用高速胶体磨在旋转的过程中机械搅拌作用，同时定齿和转齿之间所产生的液压剪切作用力，使得在反应初期爆发式形成大量细小晶核，然后通过后期的水热晶化制备出粒径均一的纳米级材料。此方法符合化学共沉淀原理，具有反应均匀、温度低、速度快、效率高等优点。因此，先采用成核/晶化隔离法制备纳米氧化镁的碳酸盐前驱体，再经过简单焙烧即可得到纳米氧化镁。
但是，纳米氧化镁前驱体因为在水介质中进行制备时极易发生二次成核和团聚现象以至晶体无序不可控，从而导致后续焙烧的氧化镁成品吸附和除菌性能大幅降低，故迟迟未能在实践中得以推广，成为这种极具潜力的材料一直徘徊于实际应用之外的技术瓶颈之一。根据经典的界面化学理论分析，纳米镁盐前驱体团聚的原因很大可能是表面带负电荷的纳米镁盐前驱体颗粒极易吸附溶液中的活性mg2+在其表面进行成核生长。若想要减少团聚的出现，归根结底就是要降低或是消除纳米镁盐前驱体颗粒对活性mg2+的吸附。通常方法是在反应体系中加入分散剂、表面活性剂如聚乙二醇、聚甲基丙烯酸铵、聚羟酸铵等对纳米颗粒进行包裹，然后通过后续热处理的方法去除它们。但是添加剂大多是有机物，与水溶液的相溶性差，且加入后只能任由纳米颗粒生长，过程难以控制，这些缺点导致了这种方法的局限性。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现有的纳米氧化镁材料制备过程中存在的纳米氧化镁前驱体在水介质中极易发生二次成核和团聚现象以至晶体无序不可控，从而导致后续焙烧的纳米氧化镁成品吸附和除菌性能大幅降低的技术问题，提供一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法，是以六水氯化镁为镁源，碳酸铵为沉淀剂，咪唑基离子液体作为分散剂和结构导向剂，采用成核/晶化隔离法合成前驱体三水碳酸镁，再焙烧得到无团聚有序纳米氧化镁材料。
进一步地，一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法，具体制备步骤如下：
1)室温条件下配制浓度为0.01～1.5mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为0.01～1.5mol·l-1的碳酸铵溶液，所述氯化镁溶液的配制溶质为六水氯化镁；
2)将配制好的氯化镁溶液和碳酸铵溶液按体积比1:1用蠕动泵按设定流量同时加入预先设定了转速和剪切间隙的旋转液膜反应器中，同时加入咪唑基离子液体，且加入的咪唑基离子液体的体积为加入的氯化镁溶液体积的1/10，在常温下进行成核反应，反应完毕后从旋转液膜反应器出口收集悬浮液待用，将含咪唑基离子液体的母液循环用作原料；
3)将收集到的悬浮液进行晶化，然后过滤并用去离子水反复洗涤滤饼3～5次，再将滤饼置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驱体三水碳酸镁；
4)将干燥后的前驱体三水碳酸镁置于马弗炉中，在600～800℃的温度下焙烧2h，即得到无团聚有序纳米氧化镁材料。
进一步地，步骤2)蠕动泵的设定流量为1.39～25ml·min-1。
进一步地，步骤2)中旋转液膜反应器的转速为1000～5000rpm，剪切间隙为0.1～0.5mm。
进一步地，步骤2)中所用咪唑基离子液体为氯化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-甲基咪唑四氟硼酸盐中的任意一种。
进一步地，步骤3)中的晶化温度为15～30℃，晶化时间为1～4h。
进一步地，步骤4)中得到无团聚有序纳米氧化镁材料的粒径为15～30nm。
本发明的有益效果是：
1)本发明将咪唑基离子液体用于纳米氧化镁前驱体的合成，在镁源mgcl2·6h2o(六水氯化镁)和沉淀剂(nh4)2co3(碳酸铵)构成的成核/晶化隔离法合成体系中，发挥咪唑基离子液体的调控特色，最终得到分散性良好、结晶有序纳米氧化镁。
2)本发明在成核/晶化隔离法制备纳米氧化镁前驱体时，加入一定的量的咪唑基离子液体，离子液体ab中的阳离子an+可与纳米氧化镁前驱体颗粒发生作用并拥有较大的位阻，便可阻止活性mg2+在颗粒表面成核生长，大大降低颗粒团聚现象。这样一来，通过可控的调节阳离子取代基位置或者是侧链取代基的长度来调节其与颗粒表面作用力的强度，进而便可控制所得纳米氧化镁前驱体颗粒的分散程度；此外，咪唑基离子液体容易通过氢键作用自发形成长成有序的自组装结构，能够提供良好的结构导向作用；
3)本发明具有可操作性强、重复性好、无环境污染、离子液体可循环使用、适合批量生产等特点；本发明中的成核反应在常温下进行，降低了耗能，制备得纳米氧化镁在饮用水除菌以及微量重金属离子吸附等领域有着光明的应用前景。
4)本发明制备得纳米氧化镁材料不仅纯度高，分散性好，而且形貌有序，尺寸均一，所得纳米氧化镁颗粒的粒径为15～30nm。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本实施例中的一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法，是以六水氯化镁为镁源，碳酸铵为沉淀剂，咪唑基离子液体作为分散剂和结构导向剂，采用成核/晶化隔离法合成前驱体三水碳酸镁，再焙烧得到无团聚有序纳米氧化镁材料。
具体制备步骤如下：
1)室温条件下配制浓度为0.01～1.5mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为0.01～1.5mol·l-1的碳酸铵溶液，所述氯化镁溶液的配制溶质为六水氯化镁；
2)将配制好的氯化镁溶液和碳酸铵溶液按体积比1:1用蠕动泵按设定流量同时加入预先设定了转速和剪切间隙的旋转液膜反应器中，所述蠕动泵的设定流量为1.39～25ml·min-1，所述旋转液膜反应器的转速为1000～5000rpm，剪切间隙为0.1～0.5mm；同时加入咪唑基离子液体，且加入的咪唑基离子液体的体积为加入的氯化镁溶液体积的1/10，在常温下进行成核反应，反应完毕后从旋转液膜反应器出口收集悬浮液待用，将含咪唑基离子液体的母液循环用作原料；
3)将收集到的悬浮液进行晶化，晶化温度为15～30℃，晶化时间为1～4h，然后过滤并用去离子水反复洗涤滤饼3～5次，再将滤饼置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驱体三水碳酸镁；
4)将干燥后的前驱体三水碳酸镁置于马弗炉中，在600～800℃的温度下焙烧2h，即得到粒径为15～30nm的无团聚有序纳米氧化镁材料。
所述咪唑基离子液体为氯化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-甲基咪唑四氟硼酸盐中的任意一种。
实施例1
本实施例中的一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法，是以六水氯化镁为镁源，碳酸铵为沉淀剂，咪唑基离子液体作为分散剂和结构导向剂，采用成核/晶化隔离法合成前驱体三水碳酸镁，再焙烧得到无团聚有序纳米氧化镁材料。
具体制备步骤如下：
1)室温条件下配制浓度为0.01mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为0.01mol·l-1的碳酸铵溶液各250ml，所述氯化镁溶液的配制溶质为六水氯化镁；
2)将配制好的氯化镁溶液和碳酸铵溶液按体积比1:1用蠕动泵按设定流量同时加入预先设定了转速和剪切间隙的旋转液膜反应器中，所述蠕动泵的设定流量为15ml·min-1，所述旋转液膜反应器的转速为1000rpm，剪切间隙为0.3mm；同时加入25ml氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑，在常温下进行成核反应，反应完毕后从旋转液膜反应器出口收集悬浮液待用，将含咪唑基离子液体的母液循环用作原料；
3)将收集到的悬浮液进行晶化，晶化温度为20℃，晶化时间为1h，然后过滤并用去离子水反复洗涤滤饼3～5次，再将滤饼置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驱体三水碳酸镁；
4)将干燥后的前驱体三水碳酸镁置于马弗炉中，在600～800℃的温度下焙烧2h，即得到粒径为15～30nm的无团聚有序纳米氧化镁材料。
实施例2
本实施例中的一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法，是以六水氯化镁为镁源，碳酸铵为沉淀剂，咪唑基离子液体作为分散剂和结构导向剂，采用成核/晶化隔离法合成前驱体三水碳酸镁，再焙烧得到无团聚有序纳米氧化镁材料。
具体制备步骤如下：
1)室温条件下配制浓度为0.8mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为0.8mol·l-1的碳酸铵溶液各250ml，所述氯化镁溶液的配制溶质为六水氯化镁；
2)将配制好的氯化镁溶液和碳酸铵溶液按体积比1:1用蠕动泵按设定流量同时加入预先设定了转速和剪切间隙的旋转液膜反应器中，所述蠕动泵的设定流量为1.39ml·min-1，所述旋转液膜反应器的转速为3000rpm，剪切间隙为0.1mm；同时加入25ml氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑，在常温下进行成核反应，反应完毕后从旋转液膜反应器出口收集悬浮液待用，将含咪唑基离子液体的母液循环用作原料；
3)将收集到的悬浮液进行晶化，晶化温度为15℃，晶化时间为4h，然后过滤并用去离子水反复洗涤滤饼3～5次，再将滤饼置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驱体三水碳酸镁；
4)将干燥后的前驱体三水碳酸镁置于马弗炉中，在600～800℃的温度下焙烧2h，即得到粒径为15～30nm的无团聚有序纳米氧化镁材料。
实施例3
本实施例中的一种无团聚有序纳米氧化镁材料的制备方法，是以六水氯化镁为镁源，碳酸铵为沉淀剂，咪唑基离子液体作为分散剂和结构导向剂，采用成核/晶化隔离法合成前驱体三水碳酸镁，再焙烧得到无团聚有序纳米氧化镁材料。
具体制备步骤如下：
1)室温条件下配制浓度为1.5mol·l-1的氯化镁溶液和浓度为1.5mol·l-1的碳酸铵溶液各250ml，所述氯化镁溶液的配制溶质为六水氯化镁；
2)将配制好的氯化镁溶液和碳酸铵溶液按体积比1:1用蠕动泵按设定流量同时加入预先设定了转速和剪切间隙的旋转液膜反应器中，所述蠕动泵的设定流量为25ml·min-1，所述旋转液膜反应器的转速为5000rpm，剪切间隙为0.5mm；同时加入25ml氯化1,2-二甲基-3-丁基咪唑，在常温下进行成核反应，反应完毕后从旋转液膜反应器出口收集悬浮液待用，将含咪唑基离子液体的母液循环用作原料；
3)将收集到的悬浮液进行晶化，晶化温度为30℃，晶化时间为2h，然后过滤并用去离子水反复洗涤滤饼3～5次，再将滤饼置于50℃的烘箱中干燥12h以上得到前驱体三水碳酸镁；
4)将干燥后的前驱体三水碳酸镁置于马弗炉中，在600～800℃的温度下焙烧2h，即得到粒径为15～30nm的无团聚有序纳米氧化镁材料。
上述实施例中的咪唑基离子液体氯化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-甲基咪唑四氟硼酸盐代替；且所用咪唑基离子液体为分析纯，浓度大于99％。