一种利用白云石制备纳米碳酸钙和纳米水滑石的方法

所属领域

本发明涉及无机非金属功能材料制备领域，具体涉及一种利用白云石制备纳米碳酸钙和纳米水滑石的方法。

背景技术：

白云石为菱镁矿(mgco3)和方解石(caco3)组成为1∶1的复盐，化学式为caco3·mgco3，我国白云石矿产资源储量丰富，分布广泛，目前已探明可开采的白云石矿资源储量超过200亿吨。白云石是一种重要的钙镁资源，广泛用于冶金、镁、耐火材料、建材、化工、农业、环保等领域中。白云石矿主要用来生产初级产品，产品附加值低，如何提高白云石矿产资源的附加值，对白云石进行深加工，生产高附加值的高端产品是一个亟待解决的问题。

白云石中钙镁元素的分离是白云石高值利用的基础与关键，目前主要有碳化法、酸解法、铵浸法等分离方法，其中碳化法是工业上最常采用的方法。白云石碳化法是将白云石煅烧制得轻烧白云石粉，加水消化除渣精制成浆液，浆液在碳化塔内用co2气体碳化，将ca(oh)2转化为caco3，mgo转变为mg(hco3)2，将碳化液过滤，滤渣为含镁碳酸钙，滤液经热解得到轻质碳酸镁。但碳化反应是气－液－固三相反应，co2溶解度小，反应速率慢，过程较为复杂，碳酸钙中含有大量的镁及其它杂质，颗粒不规则、尺寸不均一，无法制备得到纳米级碳酸钙。由于反应终点不易控制，mg(hco3)2滤液中通常含有ca(hco3)2杂质，严重影响了镁产品的纯度和质量，降低了其价值。

专利201110199958.4以白云石为原料，采用碳化法制备氧化镁，副产普通碳酸钙，但mg(hco3)2溶解度较低，需要消耗大量的水，热解mg(hco3)2溶液的时候也需要消耗大量的能量，得到的碳酸钙杂质含量高，品质低劣。专利201310705065.1利用ca(oh)2和mg(oh)2溶解度的差异，将煅烧白云石用大量水消化，过滤得到ca(oh)2溶液，溶液中通入co2反应得到碳酸钙，过滤碳酸钙得到的滤液再次用于溶解煅烧白云石滤渣中的ca(oh)2，如此反复操作多次，直至ca(oh)2全部溶解，最终得到碳酸钙和氢氧化镁。但由于ca(oh)2溶解度较低，该方法需要消耗大量水，步骤繁琐，得到的碳酸钙粒径较大，氢氧化镁纯度较低。专利201610023391.8公开了一种利用白云石制备纳米氧化镁的方法，将煅烧的白云石灰用硫酸铵浸取得到硫酸镁溶液，再加氨水沉淀制备氢氧化镁，但该方法会副产大量的硫酸钙废渣，且氨水易挥发，容易污染环境，其碱性较弱，使镁离子沉淀不完全，降低了生产效率。专利201710648275.x公开了一种从白云石中提取氢氧化镁和碳酸钙的方法，将煅烧的白云石粉与铵盐反应得到钙镁溶液和氨水，氨水再与钙镁溶液反应制备氢氧化镁，然后将co2气体通入滤液中制备碳酸钙，该方法可同时制备氢氧化镁和碳酸钙，但该方法制备的氢氧化镁和碳酸钙颗粒尺寸大，达不到纳米级别且镁的转化率较低。

为了改善白云石利用过程中存在的产品纯度低、品质差、附加值低等问题，本发明利用白云石为原料，采用新的方法制备纳米碳酸钙和纳米水滑石，不排放废水废气，绿色环保，为白云石资源的高值利用提供了新的途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用白云石制备纳米碳酸钙和纳米水滑石的方法，获得的纳米碳酸钙和纳米水滑石可用于塑料、橡胶、涂料、油墨等领域。

本发明以白云石、拟薄水铝石(alooh)湿滤饼以及功能客体为原料制备纳米碳酸钙和纳米水滑石，先将白云石焙烧得到轻烧白云石粉末，将其与铵盐溶液反应得到ca盐溶液和mg(oh)2，ca盐溶液与碳酸铵或碳酸氢铵在胶体磨中反应得到纳米碳酸钙，mg(oh)2与硫酸铵反应得到mgso4溶液；mgso4溶液与碳酸铵或碳酸氢铵反应制备水合mgco3，再以水合mgco3、alooh以及功能客体为原料，采用胶体磨强制这些反应物微观混合，在常压下加热使反应物快速反应生成纳米水滑石，上述反应流程如附图1所示。

上述利用白云石制备纳米碳酸钙和纳米水滑石的方法，具体步骤如下：

a：将白云石粉末置于750～1100℃的马弗炉中煅烧1～8小时，得到轻烧白云石粉末，煅烧过程中生成的co2气体用质量浓度为1～20％的氨水吸收制备(nh4)2co3或nh4hco3溶液；

将轻烧白云石粉末、铵盐与去离子水混合，其中固体的质量含量为5～25％，铵离子与ca的摩尔比为2～4:1；用胶体磨研磨5-40分钟得到轻烧白云石浆液，加热至100～120℃，搅拌反应直至该浆液中的cao全部溶解，经过滤、洗涤得到mg(oh)2湿滤饼；反应过程中生成的氨蒸汽通过冷凝装置冷凝并与co2气体反应制备(nh4)2co3或nh4hco3溶液；过滤出的含ca²⁺的母液直接用于步骤b制备纳米caco3；洗液可重复使用直至ca²⁺浓度达到1mol/l，然后用于制备纳米caco3。

所述的铵盐为氯化铵、硝酸铵和醋酸铵中的任意一种。

b：将步骤a过滤出的含ca²⁺的母液及得到的(nh4)2co3或nh4hco3溶液按照摩尔比0.5～1:1的比例加入到胶体磨中研磨反应5～30分钟，在0～100℃下晶化0.1～2小时，经过滤、洗涤、干燥即得到纳米caco3产品；过滤出的含nh4⁺的母液直接用于配制步骤a中的轻烧白云石浆液，洗液重复使用直至nh4⁺达到1mol/l后用于配制步骤a中的轻烧白云石浆液。

c：将步骤a得到的mg(oh)2湿滤饼与(nh4)2so4按照摩尔比0.5～1:1的比例加入到去离子水中，且mg(oh)2质量含量为5～25％，用胶体磨研磨5～30分钟得到mg(oh)2浆液，边搅拌边加热至100～130℃使mg(oh)2全部溶解，反应过程中生成的氨蒸汽通过冷凝装置冷凝并与co2气体反应制备(nh4)2co3或nh4hco3溶液，经过滤去除不溶性杂质即得到mgso4溶液。

步骤d：将步骤c得到的mgso4溶液和(nh4)2co3或nh4hco3溶液以任意方式混合，其中(nh4)2co3和nh4hco3与mgso4的摩尔比为1～4：1，在0～110℃下晶化0.5～6小时，沉淀经过滤、洗涤得到水合mgco3湿滤饼；过滤得到的(nh4)2so4母液直接用于配制步骤c中的mg(oh)2浆液，洗液重复使用直至(nh4)2so4达到1mol/l，然后用于配制步骤c中的mg(oh)2浆液。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼、步骤d得到的水合mgco3湿滤饼和功能客体hna加入到去离子水中，其中水合mgco3与alooh的摩尔比为2～5:1，功能客体hna与alooh摩尔比为1：n，用胶体磨研磨5～40分钟形成浆液，其中固体的质量含量为3～15％；将浆液加热至90～110℃，在剧烈搅拌下反应2～8小时，反应过程中，每隔半小时用胶体磨研磨反应浆液3～15分钟，总共研磨1～3次；沉淀，过滤，干燥得到层间客体为a^n-阴离子的纳米镁铝水滑石。

所述的纳米alooh湿滤饼是从生产厂订购的未经干燥的alooh，其含水量为85～95％。

所述的功能客体hna可提供功能客体阴离子a^n–；用于平衡水滑石层板正电荷，并根据应用需要赋予水滑石特定的功能，如红外吸收、紫外阻隔、阻燃抑烟、吸附等功能。

红外吸收功能客体阴离子a^n–为co3^2–、so4^2–、so3^2–、s2o3^2–、b4o7^2–、水杨酸根、对氨基苯甲酸根、乙酸根、丙酸根、乙二酸根、丙二酸根、对苯二甲酸根、马来酸根中的任意一种；当a^n–为co3^2–时则无需加入客体。

紫外阻隔功能客体阴离子a^n–为对氨基苯甲酸根、对-甲氧基肉桂酸根、水杨酸根、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸根、香豆素-3-羧酸根、肉桂酸根、苯并三唑-4-羟基-苯磺酸根、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸根中的任意一种。

阻燃抑烟功能客体阴离子a^n–为氨基磺酸根、2-羧乙基磷酸根、2-羧乙基苯磷酸根、2-羧乙基苯基次磷酸根、苯基膦酸根、10-羧乙基-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物酸根、10-丁二酸基-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物酸根、n,n-双(膦羟甲基)甘氨酸根、氨基三亚甲基膦酸根、乙二胺四亚甲基膦酸根阴离子中的任意一种；

吸附功能客体阴离子a^n–为十二烷基磺酸根、十二烷基硫酸根、十二烷基苯磺酸根、硬脂酸根、乙二胺四乙酸根、木质素磺酸根中的任意一种。

较常用的客体阴离子a^n–是co3^2-、b4o7^2–、苯并三唑-4-羟基-苯磺酸根、2-羧乙基苯磷酸根、氨基三亚甲基膦酸根和十二烷基苯磺酸根中的任意一种。

本发明的特点是：步骤e中以水合mgco3和alooh湿滤饼为原料，避免了纳米颗粒的硬团聚，可最大程度保持纳米颗粒的反应活性，降低反应温度；此外，借助胶体磨的高剪切力强制水合mgco3、alooh纳米颗粒和客体微观混合，极大地提高了混合效率，增大了有效接触面积，促进纳米颗粒的溶解并缩短扩散距离，避免了由颗粒团聚引起的离子无法扩散到团聚体内部而导致反应不完全的问题。

图2-5为得到的水滑石及碳酸钙的表征：图2和图3表明制备了纳米级碳酸钙，从图4和图5可以看出，所制备的水滑石为碳酸根型水滑石且该水滑石呈纳米薄片结构。

本发明的有益效果：本发明采用绿色环保的方法将白云石转化为高附加值的纳米碳酸钙和纳米水滑石，所有原料均转化为产品，无废水废气排放。本发明借助胶体磨高剪切力强制水合mgco3、客体以及alooh纳米颗粒的微观混合，极大地提高了混合效率，增大了有效接触面积，促进纳米颗粒的溶解并缩短扩散距离，避免了由颗粒团聚引起的离子无法扩散到团聚体内部而导致反应不完全的问题。水合mgco3和alooh湿滤饼原料未发生硬团聚，颗粒尺寸小，比表面积大，反应活性高，在常压下加热即可快速反应生成纳米水滑石，避免了高温高压反应。该方法具有原料来源丰富、价格低廉、制备过程简单、反应条件温和、绿色环保、易于工业化生产等优点。

附图说明:

图1为流程示意图。

图2为实施例1制备的碳酸钙的xrd谱图。

图3为实施例1制备的碳酸钙的扫描电镜照片。

图4为实施例1制备的镁铝水滑石的xrd谱图。

图5为实施例1制备的镁铝水滑石的扫描电镜照片。

具体实施方式：

实施例1：

步骤a：将1公斤白云石粉末置于马弗炉中，加热至1000℃煅烧2小时，得到轻烧白云石粉末；将96克轻烧白云石粉末、107克氯化铵与1千克去离子水混合，用胶体磨研磨5分钟得到轻烧白云石浆液；将浆液加热至100℃，搅拌反应至cao全部溶解，生成的氨蒸汽通过冷凝装置冷凝并与co2气体反应得到(nh4)2co3溶液；经过滤、洗涤得到mg(oh)2湿滤饼，过滤出的cacl2母液保留备用，洗液按洗涤顺序依次保存，重复使用。

步骤b：按照摩尔比1:1的比例将步骤a得到的cacl2母液及(nh4)2co3溶液加入到胶体磨中，研磨反应5分钟，将沉淀在50℃下晶化0.5小时，经过滤、洗涤、干燥即得到纳米caco3产品。

过滤出的nh4cl母液回收用于配制步骤a中的轻烧白云石浆液，洗液按洗涤顺序依次保存，重复使用。

步骤c：将步骤a得到的mg(oh)2湿滤饼与132.1克(nh4)2so4加入到500克去离子水中，用胶体磨研磨6分钟得到混合浆液，将浆液加热至100℃，搅拌反应至mg(oh)2全部溶解，生成的氨蒸汽通过冷凝装置冷凝并与co2气体反应得到(nh4)2co3溶液，将溶液过滤得到mgso4溶液。

步骤d：将步骤c得到的mgso4溶液及(nh4)2co3溶液同时加入到胶体磨中研磨反应5分钟，然后在50℃下晶化1小时，过滤、洗涤得到水合mgco3湿滤饼；过滤出的(nh4)2so4母液可用于配制步骤c中的mg(oh)2浆液，洗液按洗涤顺序依次保存，重复使用。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼(干重18克)和步骤d得到的水合mgco3湿滤饼加入到800克去离子水中并用胶体磨研磨5分钟，将浆液加热至90℃，在剧烈搅拌下反应，半小时后用胶体磨研磨反应浆液5分钟，然后继续反应3小时；反应结束后将沉淀过滤、干燥即得到纳米镁铝水滑石[mg0.75al0.25(oh)2](co3)0.125·0.6h2o产品。

实施例2：

步骤a、b、c、d同实施例1。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼(干重15克)、步骤d得到的水合mgco3湿滤饼和158克质量分数为10％的硝酸加入到1000克去离子水中，用胶体磨研磨8分钟，将浆液加热至95℃，在剧烈搅拌下反应0.5和1小时后分别用胶体磨研磨反应浆液6分钟，然后继续反应2小时；反应结束后将沉淀过滤、干燥即得到纳米镁铝水滑石[mg0.8al0.2(oh)2](no3)0.2·0.7h2o。

实施例3：

步骤a、b、c、d同实施例1。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼(干重30克)、步骤d得到的水合mgco3湿滤饼和69.06克水杨酸(c7h6o3)加入到900克去离子水中，用胶体磨研磨10分钟，将浆液加热至100℃，在剧烈搅拌下反应0.5小时后用胶体磨研磨反应浆液6分钟，然后继续反应2.5小时；反应结束后将沉淀过滤、干燥即得到纳米镁铝水滑石[mg0.666al0.334(oh)2](c7h5o3)0.334·0.6h2o产品。

实施例4：

步骤a：将1公斤白云石粉末置于马弗炉中，加热至900℃煅烧3小时，得到轻烧白云石粉末；将192克轻烧白云石粉末、320克硝酸铵与1.5千克去离子水混合，用胶体磨研磨6分钟得到轻烧白云石浆液；将浆液加热至95℃，搅拌反应至cao全部溶解，生成的氨蒸汽通过冷凝装置冷凝并与co2气体反应得到nh4hco3溶液；经过滤，依次用实施例1步骤a的洗液洗涤，最后用去离子水洗涤1遍，洗涤得到mg(oh)2湿滤饼，过滤出的ca(no3)2母液保留备用，洗液按洗涤顺序依次保存，重复使用。

步骤b：按照摩尔比1:2的比例将步骤a得到的ca(no3)2母液及nh4hco3溶液加入到胶体磨中，研磨反应8分钟，将沉淀在40℃下晶化1小时，经过滤，依次用实施例1步骤b的洗液洗涤，最后用去离子水洗涤1遍，干燥即得到纳米caco3产品。

过滤出的nh4no3母液回收用于配制步骤a中的轻烧白云石浆液，洗液按洗涤顺序依次保存，重复使用。

步骤c：将步骤a得到的mg(oh)2湿滤饼与264.2克(nh4)2so4加入到1.5千克去离子水中，用胶体磨研磨10分钟得到混合浆液，将浆液加热至105℃，搅拌反应至mg(oh)2全部溶解，生成的氨蒸汽通过冷凝装置冷凝并与co2气体反应得到nh4hco3溶液，将溶液过滤得到mgso4溶液。

步骤d：将步骤c得到的mgso4溶液及nh4hco3溶液同时加入到胶体磨中研磨反应10分钟，然后在60℃下晶化0.5小时，过滤，依次用实施例1步骤d的洗液洗涤，最后用去离子水洗涤1遍，得到水合mgco3湿滤饼；过滤出的(nh4)2so4母液可用于配制步骤c中的mg(oh)2浆液，洗液按洗涤顺序依次保存，重复使用。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼(干重60克)和步骤d得到的水合mgco3湿滤饼加入到2千克去离子水中并用胶体磨研磨10分钟，将浆液加热至105℃，在剧烈搅拌下反应，半小时后用胶体磨研磨反应浆液10分钟，然后继续反应2.5小时；反应结束后将沉淀过滤、干燥即得到纳米镁铝水滑石[mg0.66al0.34(oh)2](co3)0.17·0.65h2o产品。

实施例5：

步骤a、b、c、d同实施例4，不同之处是步骤b中的研磨时间为10分钟，晶化温度为80℃。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼(干重30克)、步骤d得到的水合mgco3湿滤饼和100.16克月桂酸(c12h24o2)加入到2.5千克去离子水中，用胶体磨研磨15分钟，将浆液加热至95℃，在剧烈搅拌下反应0.5小时后用胶体磨研磨反应浆液10分钟，然后继续反应4小时；反应结束后将沉淀过滤、干燥即得到纳米镁铝水滑石[mg0.8al0.2(oh)2](c12h23o2)0.334·0.63h2o产品。

实施例6：

步骤a、b、c、d同实施例4。

步骤e：将纳米alooh湿滤饼(干重60克)、步骤d得到的水合mgco3湿滤饼和50克浓硫酸(98％)加入到3千克去离子水中，用胶体磨研磨9分钟，将浆液加热至100℃，在剧烈搅拌下反应0.5小时后用胶体磨研磨反应浆液5分钟，然后继续反应2小时；反应结束后将沉淀过滤、干燥即得到纳米镁铝水滑石[mg0.66al0.34(oh)2](so4)0.17·0.72h2o产品。