镁铝水滑石的合成、组成分析及其晶体
结构表征、市场应用
一、实验目的
1. 本实验采用共沉淀法制备镁铝水滑石；
2. 利用EDTA络合滴定法测定镁铝水滑石样品中Mg2+和Al3+的含量； 3. 热分析法确定镁铝水滑石样品中的结构水含量； 4. 并通过红外、X粉末衍射表征晶体结构。
二、实验原理
1、合成材料
水滑石是一种层柱状双金属氢氧化物，是一类近年来发展迅速的阴离子型粘土因为具有特殊的结构和物理化学性质，如带电性质阴离子可交换性吸附性能催化性能等，其在催化剂催化剂载体污水处理剂医药医药载体等众多领域具有广泛的应用典型的水滑石 Mg6Al2(OH)16CO3 4H2O是一种天然存在的矿物，天然存在的水滑石大都是镁铝水滑石，且其层间阴离子主要局限为CO32-但天然镁铝水滑石在世界范围内很有限，因而人工合成镁铝水滑石的研究和应用引起了人们的高度重视和关注
层状双金属氢氧化物（Layered double hydroxides,简称LDHs）是一类阴离子型粘土，又称类水滑石组成通式为：[M(II)1-xM(III)x(OH)2]x+Ax/nn-mH2O，M（II）：二价金属离子，M(III)：三价金属离子，An-：阴离子，x=M(III)／[M(II)+ M(III)]，0.2≤x≤0.33。
本实验采用共沉淀法制备镁铝水滑石；利用EDTA络合滴定法测定镁铝水滑石样品中Mg2+和Al3+的含量；热分析法确定镁铝水滑石样品中的结构水含量；并通过红外、X粉末衍射表征晶体结构。
2、共沉淀法
共沉淀法是制备水滑石的基本方法, 即以可溶性铝盐和镁盐与沉淀剂反应生成沉淀物，经过滤、洗涤、干燥后制得水滑石。根据投料方式不同可分为单滴法和双滴法。根据沉淀方式不同衍生出低过饱和沉淀法和高过饱和沉淀法。共沉淀法合成温度低，过程简单，制得的水滑石具有较高的均匀性、颗粒尺寸分布较窄且具有一定形貌。但由于反应各组分的沉淀速度和沉淀平衡浓度积不可避免地存在着差异，所以导致产品组成的局部不均匀性，而且沉淀物还需反复洗涤过滤, 才能除去混入的杂质离子。研究发现，共沉淀工艺条件与水滑石晶体的形貌、组成和粒径密切相关。老化温度过低, 晶体的形成速度过慢；温度过高，则晶体生长速度过快，易形成粗晶。在65 ℃-75 ℃时合成的水滑石晶体结构较好, 粒径15 nm-30 nm， BET比表面积100
m2 /g-120 m2 /g，可视为最佳老化温度。采用水热晶化处理共沉淀物 , 不仅能得到小粒径、高均匀度的水滑石，还能大大缩短晶化时间。结晶度、层间阴离子的排列有序度和晶体平均粒径均随水热晶化时间的增加而增大。在微波场下共沉淀合成水滑石，微波晶化法可以在约8 min内达到与常规热晶化法24 h同样的效果，避免了高温高压，而且缩短了结晶时间。
共沉淀法的合成路线：
（1）MgCl2+AlCl3+NaOH+Na2CO3→Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+NaCl
（2）Mg(SO4)2+Al(NO)3+NaOH+Na2CO3→Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+Na2SO4 （3）MgSO4+Al2SO4+NaOH+Na2CO3→ Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+Na2SO4
该类合成路线在反应中消耗大量的NaOH，这些NaOH与原料中Cl-、SO42-反应，生成低价值的NaCl、Na2SO4而大量排出，一方面成本相对较高，另一方面造成环境污染。近年来环境保护日益受到重视，清洁合成技术是发展的必然趋势。
该方法是以MgO与铝酸钠水溶液混合反应生成水滑石,反应后滤
液可全部回收，用于下一批合成物料，无高浓度废液排放，是环境友好过程。
3、X射线衍射法（XRD）
X射线衍射法是一种研究晶体结构的分析方法，而不是直接研
究试样内含有元素的种类及含量的方法。当X射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射。X射线照射两个晶面距为d的晶面时，受到晶面的反射，两束反射X光程差2dsinθ使入射波长的整数倍时，即2dsinθ=nλ（n为整数），两束光的相位一致，发生相长干涉，这种干涉现象称为衍射，晶体对X射线的这种折射规则称为布拉格规则。θ称为衍射角（入射或衍射X射线与晶面间夹角）。n相当于相干波之间的位相差，n=1，2…时各称0级、1级、2级……衍射线。反射级次不清楚时，均以n=1求d。晶面间距一般为物质的特有参数，对一个物质若能测定数个d及与其相对应的衍射线的相对强度，则能对物质进行鉴定。
4、红外光谱分析（IR）
红外光谱在推测未知物分子结构中也是常用的手段之一，它主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行结构鉴定。原子间的振动对应有不同的能级，因此当其振动能级从基态跃迁到激发态时所需的能量不同，即吸收红外光的能量不同，产生了对应频率的特征峰，根据谱峰可以推测原子间的运动形式，从而可推测未知物分子中官能团的种类。对于水滑石而言，IR分析是判断层间阴离子种类的有效手段，同时也可测定阴离子的成键类型和它的来源。
三、仪器和试剂
实验装置：
仪器：电动搅拌器，加热套，滴液漏斗两个，回流冷凝管，温度计，250ml三口圆底烧瓶，酸、碱滴定管各一支，背景光学仪器厂PCT-2A型差热天平，日本理学Rigaku D/Max-3B型X射线衍射仪，红外光谱仪等。
试剂：硝酸镁 MgSO4 ?6H2O （AR）；硝酸铝 Al2(SO4)3 ?9H2O （AR）；氢氧化钠 NaOH （AR）；无水碳酸钠 Na2CO3（AR）；ZnO(A.R);EDTA(A.R);三乙醇胺（A.R）；氯化铵-氨水和乙酸钠-乙酸缓冲溶液；盐酸；铬黑T;二甲基酚橙指示剂等。
四、实验步骤
一、镁铝水滑石的合成
采用共沉淀法制备Mg/Al投料摩尔比为2.0的Mg-Al-CＯ３ ＬＤＨｓ．称取MgSO4?7H2O 0.054mol和Al2（SO4）3?18H2O 0.0135mol
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