2種酸改性高嶺土的制備及表征*

劉麗娜，王 鼎

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000； 2.榆林職業(yè)技術學院 化工學院，陜西 榆林 719000)

高嶺土在中國的分布比較廣泛，屬于非金屬礦產資源，是含水硅酸鹽粘土和粘土巖，儲量位于世界的前列，應用十分廣泛，主要集中在建材、涂料、橡膠、陶瓷等領域[1]。高嶺土通過改性后可得到更多的性能，其改性主要分為酸和堿的改性、高溫煅燒的改性以及包覆和有機改性等[2]。將高嶺土用不同濃度的酸進行改性后，可使高嶺土的表面積增大，從而使高嶺土結構中的Al和Si等元素的活性點位更多的被暴露出來，可作為活性組分的載體應用在吸附、光催化等領域里[3-5]。研究表明高嶺土對于Pd等半揮發(fā)性重金屬有良好的吸附性能[6-10]。高嶺土經過高溫煅燒后其白度可大大提高，在高級涂料的應用上很廣泛[11]。張永利等對改性高嶺土處理含鉻廢水進行了深入的研究，高嶺土經過改性后具有很好的活性和性能，可為高嶺土作為工業(yè)催化劑的研究提供基礎數據[12-16]。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

高嶺土：內蒙古鄂爾多斯。

濃硫酸：純度98%，北京北化精細化學品有限責任公司；濃鹽酸：純度36.5%，洛陽昊華化學試劑有限公司。

掃描電鏡：SIGMA300，德國卡爾蔡司公司；紅外光譜分析儀：TENSOR 27，布魯克光譜儀器公司；數顯智能控溫磁力攪拌器：SZCL-2，鞏義市予華儀器有限責任公司；電子天平、干燥箱：AF-1，上海博迅有限公司醫(yī)療設備廠；真空泵：SHB—Ⅲ，鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 樣品制備

分別將w(硫酸)=10%、20%、30%、40%、50%的溶液定量加入兩口燒瓶中，安裝溫度計測溫，并加入定量的高嶺土，在控溫磁力攪拌器上預熱至90 ℃后恒溫攪拌2 h。將溶液進行抽濾分離，濾餅進行干燥并研磨至均勻細粉狀，即得到樣品為不同質量分數硫酸改性高嶺土催化劑。同樣的方法制得了不同質量分數(5%、10%、15%、20%、25%)的鹽酸改性高嶺土催化劑樣品。

2 結果與討論

2.1 IR分析

原土及不同質量分數硫酸改性高嶺土的IR圖見圖1。

σ/cm-1a 高嶺土原土

σ/cm-1b w(硫酸)=10%改性高嶺土

σ/cm-1c w(硫酸)=30%改性高嶺土

σ/cm-1d w(硫酸)=50%改性高嶺土圖1 原土及不同w(硫酸)改性高嶺土IR譜圖

由圖1可知，3 450～3 700 cm-1為羥基的振動吸收峰；1 630～1 640 cm-1為吸附水分子的彎曲振動峰；1 000～1 100 cm-1為Si—O的伸縮振動吸收峰；910～920 cm-1為Al—O—H的彎曲振動峰；400～750 cm-1為Al—O的吸收振動峰。對比可發(fā)現隨著w(硫酸)的增加，吸附水分子的彎曲振動峰和Si—O的伸縮振動峰均增強，而Al—O的吸收振動峰卻減弱了，910～920 cm-1處Al—O—H的彎曲振動峰基本消失。說明w(硫酸)越高，高嶺土中的Al2(SO4)3·10H2O會被浸出，從而使高嶺土的內部結構發(fā)生一些變化。

原土及不同質量分數鹽酸改性高嶺土的IR圖，見圖2。

σ/cm-1a 高嶺土原土

σ/cm-1b w(鹽酸)=5%改性高嶺土

σ/cm-1c w(鹽酸)=15%改性高嶺土

σ/cm-1d w(鹽酸)=25%改性高嶺土圖2 原土及不同w(鹽酸)改性高嶺土IR譜圖

由圖2可知，隨著w(鹽酸)的增加，3 450～3 700 cm-1和1 630～1 640 cm-1處吸附水分子的彎曲振動峰的峰強較原土均有所增加，但不明顯；1 000～1 100 cm-1處Si—O伸縮振動吸收峰也有所增強，這可能是鹽酸改性高嶺土時，使高嶺土中的Al被溶出；910～920 cm-1處Al—O—H的彎曲振動峰也略有增強，這可能是由于鹽酸在改性高嶺土時并沒有過多的將高嶺土中的鋁浸出，而依然殘留在樣品的表面上。通過對比，硫酸改性比鹽酸改性更能將高嶺土中的Al浸出。

2.2 SEM分析

樣品高嶺土的SEM圖見圖3。

由圖3可知，高嶺土是片狀的假六邊形結構，其形態(tài)是不規(guī)則的，有很多小顆粒狀。當高嶺土經過w(硫酸)=50%改性后還可看到六邊形結構，表面也變得粗糙，并且有明顯的堆積成塊狀態(tài)。當高嶺土經過w(鹽酸)=25%改性后發(fā)生了明顯的凝結成片狀態(tài)，孔道之間結合更加緊密?？梢?，高嶺土經過不同酸改性后均可使顆粒之間發(fā)生明顯的凝結，且鹽酸改性比硫酸改性后凝結現象更明顯。

a 高嶺土原土

b w(硫酸)=50%改性高嶺土

c w(鹽酸)=25%改性高嶺土圖3 樣品高嶺土SEM圖

2.3 EDS分析

樣品高嶺土的元素組成及原子分數，見表1。

表1 元素組成及原子分數

樣品高嶺土的EDS譜圖，見圖4。

E/keVa 高嶺土原土

E/keVb w(硫酸)=50%改性高嶺土

E/keVc w(鹽酸)=25%改性高嶺土圖4 樣品高嶺土EDS圖

由表1和圖4可知，高嶺土主要由C、O、Al、Si、Ti、K等元素組成，其中O含量最高；當高嶺土用w(硫酸)=50%溶液改性后，其中的Al含量明顯減少，說明硫酸改性浸出了高嶺土中的Al；當高嶺土用w(鹽酸)=25%改性后，其中Al含量也有所減少，但減少的量沒有硫酸改性減少的多?？梢?，硫酸改性高嶺土更有利于高嶺土中Al的浸出。

3 結 論

用不同質量分數的硫酸和鹽酸對高嶺土進行改性，制備了一系列酸改性高嶺土樣品，并對樣品進行表征。(1)硫酸改性比鹽酸改性更有利于高嶺土中Al的浸出，可實現Al的回收利用；(2)高嶺土經過2種不同酸改性后均可使其孔道之間結合更加緊密，凝結成片狀結構，且鹽酸改性比硫酸改性后凝結現象更明顯。