一种镁铝水滑石清洁化合成工艺
技术领域
本发明涉及一种镁铝水滑石清洁化合成工艺，属于镁铝水滑石制备技术领域。
背景技术
镁铝水滑石的化学组成通常为Mg1-xAlx(OH)2(CO3)0.5x·mH2O，x满足0.2≦x≦0.4。其具有层状结构，层板骨架带有正电荷，层间阴离子相反电荷离子与之平衡，整体呈现电中性。层间阴离子具有较强的酸性气体吸附能力，可作为PVC/PP/PE材料中的吸酸剂，镁铝水滑石折射率为1.49～1.52与PVC/PE近似，因此透明性好，另外镁铝水滑石红外吸收率高，可用于保温农膜，目前镁铝水滑石在市场中已经广泛应用。
目前国内外文献报道的合成方法一般为共沉淀法，例如通过镁、铝盐水溶液在碱性条件下发生共沉淀反应制备水滑石：
MgCl2+AlCl3+NaOH+Na2CO3→Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+NaCl
MgSO4+Al2(SO4)3+NaOH+Na2CO3→Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O+Na2SO4
此类反应为酸碱反应，反应易于进行，但反应产物为胶状，洗涤、过滤困难，而且反应中消耗大量的NaOH。除此之外，NaOH易与原料中Cl-、SO42-反应，生成低价值的NaCl和Na2SO4而排出，一方面不利于环境保护，另一方面反应成本相对较高。
中国专利文献CN103108907A公开了钠含量控制在极微量的水滑石、其制造方法及含有其的合成树脂组成物，其中提及二氧化碳制备水滑石的工艺，需要在150～250℃的高温高压下制备，不利于工业化生产，能耗较高。
中国专利文献CN107902681A公开了一种钙铝水滑石的制备方法，将氢氧化钙、氢氧化铝和碳酸钠加入球磨机中，球料质量比控制在8～12：1，球磨转速为200～500r/min，干磨2～4h，小、中、大磨球(直径分别为5mm、8mm、10mm)比例为1～2：2～3：5～7；将固体混合物与水混合，600～800W下、70～90℃下，微波水热晶化5～20min；水洗、过滤、干燥，得钙铝水滑石。该发明会产生较多的氢氧化钠副产物需要处理，且回收处理较困难，仍会产生大量废水。
发明内容
针对镁铝水滑石合成副产物难处理，工业废水处理费用高昂，合成条件苛刻等问题，本发明提供一种镁铝水滑石清洁化合成工艺，通过超声分散，解决工业化生产中浆料难分散的问题。本发明采用微波直接作用到羟基，使原料快速获得能量，具有较高的反应活性，诱导原料快速反应生成水滑石前驱体，以便在气液反应器中能与二氧化碳快速反应，得到最终产品。
本发明的技术方案如下：
一种镁铝水滑石清洁化合成工艺，包括步骤如下：
(1)将氢氧化镁、氢氧化铝和水混合均匀，经超声分散后，放入微波反应器中，搅拌反应，得到镁铝水滑石前驱体；
(2)将步骤(1)得到的镁铝水滑石前驱体转入至气液反应器，控制温度为90～100℃，减压至常压，通入二氧化碳气体反应1～3h，反应完成后，经过滤、洗涤、干燥、粉碎后，得到镁铝水滑石。
根据本发明优选的，步骤(1)中氢氧化镁和氢氧化铝的摩尔比为(1.5～3):1；进一步优选为2:1。
根据本发明优选的，步骤(1)中氢氧化镁和氢氧化铝混合物与水的质量比为(1～2):5；进一步优选为1:4。
根据本发明优选的，步骤(1)中氢氧化镁和氢氧化铝的纯度大于97％，
根据本发明优选的，步骤(1)中超声分散的时间为2～6h；进一步优选为2～3h。
根据本发明优选的，步骤(1)中微波反应器的功率为100～1000W，反应时间为2～6h。
根据本发明优选的，步骤(1)中微波反应器的功率为600～1000W，反应时间为3～4h。
根据本发明优选的，步骤(1)中微波反应器的功率与水体积的比为200～300：1，单位为：W/L。若加大体积，需要延长反应时间或者增大微波功率。
根据本发明优选的，步骤(1)中镁铝水滑石前驱体中的固含量为10～40％。
根据本发明优选的，步骤(2)中二氧化碳的通入速率为15～25L/h，控制pH值在10以上。
本发明的技术特点：
本发明选用氢氧化镁和氢氧化铝为原料在微波反应器中进行反应，两种原料的羟基可以快速吸收微波而变活跃，使化合键进行重组，形成碱性的镁铝水滑石前驱体，其反应的表达式为：4Mg(OH)2+2Al(OH)3＝Mg4Al2(OH)14；然后在气液反应器中，镁铝水滑石前驱体与二氧化碳进行反应，通过二氧化碳代替常规的碳酸钠，不会产生副产物，而且反应过程中的pH值易于控制，晶核在气相低碱度环境下能够规则生长，形成镁铝水滑石，其反应的表达式为：Mg4Al2(OH)14+CO2+3H2O＝Mg4Al2(OH)12CO3·4H2O，将镁铝水滑石进行固液分离，干燥粉碎后既得产品，剩余的滤液可循环使用。
本发明的有益效果：
(1)本发明中采用的氢氧化镁和氢氧化铝为原料，其来源广泛，价格低廉，能够大大的降低生产成本，适合大规模的工业化生产。
(2)本发明制备的镁铝水滑石，纯度高，热稳定性能良好，碳酸根最大程度的稳定于层间，吸附酸性气体性能优异，可完全代替进口高价水滑石产品。
(3)本发明的生产工艺操作简单，制备速度快，利用原料中羟基在微波作用下的活跃性能，快速制备水滑石前驱体，使得后期层间阴离子能够快速插层，并且常压下即可实现，最后无副产物生成，滤液的主要成分为水，pH值为8～8.5，固含量<1％，可循环使用，经济效益高，有利于工业化生产，符合国家的环保要求。
附图说明
图1为本发明实施例1所得镁铝水滑石的XRD图。
图2为本发明实施例1所得镁铝水滑石的SEM图。
图3为热稳定性能测试结果直观图。
图中：实施例1水滑石制备的样片为样品1，市售国产镁铝水滑石制备的样片为样品2，市售日本产镁铝水滑石制备的样片为样品3。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，现提供以下优选案例，本发明的保护范围包含但不仅限于此。
市售国产镁铝水滑石，成分：镁铝碳酸型水滑石，纯度>96％。
市售日本产镁铝水滑石，成分：镁铝碳酸型水滑石，纯度>96％。
实施例1
一种镁铝水滑石清洁化合成工艺，包括步骤如下：
(1)称取氢氧化镁232g、氢氧化铝156g，水2000g，混合均匀，超声分散1h，放入微波反应器中，调节微波功率为600W，搅拌反应3h，得到镁铝水滑石前驱体；
(2)将步骤(1)得到的镁铝水滑石前驱体转入烧瓶中，控制温度95℃，减压至常压，以20L/h的速率通入二氧化碳气体2h，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎后，得到镁铝水滑石。
其中，步骤(1)中氢氧化镁和氢氧化铝的纯度为99％。
本实施例制备的镁铝水滑石为452g，其XRD谱图，如图1所示。由图1可知，2θ值为11.59、23.32、34.87等处衍射峰为水滑石类化合物的衍射峰，产品单一。其SEM图，如图2所示，由图2可知，所合成的镁铝水滑石呈现典型的片状层状结构，微粒均匀，平均粒径为4μm。
本实施例产生的滤液主要成分为水，pH值为8，固含量<1％，可以循环使用。
实施例2
一种镁铝水滑石清洁化合成工艺，包括步骤如下：
(1)称取氢氧化镁232g、氢氧化铝156g，水2000g，混合均匀，超声分散2h，放入微波反应器中，调节微波功率为800W，搅拌反应4h，得到镁铝水滑石前驱体；
(2)将步骤(1)得到的镁铝水滑石前驱体转入烧瓶中，控制温度100℃，减压至常压，以20L/h的速率通入二氧化碳气体2h，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎后，得到镁铝水滑石。
本实施例制备的镁铝水滑石为452g，微粒均匀，平均粒径为4μm。
其中，步骤(1)中氢氧化镁和氢氧化铝的纯度为99％。
本实施例产生的滤液主要成分为水，pH值为8.5，固含量<1％，可以循环使用。
实施例3
一种镁铝水滑石清洁化合成工艺，包括步骤如下：
(1)称取氢氧化镁232g、氢氧化铝156g，水1000g，实施例1中的滤液1000g，混合均匀，超声分散1h，放入微波反应器中，调节微波功率为600W，搅拌反应3h，得到镁铝水滑石前驱体；
(2)将步骤(1)得到的镁铝水滑石前驱体转入烧瓶中，控制温度95℃，减压至常压，以15L/h的速率通入二氧化碳气体2h，再经过滤、洗涤、干燥、粉碎后，得到镁铝水滑石。
其中，步骤(1)中氢氧化镁和氢氧化铝的纯度为99％。
本实施例制备的镁铝水滑石为450g，微粒均匀，平均粒径为3.5μm。
本实施例产生的滤液主要成分为水，pH值为8～8.5，固含量<1％，可以循环使用。
对比例1
一种镁铝水滑石，合成工艺如实施例1所述，不同之处在于，步骤(1)中，微波功率为80W，搅拌反应1h。
本实施例制备的镁铝水滑石为300g，微粒不均匀。
由实施例1和对比例1比较可知，微波功率过低会导致镁铝水滑石产量下降且微粒不均匀。
对实施例1制备的镁铝水滑石以及市售国产和市售日本产镁铝水滑石进行性能测试。
试验例1：热稳定性能测试
具体测试方法：将实施例1制备的镁铝水滑石、市售国产镁铝水滑石和市售日本产镁铝水滑石分别按照配方聚氯乙烯(PVC)100g、对苯二甲酸二辛酯(DOTP)20g、钙锌辅助稳定剂2g、水滑石1g、加工助剂及钙粉8g，使用高速混合机混合均匀后，经过双棍开炼机压制成1mm厚的片状样片，裁剪为15cm*15cm大小，放入180℃的旋转烘箱，每隔5min取出少量样片，测试结果如图3所示，图中实施例1水滑石制备的样片为样品1#，市售国产镁铝水滑石制备的样片为样品2#，市售日本产镁铝水滑石制备的样片为样品3#。
由图3可知，样片颜色由浅变深，变色越快说明热稳定性能越差，说明实施例1与国产静态热稳定性能一致，比日本产水滑石稍差一些，但差距不大。
试验例2：吸附性能测试
具体测试方法：将实施例1制备的镁铝水滑石、市售国产镁铝水滑石和市售日本产镁铝水滑石分别按照配方：聚氯乙烯(PVC)100g、对苯二甲酸二辛酯(DOTP)30g、52#氯化石蜡10g、钙锌辅助稳定剂2g、水滑石1g、加工助剂及钙粉8g，使用高速混合机混合均匀后，经过单螺杆挤出平台挤出条状，裁剪成粒料，长度为0.8cm，各称取2g粒料放入试管中，放入200℃的刚果红试验机中，记录刚果红试纸变色时间及试样最终颜色，测试结果如下表所示，表中：实施例1水滑石制备的粒料为样品1#，市售国产镁铝水滑石制备的粒料为样品2#，市售日本产镁铝水滑石制备的粒料为样品3#。
表1吸附性能测试结果
由表1可知，实施例1水滑石制备的样品1#粒料吸附刚果红的时间达到了31min，而市售国产镁铝水滑石制备样品2#粒料和市售日本产镁铝水滑石制备的样品3#粒料的吸附时间均未达到30min，实施例1水滑石制备的样品1#粒料的终点试样颜色为深红色，而市售国产镁铝水滑石制备样品2#粒料和市售日本产镁铝水滑石制备的样品3#粒料的终点试样颜色为黑褐色，说明实施例1制备的水滑石的吸附能力要明显高于高于市售国产和日本产的镁铝水滑石。
