凝胶法制备改性托贝莫来石的研究开题报告

1. 研究目的与意义

1. 托贝莫来石简介托贝莫来石(Tobermorite，简称TOB)是一种水化硅酸钙，层状结构、密度小，质轻，最早由Heddle 发现于苏格兰[1]，其后在世界各地均有发现，其多样化的成分与结构也逐渐被研究和了解。TOB由各层硅氧四面体重复排列组成，根据层间距及排列方式分为1.4nm TOB[2]（Ca5Si6O18H2·8H2O）、1.1nm TOB[3]（Ca5Si6O17·5H2O）、0.9 nm TOB[4]（Ca5Si6O18H2）。Merlino等[5]研究发现1.1 nm TOB 由平行于（001） 的钙多面体片和硅灰石状硅酸盐链（称为“dreierketten”模型，由成对的四面体和桥接四面体组成，每三个硅氧四面体构成一个周期）组成，沿 b 轴延伸，相邻的单元层通过桥接氧形成硅氧四面体八元环双链结构，在单元层之间的通道中存在 Ca2 离子和水分子。TOB含有吸附水和结晶水以及加入纤维可做成微孔结构且具有良好的绝热保温性质，因此可以用作保温材料和吸附材料，现已广泛应用于冶金、建材、电力、化工等行业的窑炉、设备及管道工程中。TOB 是一类重要的硅酸盐矿物，国内外学者对TOB的应用进行了大量研究。2. 托贝莫来石的应用2.1 保温材料TOB具有轻质、高强、导热系数低、耐高温等优良性能，水热合成TOB已成为众学者们研究的热点。随着不断研究TOB的微观结构，水热合成的先驱物、合成条件、外源离子等因素对反应产物TOB晶须的影响，研究者们发现了晶须状TOB的存在对材料耐高温性能的改善作用，对多尺度系统性研究TOB的微纳米结构与材料宏观性能上的本质关联具有参考价值，对推动节能环保型保温耐火墙体材料的研发极具意义[6]。2.2 建筑材料随着新型建筑材料的不断开发，泡沫混凝土[7]、蒸压加气混凝土[8]等材料得到了广泛应用，有效满足了建筑材料的特性要求，其中蒸压加气混凝土属于一类多孔材料，对其容重进行测试发现只有常规建筑用砖的1/5左右，表现出密度小、隔音、隔热、尺寸稳定、防火等多项优异特性[9]，有效满足了生产与应用过程的节能减排需求，这也因此使其获得了很强的市场竞争力。TOB中含有较高比例的钙盐，且该原料具有强碱性特征，因此可将其作为激发剂，与建筑垃圾一起制备得到新型建筑材料，充分发挥其应用价值。杨达等[10]人将其作为钙质原料来制得蒸压加气混凝土。2.3 吸附材料有机染料是由高分子化合物组成，主要来源于纺织印染工业、皮革、造纸等行业，具有污染区域较广，成分类别多，化学稳定性强，难降解，毒性较高等特点。有机染料流入河流湖泊中造成水体营养化，减少水体氧含量，对生物生存造成威胁，因而需要对废水中的染料进行去除。目前处理污水常用的方法有机械沉降法、化学吸附法、物理吸附法和生物处理法等。结合现状，吸附法[11-12] 以其流程简单、无二次污染、控制方便、吸附剂可再生等优点，在氨氮废水处理中具有很广阔的应用前景，目前已成为治理水体污染的研究热点，制备廉价高效的有机染料吸附剂是解决问题的关键所在。王志增等[13]人通过对 TOB 进行高温煅烧及选择性酸浸制备出具有高比表面积的多孔SiO2材料，研究TOB 的纳米孔的形成机制，可以将这项技术应用到废弃硅酸盐蒸压制品资源再利用中，利用废弃硅酸盐蒸压制品进行吸附印染有机废水可以实现经济和环境双重效益。根据上述综合研究，TOB不仅具有许多优良的物理化学特性，如：密度小质量轻、热稳定性好、吸附能力好等，可以高效应用于环境、建筑等领域，改善人类赖以生存的地球家园，还可以结合各种工业产生的固体废弃物加以利用，使其转变为对环境、人类有利的资源，体现绿色生产生活的理念。3. 国内外现有的托贝莫来石改性技术根据TOB所具有的多种优良特性，目前科学家已经将其应用于建筑、吸附等多方领域。比如TOB 因其较高的比表面积与较强的离子交换性能，在有机酸[14]与重金属离子如钴、铜、镉、铬、铅[15-20]的吸附中有很好的表现，且对锶与铯有很强的选择性[21-22]，而负载了金属离子的 TOB 在多相催化领域[23]也有较好的应用前景。随着生物技术的发展，TOB 纳米晶须在骨组织再生等生物学领域也有相关应用研究[24-26]。另外，在混凝土等硅酸盐制品中加入少量 TOB 作为结晶诱导剂可有效提升制品的强度[27]。随着科技的发展、技术的创新，对TOB的需求加大、质量要求更高。基于此，进行TOB的改性以提高其某方面的性能成为目前广大科学家的研究目标。TOB的改性过程中需要注重多方面细节，其中尤其注重改性工艺的影响，由于不同的改性流程所呈现的材料结构大不相同，所得到的制品的效能也大不相同，因此TOB的改性工艺尤其重要。当前，国内外改性TOB负载氧化镁的方法很多，氧化镁（MgO）作为一种无毒、经济、环保的材料，已经广泛应用于废水处理[28-30]，其中最常见负载氧化镁的方法有MgCl2混合NaOH浸渍法、MgCl2活化法和微波法。3.1 MgCl2混合NaOH浸渍法MgCl2混合NaOH浸渍法是将原材料混合MgCl2，进行在超声分散30 min后加入NaOH，常温搅拌12 h，静置24 h，过滤，用无水乙醇和去离子水冲洗数次，于80℃下的鼓风干燥箱中干燥后置于马弗炉中，以10℃/min的加热速率在450℃下煅烧3 h，最后得到样品。彭霞等[31] 人将氯化镁和氢氧化钠原位沉淀反应制备Mg(OH)2，然后将前驱体煅烧，使Mg(OH)2完全转移到MgO中，形成一种可负载的MgO材料用来制备改性硅藻土。该方法对脱氮除磷除镉的效果不错，但用时较长，效率不高，对吸附时间的敏感性比其他方法低。3.2 MgCl2活化法MgCl2活化法是将原材料与分析纯MgCl2在管式电阻炉中500℃活化1 h，最后得到样品。范友华等[32]人将粉碎的油茶果壳和氯化镁混合制备负载氧化镁的油茶壳生物炭。负载金属氧化物的生物炭对重金属离子的吸附效果更好。该工艺虽然可以通过计算获得精确的孔形状和孔尺寸，可用于批量生产，但是对于复杂结构的材料和尺寸较小的材料有一定的制备限制。3.3 微波法微波法是将分析纯MgO先于马弗炉中600℃下烧结4 h冷却后与原材料混合，置于工作频率为2450 MHz的微波炉中辐射20 min，最后得到样品。郝长红等[33-34]人将MgO(分析纯)在一定温度下焙烧，冷却的氧化镁粉末与天然沸石均匀混合后置于微波炉中反应，冷却后便得到了天然沸石负载氧化镁的样品。负载氧化镁后天然沸石的结构变得疏松、孔隙增大且较为均匀，对NH4 的吸附能力比天然沸石强。采用微波辐射的方法将氧化镁直接负载在天然沸石的内外表面，比以往改性方法简单且在同时处理含磷及氮磷的废水也有良好的效果。二、 本课题的研究价值本课题所研究的改性TOB负载氧化镁的方法是用简单的水热法将葡萄糖衍生碳材料包覆在水合硅酸钙上，然后在葡萄糖水溶液中超声分散制备的核/壳。产品由离心收获，所得棕褐色粉末干燥后，在惰性气氛下碳化，表面形成稳定的凝胶并生成MgO，接着与Mg(NO3)2·6 H2O和柠檬酸溶解在H2O和乙醇的混合液中置于水浴锅中加热搅拌得到的悬浮液，再干燥直到变成干凝胶后，将干凝胶置于马弗炉中，在一定温度下预热，之后在一定温度下烧结，最后冷却得到样品。本课题为了更一步提升TOB的吸附性能，拟采用凝胶法[35]的改性方法以增加TOB在水处理中的吸附能力。研究不同反应条件，例如煅烧温度、葡萄糖浓度等因素对产物晶相、微观形貌、供碱释钙等能力的影响，获得最佳负载条件。参考文献[1] Heddle M F. 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2. 研究内容和问题

（1）探究改性托贝莫来石在负载碳层阶段下的物化性能；（2）探究改性托贝莫来石添加不同葡萄糖浓度下的物化性能；（3）学会正确记录整理分析数据，解释实验现象，合理推断实验结论。

3. 设计方案和技术路线

（1）以制作的tob为载体，添加不同葡萄糖浓度，通过水热反应和高温煅烧的方法对其进行改性负载氧化镁层和碳层。

（2）采用xrd、sem、eds、ftir、bet的表征方法，分析改性tob物相组成、结构变化、元素含量、官能团变化和比表面积，以未改性的tob结果作为对照组，得出改性后的变化，进一步研究改性条件对tob性能的改变作用。

4. 研究的条件和基础

该毕设以南通大学化学化工学院为基础，依托南通大学分析测试中心实施并完成。

已有x射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜、综合热分析仪等相关仪器设备。

实验药品、玻璃器皿等耗材已购置齐全，现有实验条件基本上能保证该毕设的顺利进行。