CN102145910A - 用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法是将离子液体溶液加入到0~97体积份的水中,搅拌均匀;先将浓度为碱性溶液0~50体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入氯化钙水溶液1~50体积份;将上述溶液在室温~50℃下,置于含有CO2的气体中,利用CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应和陈化;将沉淀物离心,洗涤,并置于温度-30~-58℃,真空度8~30Pa下冷冻10~24h即可。由于本发明方法采用离子液体为晶体控制剂和利用CO2气体的缓慢扩散来进行碳化反应,因而不仅可制备多种不同形貌的碳酸钙以满足更广泛的应用需求,而且操作简单,绿色无污染,加之离子液体可回收利用,还可降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于制备不同形貌碳酸钙的方法技术领域,具体涉及一种利用绿色有机添加剂-离子液体来可控制备不同形貌碳酸钙的方法。
背景技术
碳酸钙作为一种常见的无机材料,因其具有无毒无味、成本低、颗粒尺寸和结构在很大范围内可以实现可控合成等特点,而被广泛应用在催化、药物、电子器件、功能陶瓷、染料、化妆品等领域。不仅如此,还由于碳酸钙具有良好的生物相容性而被人们作为药物、蛋白质以及催化剂尤其是酶的载体。但是,不同的应用领域对碳酸钙的形貌要求不同,例如在电子陶瓷行业,要求碳酸钙为高纯微细的球形;为了增加橡胶、塑料和纸张等的机械性能(例如增强、增韧、增加体积等)和耐热性能,通常希望使用具有高比表面积(如针状)的碳酸钙。一般说来,具有较大比表面积的碳酸钙能有效提高药物、蛋白质以及酶的负载量,同时,由于具有较小的粒径可以在溶液中稳定存在,并能够在其表面偶联一些特异性的配体来调控酶的结构和功能,是比较理想的固定酶的载体。因此根据碳酸钙在不同领域的应用需求,制备出具有特定晶型,形貌和尺寸的碳酸钙晶体是十分必要。
近年来,具有可控尺寸、形貌和多级结构的无机材料或无机-有机复合材料的合成与应用已经受到各个领域广泛的关注,为了能够很好的控制碳酸钙晶体的成核、生长、组装过程,以得到特定尺寸、晶型与形貌的碳酸钙晶体,需要不同种类的晶形控制剂作为模板或生长调控剂。中国专利CN1429772A公开制备了具有不同形态碳酸钙的方法,主要是通过添加不同种类的无机晶形控制剂或晶种如碱金属、碱土金属或铵的磷酸盐、磷酸一氢盐、硼酸盐等,从而得到纺锤形、花瓣形、针状、片状、球状、纤维状的碳酸钙。1998年,等(,H.,Antonietti,M.Crystal Design of Calcium Carbonate Microparticles Using Double-Hydrophilic Block Copolymers.Langmuir,1998,14,582-589.)利用与碱土金属发生强烈相互作用的双亲嵌段共聚物(DHBCs)作为模板可控合成不同尺寸、晶型与形貌的碳酸钙,结果显示双亲嵌段共聚物的加入,使得合成的碳酸钙形貌更加复杂,得到了球形、空心球形以及哑铃状的产物,并且碳酸钙的晶型为文石和/或方解石。虽然这些无机物及合成有机物如表面活性剂、有机小分子、合成聚合物等在碳酸钙可控合成中取得了巨大的成功,然而它们对环境造成的潜在危害是不容忽视的。
众所周知,离子液体(Ionic Liquid,IL)具有许多独特的物理化学性质和不可比拟的优点,如几乎无可测的蒸汽压,被誉为“绿色溶剂”;不易燃,不易爆,毒性小,易于回收利用;热稳定性好,具有较宽的液程。近些年来还发现离子液体在合成无机纳米颗粒、多孔材料或具有复杂形貌和结构的难溶盐上具有某些突出优势,比如离子液体虽有极性,但因为它的表面张力很低,可以使无机材料的成核效率较高,容易得到较小的粒子,同时也增强了多种分子在其中的溶解能力;同时离子液体还具有很好的稳定性,使反应可以在100℃以上的非压力容器下进行;而且离子液体在液态下会形成“延长”的氢键,具有较好的结构体系可以作为熵驱动来自发的形成组织良好、有序生长的纳米结构,因此而受到越来越多的研究者的重视。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种用绿色溶剂-离子液体为有机添加剂,同时利用CO2气体缓慢扩散来制备不同形貌碳酸钙的方法。
本发明提供的用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,该方法工艺步骤和条件如下:
1)将用去离子水配制的浓度为0.1~5.0M的离子液体溶液1~25体积份加入到0~97体积份的水中,搅拌均匀;
2)先将浓度为0.1~10.0M的碱性溶液0~50体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.2~10.0M的氯化钙水溶液1~50体积份;
3)将上述溶液在室温~50℃下,置于含有CO2的气体中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化24~144h;
4)先将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-30~-58℃,真空度8~30Pa下冷冻10~24h即可得到干燥的不同形貌的碳酸钙。
上述方法中所述离子液体溶液中的离子液体由阳离子和阴离子组成,其中阳离子结构通式如下:
烷基季铵离子 烷基咪唑离子 烷基吡啶离子
式中R2,R3,R4,R5和R6为H、C1~C8的亚烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基或羟丙基中的任一种,相同或不相同,R1为C1~C8的亚烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基或羟丙基中的任一种;
所述的阴离子为卤素离子、C1-C6的羧酸根、硫酸(氢)根、[R2PO4]-(其中R=Me,)中的任一种。
所用的离子液体可参照如下文献披露的合成方法来制备:Dyson,P.J.,Grossel,M.C.,Srinivasan,N.,Vine,T.,Welton,T.,Williams,D.J.,White,A.J.P.,Zigras,T.Organo-metallic synthesis in ambient temperature chloroaluminate(III)ionic liquids.Ligand exchange reactions of ferrocene.J.Chem.Soc.,Dalton Trans.1997,3465.Branco,L.C,Rosa,J.N,Moura,Ramos,J J,et al.Preparation and Characterization of New Room Temperature Ionic Liquids.Chem.Eur.J.2002,8,3671-3677.Fukaya,Y.,Hayashi,K.,Wada,M.,Ohno,H.Cellulose dissolution with polar ionic liquids under mild conditions:required factors for anions.Green Chem.2008,10,44-46,也可购买市售的。
上述方法中所用的含有CO2的气体为空气、CO2培养箱中的气体、以及由NH4(CO3)2或NH4HCO3粉末分解产生的气体。
上述方法中所用的碱性溶液为KOH、NaOH水溶液或氨水溶液中的任一种。
如果用本发明方法且优选[MMIM]+[Me2PO4]-、[BMIM]+Cl-或[C2OHMIM]+Cl-离子液体,所制得的碳酸钙晶体形貌为纳米棒自组装成的“蒲公英状”、“仙人掌状”、球状、束状以及中空“竹笋状”、“枯树杆”状、“鸡冠状”或纳米棒状中的至少一种。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)由于本发明方法采用离子液体为晶体控制剂,因而不仅绿色无污染,而且离子液体还可回收利用,可大为降低生产成本。
(2)由于本发明方法利用的是CO2气体的缓慢扩散来进行碳化反应,因而不仅操作简单,便于实施,而且更加环保。
(3)本发明方法可制备多种不同形貌的碳酸钙,尤其是可制备由针状结构自组装成的具有较大的表面积的“蒲公英状”、“仙人掌状”碳酸钙晶体,以及中空的“竹笋状”等的碳酸钙晶体,为碳酸钙的使用领域提供了更加丰富的、可供选择的新的形貌,可满足更广泛的应用需求。
附图说明
图1为碳酸钙晶体X射线衍射曲线(XRD)图,其中a为对比例所得碳酸钙晶体的XRD曲线,b为实施例1所得碳酸钙晶体的XRD曲线,c为实施例2所得碳酸钙晶体的XRD曲线,d为实施例3所得碳酸钙晶体的XRD曲线。
图2为本发明实施例2所制备得到的碳酸钙晶体形貌的SEM(扫描电子显微镜镜)图。
图3为本发明实施例5制备得到的碳酸钙晶体形貌的SEM图。
图4为本发明实施例6所制备得到碳酸钙晶体形貌的SEM图。
图5为本发明实施例7所制备得到的碳酸钙晶体形貌的SEM图。
图6为本发明实施例8所制备得到的碳酸钙晶体形貌的SEM图。
图7为本发明实施例11所制备得到的碳酸钙晶体形貌的SEM图。
图8为对比例未使用离子液体所得到的碳酸钙晶体形貌的SEM图。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行更详细的说明,有必要指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明所作的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明的保护范围。
另外,值得说明的是,以下部分实施例及对比例所制得的碳酸钙晶体的X射线衍射(XRD)曲线图,均是采用型号为DX-1000CSC(Dandong,China)的X射线衍射仪进行衍射分析得到的;以下部分实施例及对比例所制得的碳酸钙晶体形貌的照片均是采用型号为Philips XL-3(FEI,Oregon,USA)的扫描电子显微镜进行观察得到的。
实施例1
将用去离子水配制的浓度为0.1M的[MMIM]+[Me2PO4]-离子液体溶液10体积份加入到83体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为1.0M的NaOH溶液5体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入5.0M的氯化钙水溶液2体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化120h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-40℃,真空度8Pa下冷冻120h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的碳酸钙晶体形貌主要是“鸡冠花状”;而XRD显示其晶型含有文石相,见图1b;
实施例2
将用去离子水配制的浓度为1M的[MMIM]+[Me2PO4]-离子液体溶液5体积份加入到60体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为0.2M的NaOH溶液25体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入1.0M的氯化钙水溶液10体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化120h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-50℃,真空度20Pa下冷冻15h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的碳酸钙晶体形貌为纳米棒自组装成的“蒲公英状”的微球,见图2;而XRD显示其晶型为方解石(Calcite)、球文石(Vaterite)、文石(Aragonite)三相,见图1c
实施例3
将用去离子水配制的浓度为0.5M的[MMIM]+[Me2PO4]-离子液体溶液20体积份加入到10体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为0.1M的NaOH溶液50体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.5M的氯化钙水溶液20体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化120h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-45℃,真空度9Pa下冷冻20h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙的形貌为一个个紧密聚集的不规则球状聚集体,这些球上还均匀地分布着由纳米棒聚集而成的“蒲公英状的团簇”;而XRD的衍射结果表明其晶型的文石相比例大于方解石相(见图1d)。
实施例4
在用去离子水配制的浓度为0.2M的[MMIM]+[Me2PO4]-离子液体溶液25体积份中先加入浓度为0.2M的NaOH溶液25体积份搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.2M的氯化钙水溶液50体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化24h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-55℃,真空度8Pa下冷冻10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为纳米棒自组装成的“束状”聚集体,或者是束状按照一定方式组装成的“花瓣状”聚集体。
实施例5
将用去离子水配制的浓度为5.0M的[C2OHMIM]+Cl-离子液体溶液1体积份加入到78体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为5.0M的KOH溶液1体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.5M的氯化钙水溶液20体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化120h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-55℃,真空度8Pa下冷冻10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为纳米棒自组装成的中空“竹笋状”,见图3。
实施例6
将用去离子水配制的浓度为0.5M的[C2OHMIM]+Cl-离子液体溶液10体积份加入到30体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为0.25M的KOH溶液40体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.5M的氯化钙水溶液20体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化144h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-55℃,真空度8Pa下冷冻10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为由微米级的中空棒自组装成的较大球状结构占多数,见图4。
实施例7
将用去离子水配制的浓度为0.5M的[C2OHMIM]+Cl-离子液体溶液10体积份加入到68体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为0.25M的NaOH溶液2体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.5M的氯化钙水溶液20体积份;然后将上述溶液在50℃下,置于CO2培养箱中并利用其提供的0.1%CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化144h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-55℃,真空度8Pa下冷冻10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌主要为组成“蒲公英状”结构的纳米棒以及由纳米棒自组装成的“束状”结构,还有部分的菱形结构,见图5。
实施例8
将用去离子水配制的浓度为2.5M的[C2OHMIM]+Cl-离子液体溶液2体积份加入到97体积份的水中,搅拌均匀;其次,在强烈搅拌下加入10.0M的氯化钙水溶液1体积份;然后将上述溶液在50℃下,利用NH4(CO3)2分解提供的CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化144h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-55℃,真空度30Pa下冷冻10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为“枯树杆”状,见图6。
实施例9
将用去离子水配制的浓度为0.5M的[C2OHMIM]+Cl-离子液体溶液10体积份加入到36体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为0.5M的氨水溶液4体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.2M的氯化钙水溶液50体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化72h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-30℃,真空度10Pa下冷冻12h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为由微米级的中空棒自组装得到的束状结构以及微球的混合体。
实施例10
将用去离子水配制的浓度为1.0M的[C2OHMIM]+Cl-离子液体溶液5体积份加入到73体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为0.5M的氨水溶液2体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.5M的氯化钙水溶液20体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化48h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-35℃,真空度18Pa下冷冻16h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为由微米级的中空棒以及由微米级中空棒自组装成的“束状”结构。
实施例11
将用去离子水配制的浓度为1.0M的[BMIM]+Cl-离子液体溶液5体积份加入到84.5体积份的水中,搅拌均匀;其次,先将浓度为10.0M的KOH水溶液0.5体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入1.0M的氯化钙水溶液10体积份;然后将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化120h;最后将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-58℃,真空度8Pa下冷冻10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为类似于由许多直径为2-3μm的“手指”组成“仙人掌”状,见图7。
对比例
将1体积份的5M NaOH溶液加入到98体积份的去离子水中,然后在剧烈搅拌下加入10M的氯化钙水溶液1体积份,再将上述溶液在室温下,置于空气中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化120h;最后将所得的沉淀离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-58℃,真空度30Pa下冷冻干燥10h即可得到干燥的碳酸钙。
该碳酸钙所形成的晶体形貌为不规则的碳酸钙颗粒,见图8;而XRD显示该条件下所得的晶体是方解石,如图1a。
Claims (6)
1.一种用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,该方法工艺步骤和条件如下:
1)将用去离子水配制的浓度为0.1~5.0M的离子液体溶液1~25体积份加入到0~97体积份的水中,搅拌均匀;
2)先将浓度为0.1~10.0M的碱性溶液0~50体积份加入到上述溶液中搅拌均匀后,再在强烈搅拌下加入0.2~10.0M的氯化钙水溶液1~50体积份;
3)将上述溶液在室温~50℃下,置于含有CO2的气体中,利用其中CO2气体的缓慢扩散对其进行碳化反应,同时陈化24~144h;
4)先将所得的沉淀物离心,用去离子水洗涤干净后,置于温度-30~-58℃,真空度8~30Pa下冷冻10~24h即可得到干燥的不同形貌的碳酸钙。
2.根据权利要求1所述的用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,其特征在于所述离子液体溶液中的离子液体由阳离子和阴离子组成,其中阳离子结构通式如下:
烷基季铵离子 烷基咪唑离子 烷基吡啶离子
式中R2,R3,R4,R5和R6为H、C1~C8的亚烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基或羟丙基中的任一种,相同或不相同,R1为C1~C8的亚烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基或羟丙基中的任一种;
所述的阴离子为卤素离子、C1-C6的羧酸根、硫酸(氢)根、[R2PO4]-(其中R=Me,)中的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,其特征在于所用的含有CO2的气体为空气、CO2培养箱中的气体、以及由NH4(CO3)2或NH4HCO3粉末分解产生的气体。
4.根据权利要求1或2所述用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,其特征在于所用的碱性溶液为KOH、NaOH水溶液或氨水溶液中的任一种。
5.根据权利要求3所述用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,其特征在于所用的碱性溶液为KOH、NaOH水溶液或氨水溶液中的任一种。
6.根据权利要求1所述的用离子液体制备不同形貌碳酸钙的方法,其特征在于该方法制备的碳酸钙晶体形貌为纳米棒自组装成的“蒲公英状”、“仙人掌状”、球状、束状以及中空“竹笋状”、“枯树杆”状、“鸡冠状”或纳米棒状中的至少一种。
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