载钾水云母“氧化-柱撑/离子交换”脱钾过程的研究

摘要

钾资源短缺一直是制约我国农业发展的一个因素。对我国储量丰富的难溶性含钾矿物综合利用的研究是解决我国钾资源短缺的一个重要途径。
　　本文以含二价铁较多的含钾矿物水云母作为研究对象，采用氧化-柱撑/离子交换法，在不破坏云母层结构前提下，达到从水云母中提取可溶性钾离子的目的。研究了从云母中提钾的反应特征，脱钾前后云母的结构变化，以及柱撑剂分子在云母层间的演化模式。具体的研究内容及结论如下：
　　（1）利用氧化剂硝酸将云母结构八面体中的二价铁氧化成三价铁，从而改变硅氧四面体中非桥氧的价键分布。同时，利用这种“库仑效应”和类质同象置换原则，使用和钾离子半径相近的钡离子作为置换离子置换云母层间的钾离子。经过20小时的氧化/离子交换脱钾，有96%的钾离子被钡离子置换出来，云母原矿转变成水钡云母，其层间距d值由原来的1.0 nm增大到1.2 nm。
　　（2）在氧化的同时加入有机柱撑剂十八烷基三甲基氯化铵（STAC），撑开云母晶层，增大云母层层间距，从而增大云母结构层间距d（001）值，利用这种“空间效应”来减小离子交换的空间位阻，加速脱钾过程。利用氧化-柱撑/离子交换法，能将最大98%的钾离子从云母层层间置换出来，云母片层的层间距d（001）最大可以被撑开到4.0 nm。柱撑过程可以加速氧化/离子交换的反应速率。
　　（3）为了理解柱撑过程中柱撑剂分子的演变规律，通过控制变量法，研究了有机柱撑剂分子在“一步法”（氧化-柱撑/离子交换过程同时进行）制备的有机柱撑云母层间的演变过程。XRD和FTIR结果表明，硝酸钡加入量、反应时间、STAC用量均对STA+分子在柱撑云母层间的排列方式有着相类似的影响过程，STA+均先已单层倾斜排列转变到双层倾斜排列。
　　（4）采用不同链长的柱撑剂CnH2n+1(CH3)3NCl(n=12,14,16,18)用“二步法”柱撑云母并研究有机柱撑剂分子在云母层间的演变过程。“二步法”柱撑云母过程是指先用氧化/离子交换从水云母中提取钾离子后得到水钡云母，再用柱撑剂柱撑制得的水钡云母进行柱撑剂分子插层反应。不同浓度的STAC（C18H2n+1(CH3)3NCl）柱撑水钡云母得到的柱撑云母的层间距从2.8 nm到3.0 nm变化；不同柱撑剂柱撑开的层间高度的差值等于其链长的差值，柱撑剂分子均以最佳接触角54°单层倾斜排列在云母片层。
　　（5）“一步法”柱撑的过程用STA+在柱撑过程中所需要克服撑开钾离子层的空间位阻较大，在所有的云母片层被撑开时，得到的完全柱撑云母中STA+总是采取双层排列模式。而在用“二步法”柱撑云母过程中，在撑开所有云母片层时，STA+所需要克服撑开水合钡离子层的空间位阻较小，因而总是采取单层排列模式。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1钾资源简介

1.2我国钾资源简介

1.3难溶性含钾矿物的开发利用方法

1.4 云母族矿物简介

1.5 选题依据及研究内容

第2章 氧化/离子交换法从水云母中提取钾离子

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 氧化/离子交换机理示意图

2.5 本章小结

第3章 氧化-柱撑/离子交换从水云母中提钾

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 氧化-柱撑/离子交换法从云母中提钾

3.4 柱撑剂在一步法得到的有机柱撑云母中的演变过程

3.5 本章小结

第4章 柱撑剂在“二步法”柱撑云母的演变过程

4.1引言

4.2实验部分

4.3不同浓度的十八烷基三甲基氯化铵对“二步法”柱撑云母的影响

4.4用不同链长的季铵盐CnH2n+1(CH3)3NCl (n=12, 14, 16, 18)“二步法”柱撑云母

4.5 “二步法”和“一步法”柱撑云母的柱撑空间对比

4.6本章小结

第5章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及专利情况

致谢