蒙脱石的酸活化、插层改性及其应用研究

摘要

蒙脱石是一种重要的非金属矿产资源。本文以内蒙古赤峰蒙脱石为原料，应用实验室基础研究和测试方法，借助X-射线衍射(XRD)、差热分析(TDA)与原子吸收光谱等近代岩矿测试新技术，研究了该地蒙脱石的改性以及载铜蒙脱石的抗菌性能。 全文共分四部分：第一部分(第一章)综述了蒙脱石的物理化学特性、国内外在蒙脱石矿物改性方面的发展历史、研究与应用现状以及主要的加工技术，并概述了国内外抗菌材料的发展与研究现状。第二部分包括第二章、第三章与第四章，分别研究赤峰蒙脱石的酸活化工艺、无机金属离子改性以及有机化改性，探讨改性工艺对蒙脱石结构与热分解性能的影响，并初步探讨了有机化蒙脱石与载铜蒙脱石在聚丙烯塑料中的应用。第三部分(第五章)研究载铜蒙脱石对两种常见革兰氏阴性和革兰氏阳性菌即大肠杆菌(Ecoli)和金黄色葡萄球菌(Sfaecalis)的抗菌能力以及抗菌机理，并初步研究了微量载铜蒙脱石作为饲料添加剂对仔猪生长、腹泻以及肠道健康等方面的影响。第四部分(第六章)主要就铬的营养研究和铬在畜禽生产以及对Ⅱ型糖尿病和高血脂病的预防上的应用进行了综述。 在蒙脱石酸活化工艺中，通过实验确定了酸活化时间、温度、酸浓度与固液比等的工艺参数对蒙脱石结构的影响，发现强酸(17％的盐酸浓度，固液比1:10，温度90℃，时间4h)处理会导致蒙脱石晶体结构完全坍塌；当在常温下用硫酸处理蒙脱石时，即使硫酸浓度高达3N，也不会使蒙脱石的晶体结构发生变化。在酸活化处理过程中，蒙脱石不仅失去层间阳离子，而且位于八面体层的阳离子亦被淋滤带出。由于Fe3+的带出，蒙脱石由原来的浅红色变成白色，杂色矿石转变成白色有利于扩大其应用领域。 在蒙脱石钠化和载铜实验中发现，经盐酸处理后晶体结构发生坍塌的蒙脱石，可以通过钠离子或铜离子交换来恢复其晶体结构以及硅酸盐骨架结构，由此可以制备钠型蒙脱石与铜型蒙脱石。XRD衍射谱图表明，(001)衍射面的层间距按以下规律变化：铜蒙脱石＜钠蒙脱石＜原矿(主要是钙蒙脱石)。这种变化趋势是由蒙脱石层间可交换金属阳离子的尺寸和电价数两个因素决定的：可交换阳离子体积越小，蒙脱石(001)面间距越大，而可交换阳离子电价数越低，(001)面间距越小。 采用十六烷基三甲基溴化铵作为有机插层剂，对酸化蒙脱石以及钠与铜蒙脱石进行有机改性。结果表明，有机插层剂可以完全使蒙脱石中的钠离子溶出，可以使蒙脱石中的大部分钙离子溶出，而不破坏硅酸盐骨架结构，但使蒙脱石层间距显著增大。有机化与铜离子交换的先后次序并不影响蒙脱石的(001)面间距，但有机阳离子插层严重影响蒙脱石对铜离子交换能力。在蒙脱石/聚丙烯复合材料中，有机蒙脱石与铜蒙脱石不改变聚丙烯基体的晶体结构，但使复合材料拉伸屈服应力与应变均降低。 载铜蒙脱石对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.faecalis)具有非常优异的抗菌性能，其最小发育阻止浓度(MIC)仅为10ppm。微量载铜蒙脱石能够显著促进仔猪的生长、改善肠道健康。与对照组相比，在饲料中添加0.2wt％载铜蒙脱石可以使仔猪日增重提高13.89％，料重比下降8.38％，平均腹泻率降低71.80％，仔猪结肠内容物中大肠杆菌显著下降，空肠绒毛高度和绒毛高度/腺窝深度的比率分别提高19.21％和37.10％。 铬是人和动物机体所必需的一种微量矿物质元素，铬参与糖类、蛋白质、脂类的代谢，并有降低应激、改善动物机体的免疫机能、提高畜禽生产性能和繁殖力等作用。在对Ⅱ型糖尿病和高血脂病的预防上也有一定的作用。利用天然蒙脱石的阳离子交换能力搭载三价铬离子，生产成本低；载体矿物蒙脱石与胃肠道粘膜的亲和性高，可提高Cr3+离子在体内的吸收率，同时也降低了排泄量和环境残留量；蒙脱石的缓释效应提高了Cr3+离子的使用安全性；载铬蒙脱石具有遇水膨胀散开的特点，使用方便。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1蒙脱石(层状硅酸盐)的结构

1.2蒙脱石的产状与应用

1.2.1蒙脱石的地质成因

1.2.2蒙脱石矿床类型与矿产分布

1.2.3蒙脱石原材料质量

1.2.4蒙脱石质量的测定与控制方法

1.2.5蒙脱石的主要改性方法

1.2.6蒙脱石的主要用途

1.3蒙脱石的结构分析

1.4抗菌材料

1.4.1微生物及其危害

1.4.2抗菌材料

1.4.3无机抗菌材料

1.4.4抗菌材料的发展趋势

1.5课题的提出

1.6研究目标

1.7主要研究内容

参考文献

第二章蒙脱石的酸活化

2.1引言

2.2实验

2.2.1实验原料

2.2.2实验方法及样品制备

2.2.3测试仪器与表征方法

2.3结果与讨论

2.3.1蒙脱石的酸化机理

2.3.2热失重分析

2.3.3蒙脱石的XRD分析

2.4 小结

参考文献

第三章蒙脱石的钠离子交换和铜离子交换

3.1引言

3.2实验

3.2.1实验原料

3.2.2实验方法及样品制备

3.2.3测试仪器与表征方法

3.3结果与讨论

3.3.1蒙脱石原矿的离子交换

3.3.2结构坍塌蒙脱石的离子交换与结构恢复

3.3.3载铜蒙脱石的元素分析

3.4 小结

参考文献

第四章蒙脱石有机化改性及在塑料中的应用

4.1引言

4.2实验

4.2.1实验原料

4.2.2实验方法及样品制备

4.2.3测试仪器与表征方法

4.3结果分析与讨论

4.3.1蒙脱石的有机化处理

4.3.2有机化载铜蒙脱石的元素分析

4.3.3常温下对载铜蒙脱石有机化的影响

4.3.4矿物有机化机理

4.3.5有机蒙脱石与载铜蒙脱石在塑料中的应用

4.4 小结

参考文献

第五章载铜蒙脱石的抗菌性能及其在饲料上的初步应用

5.1引言

5.2实验

5.2.1样品性质与前处理步骤

5.2.2离子交换反应与载铜、锌蒙脱石/沸石的制备

5.2.3载铜蒙脱石的抗菌实验

5.2.4载铜蒙脱石中铜离子静态释放实验

5.2.5载铜蒙脱石对仔猪的作用效果实验

5.3结果与讨论

5.3.1载铜蒙脱石的XRD表征

5.3.2铜离子释放

5.3.3抗菌效果

5.3.4载铜蒙脱石对仔猪腹泻的影响

5.4 小结

参考文献

第六章载铬蒙脱石的制备及其前景展望

6.1引言

6.2载铬蒙脱石的制备

6.3载铬蒙脱石的前景展望

参考文献

第八章总结及本论文的创新之处

8.1总结

8.2本论文的创新之处

发表的论文与申请的专利

致谢