纳米ZnO2的制备 实验报告
班级:应091-4
组号:第九组
指导老师:翁永根老师
成员:任晓洁 200921501428
邵 凯 200921501429 孙希静 200921501432
【实验目的】
1. 了解 纳米氧化锌的基本性质及主要应用
2. 通过本实验掌握纳米氧化锌的制备方法
3. 对于纳米氧化锌的常见产品掌握制备原理和方法,并学会制备简易产
品。
4. 通过本实验复习并掌握EDTA溶液的配制和标定,掌握配位滴定的原
理,方法,基准物质的选择依据以及指示剂的选择和pH的控制。
5. 掌握基础常用的缓冲溶液的配制方法和原理。
6. 加深对实验技能的掌握及提高查阅文献资料的能力。
【实验原理】
1. 超细氧化锌是一种近年来发展的新型高功能无机产品,晶体为六方结构,其颗粒大小约在1~100纳米。纳米氧化锌由于颗粒小、比表面积大而具有许多其表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了宏观物体所不具有的特殊的性质,呈现表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能,使在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域有重要的应用价值,具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。纳米氧化锌在纺织领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等。纳米氧化锌一系列的优异性和十分诱人的应用前景。
2. 纳米氧化锌的制备方法主要有:水热法,均相沉淀法,溶胶一凝胶法,微乳液法,直接沉淀法
3. 本工艺是将锌焙砂(主要成份是ZnO,主要伴生元素及杂质为铁,铜,铅,镍,铬,镍,此外,还含有其它微量杂质,因而用锌焙砂直接酸浸湿法生产活性氧化锌,必须利用合理的酸浸及除杂工艺,分离铅,脱铁、锰,除钙、镁等重金属)与硫酸反应,生产出粗制硫酸锌,加高锰酸钾、锌粉等,经过提纯得到精制硫酸锌溶液后,再经碳化母液沉淀,制得碱式碳酸锌,最后经烘干,煅烧制成活性氧化锌成品。
4. 氧化锌含量的测定采用配位滴定法测定,用NH3-NH4Cl缓冲溶液控
制溶液pH≈10,以铬黑T为指示剂,用EDTA标准溶液进行滴定,其主要反应如下:
在氨性溶液中:
Zn2++4NH3?Zn(NH3)42+
加入EBT(铬黑T)时:
Zn(NH3)42++EBT(蓝色)?Zn-EBT(酒红色)+4NH3 滴定开始-计量点前:
Zn(NH3)42++EDTA?Zn-EDTA+4NH3 计量点时:
Zn-EBT(酒红色)+EDTA?Zn-EDTA+EBT(蓝色) 5.活性ZnO的应用:
因为活性ZnO具有抗菌,除臭以及除异味等多种作用,本实验制备系列产品,看是否具有除异味的功效,在活性氧化锌中掺杂一定量的银,对常见皮肤病有一定的治疗功效,制备治疗脚气的产品。
【实验仪器及试剂】
1. 实验仪器:
分析天平,托盘天平,玻璃棒,水浴锅,布氏漏斗,吸滤瓶,滤纸,真空泵,温度计,电热套,烧杯(400ml一个,250ml两个,100ml一个,50ml一个),锥形瓶(250ml两个)洗瓶,pH试纸(1-14),蒸发皿,石棉网,胶头滴管,碱式滴定管,高温炉,烘箱,蒸发皿,容量瓶(250ml),25ml的移液管,注射用玻璃瓶两个,喷雾式塑料瓶一个。 2. 实验试剂:
锌焙砂,锌粉,ZnO,H2SO4溶液(3mol/L),KMnO4溶液(0.1 mol/L),NH4HCO3(s),EDTA标准溶液(0.01795 mol/L),HCl溶液(0.1 mol/L),铬黑T指示剂,NH3·H2O(25%-28%),NH3-NH4Cl缓冲溶液(pH≈10),80%水合肼,AgNO3溶液(1mol/L),CaCO3(s),滑石粉,凡士林,TiO2成品(s),蒸馏水。
【实验步骤】
一. 活性ZnO的制备 1. 酸解:
(1) 称取10g锌焙砂于150ml的锥形瓶中,加入35ml3mol/L的
H2SO4溶液,置于80℃的水浴锅中加热反应50min,每隔1-2min摇晃一下,保证反应的均匀性,反应完毕后向锥形瓶内加入15ml蒸馏水,将锥形瓶放在电炉上加热煮沸后减压过滤。
(2) 将滤纸上的残渣洗涤干燥后称重,将滤液转移至另一干净
的锥形瓶内。
2. 除铁:
(1) 向滤液中加入0.1 mol/L的 KMnO4溶液至溶液颜色不在变
化,将溶液中存在的Fe2+离子氧化为Fe3+离子。
(2) 调节溶液pH:向溶液中加入适量的ZnO调节溶液pH值为5左
右。(加入的ZnO的质量要记录,因为计算产量时要将加入的ZnO的量除去)加热煮沸3min左右,减压过滤除去溶
液中的Fe3+离子。将滤液转移至干净的烧杯中。
3. 除重金属离子:
(1) 向所得滤液中加入0.1g锌粉,将烧杯置于80℃的水浴锅中
搅拌10min,减压过滤。
(2) 将所得滤液转移至干净的400ml的烧杯中。
4. 制备ZnO:
(1) 向所得滤液中加入适量蒸馏水至溶液的总体积到100ml
(2) 在温度低于35℃的条件下向溶液中分批加入9g NH4HCO3(s)
并不断搅拌10min,减压过滤,充分洗涤滤饼,以保证其
他杂质离子能够除干净。
(3) 将所得滤饼转移至蒸发皿上置于240℃的烘箱内烘干。
(4) 将成品置于高温炉内煅烧两小时
(5) 将煅烧后的ZnO称重,计算产量。
二. 活性ZnO的含量测定以及应用
1. ZnO的定量分析
(1)用分析天平准确称取0.4g氧化锌产品于50ml的小烧杯中,用0.1
mol/L的盐酸溶解,溶解后完全定量转移至250ml的容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度,摇匀。
(2)用25ml的移液管移取配置好的Zn2+溶液于250ml的锥形瓶中,用
胶头滴管滴加25%-28%的 NH3·H2O至溶液中刚好出现白色沉淀为
止,加入10ml NH3-NH4Cl缓冲溶液,调节溶液pH值到10左右,摇
匀,加入20ml蒸馏水,滴加三滴铬黑T指示剂,振荡摇匀,用已标定的准确浓度的EDTA标准溶液滴定,记录消耗的EDTA溶液的体积,
(3)平行滴定两次,并且做空白组。
(4)计算制备产品活性氧化锌的含量。
2. ZnO制备除异味产品和治疗脚气的产品
称取一定量的ZnO产品按照ZnO:Ag=50:1的比例加入一定量的1mol/L 的AgNO3溶液,在水浴上挥发至干,加入3-4ml的水合肼,在水
浴上挥发至干即得到制备治疗脚气以及除异味的产品原料。放入研钵中充分研磨,待用。
(1)除异味产品制备:
取上述制备的产品原料适量于烧杯中,加入定量的蒸馏水配制成5%的溶液,用玻璃棒充分搅拌,即制得除异味的试剂,将制得的成品装入指定的喷瓶中,试用,并跟踪记录产品效果。
(2)治疗脚气的产品制备
取研磨好的产品原料于50ml的小烧杯中,加入适量的凡士林,用玻璃棒充分搅拌,直至变成粘稠状,即的产品。装入指定的容器中,试用,跟踪并记录产品效果。
3. ZnO用于防晒霜的制备
称取适量的氧化锌,按照氧化锌0.4g,二氧化钛0.6g,CaCO31g,滑石粉3g,的配比,将对应质量的ZnO,二氧化钛,
CaCO3,滑石粉置于研钵中充分研磨,之后用指定的筛子过筛,得到
氧化锌制得的防晒霜产品。将产品装入制定的瓶中,试用,记录并跟踪产品效果。
【实验现象】
1.纳米ZnO的制备:
加入H2SO4溶液后有一股刺鼻的气味产生,溶液变为浑浊的白色。加热
之后变为浅色的灰蓝色,滴加高锰酸钾溶液后溶液颜色变深,随着加入氧化锌调节溶液的pH值,溶液变为棕白色,加热之后变成棕黄色。
在分批加入碳酸氢铵的过程中,烧杯中有大量的白色泡沫状的物质产生,随着反应的进行和碳酸氢铵的不断加入,产生的白色泡沫状物质逐渐减少,溶液最后变为变色粘稠状的物质。
减压抽滤过后,得到白色粉末状物质。经过烘干以及高温煅烧后得到白色粉末状的活性氧化锌。
2.应用产品的制备:
(1)制备防晒霜:将ZnO,二氧化钛,CaCO3,滑石粉置于研钵中研磨的
过程中,随着研磨的不断进行,物质逐渐变为白色粉末状,,过筛后得到颗粒极细的白色粉状物质。
(2)制备除异味以及治疗脚气的产品:
加入AgNO3溶液后粉末状的氧化锌逐渐成块,随着水浴加热反应的进
行,溶液颜色逐渐变深,由氧化锌最初的白色逐渐变为棕灰色物质,加入水合肼后,溶液颜色进一步加深,随着反应的进行,最后变为棕灰色的粉状固体。
取适量上述原料加入凡士林后,随着不断地搅拌,混合物逐渐变得粘稠,最后变为棕色粘稠状物质。
适量原料加入对应量的蒸馏水后逐渐溶解,最后得到棕灰色溶液。
【注意事项】
1. 蒸馏水的质量是否符合要求是配位滴定中十分重要的问题:
(1)若配制溶液的水中含有Al3+,Cu2+等,会使指示剂受到封闭,
致使终点难以判断;
(2)若水中含有Ca2+,Mg2+,Pb2+,Sn2+等,则会消耗EDTA,不同的
情况下会对结果产生不同的影响。
因此在配位滴定中,必须对所用的蒸馏水的质量进行检查。
为保证质量,经常采用二次蒸馏水和去离子水来配制溶液。
2. EDTA应贮存在聚乙烯塑料瓶或硬质玻璃瓶中,若贮存在软质玻璃
瓶中,会不断溶解玻璃中的Ca2+形成CaY2-,使EDTA的浓度不断下降。
3. 金属指示剂往往是有机多元酸或弱碱,兼具pH指示剂功能,因此
使用时要特别注意选择合适的pH范围。
4. 在
【实验数据记录处理】
1.ZnO的制备
名称 质量(g)
锌焙砂
10.2
氧化锌
1.44
锌粒
0.14
碳酸氢铵
9.1
杂质
0.06
产品
4.73
产量计算:m(ZnO)=m(产品)-m(添加ZnO) =(4.73—1.44)g
=3.29g
m(锌焙砂)实=m(锌焙砂)—m(杂质) =(10.2-0.06)g
=10.14g
产率w= m(ZnO)/m(锌焙砂)实×100% =3.29/10.14×100% =32.44%
3. ZnO含量测定:
m(ZnO)=0.4078g V(Zn2+)=25.00ml V(蒸馏水)=25.00ml
消耗EDTA的体积
V1(ml) V2(ml) V(ml)
氧化锌第一组
6.21 31.99 25.78
氧化锌第二组 空白组
5.18 3.49 31.07 3.81 25.89 0.32
滴定ZnO时消耗的EDTA的体积为:
V(消耗EDTA)=1/2【(V(ZnO)1-V(空))+( V(ZnO)2-V(空)】
=1/2【(25.78-0.32)+(25.89-0.32)】
=25.52ml
n(ZnO)~n(EDTA)=V(消耗EDTA)*c(EDTA) 所称取ZnO的总质量为:
m(ZnO)= n(ZnO)*M(ZnO)*10 = n(EDTA)*M(ZnO)*10
= V(消耗EDTA)*c(EDTA)*M(ZnO)*10 =25.52ml*10-3*0.01795 mol/L*81.39*10 =0.3728g
所以:产品中ZnO的含量为:
W= 【m(ZnO)/m(ZnO)称】% =(0.3728/0.4078)% =91.43% 4. 纳米ZnO应用
(1) 制备防晒霜:
名称
质量(g)
二氧化
氧化锌 钛 碳酸钙 滑石粉
0.4081 0.6035 1.0234 3.0545
(2) 制备脚气治疗产品及除异味用液体喷剂:
m(ZnO)=3g V(AgNO3溶液(1mol/L))=7.5ml
V(水合肼)=3ml
【实验误差分析】
1. 除铁过程中,调节PH值时,要加入产品调节,如果用氨水已挥发造
成Zn(OH)2沉淀过多,会产生[Zn(NH3)4]OH2,溶解较缓慢。
2. 制备氧化锌过程中减价过滤时,要充分冲洗滤饼,目的是Zn(OH)2未
反应的及附着的杂质离子,检验是否含有硫酸根离子,在洗液中加入BaCl2,无沉淀,即洗干净,否则影响纯度。
3. 氧化锌含量测定误差分析:①仪器误差②滴定管读数误差③向Zn2+溶
液中加入氨水调节PH稍微过度,有些许沉淀产生④指示剂用量对实验结果有一定影响
4. 影响纳米氧化锌产量的原因可能有:①锌培砂本身含锌量比较低②锌
培砂与H2SO4反应50分钟反应不完全,③加入氧化锌的质量不准确,
实验室的天平不准确,称取的质量偏大,使计算的实际产品产量偏低。
【成本计算】
我们组生产的ZnO产品外观为白色的粉末状,色泽纯正,且经过后期利用生产的氧化锌制备除异味以及治疗脚气的产品,效果显著,所以我们生产的ZnO可以认为质量优质,自我评价为优质氧化锌,所以制定成品价格为30元/公斤。m(ZnO)=3.29g 将其放大一万倍做成本计算,其他相关价格为:
名称
价格
(元)
锌焙砂 4.5/公斤 电费 1/度 劳动力 1240/人 水费 3/吨
需要生产的ZnO质量=3.29*10000=32900g=32.9kg
利用锌焙砂生产氧化锌的产率w=32.44%,所以生产32.9kg的ZnO理论上需要的锌焙砂的质量为m=32.9/32.44%=101.42kg
因为生产中不可避免的有物料的损失,所以至少需要锌焙砂
m=105kg
假定工厂有三个人负责生产锌焙砂,法定工作时间里连续工作一天时间里便可完成生产目标。所以基本成本为:
购买原料锌焙砂:105*4.5=472.5元
劳动力成本:6.9*8*3=165元
粗略估算用水不超过半吨,所以水费为:1.5元
粗略估算用电至少2度,所以电费为:2*1=2元
生产中所用其他试剂(H2SO4溶液,NH4HCO3(s),KMnO4溶液等)成本估
算为:100元
产品销售所得:32.9*30=987元
所以整体收入为:987-472.5-165-1.5-2-100=246元。
第二篇:纳米氧化锌的制备
1氧化锌的制备方法分为三类:即直接法(亦称美国法)、间接法(亦称法国法)和湿化学法。目前许多市售氧化锌多为直接法或间接法产品,粒度为微米级,比表面积较小,这些性质大大制约了它们的应用领域及其在制品中的性能。我公司采用湿化学法(NPP-法)制备纳米级超细活性氧化锌,可用各种含锌物料为原料,采用酸浸浸出锌,经过多次净化除去原料中的杂质,然后沉淀获得碱式碳酸锌,最后焙解获得纳米氧化锌。与以往的制备纳米级超细氧化锌工艺技术相比,该新工艺具有以下技术方面的创新之处:
1.平衡条件下反应动力学原理与强化的传热技术结合,迅速完成碱式碳酸锌的焙解。
2.通过工艺参数的调整,可以制备不同纯度、粒度及颜色的各种型号的纳米氧化锌产品。
3.本工艺可以利用多种含锌物料为原料,将其转化为高附加值产品。
4.典型绿色化工工艺,属于环境友好过程。
2一种纳米氧化锌的制备方法,具体涉及用沉淀转化法制备纳米氧化锌的方法。本发明方法包括如下步骤:在硫酸锌溶液中,按重量比为1∶0.2~1.2滴加氨水,再向上述反应物中加入碳酸氢铵,得到ZnCO3·Zn(OH)2沉淀;沉淀经分离、用去离子水洗涤,真空干燥,得到以Zn(OH)2为核心,外围包覆ZnCO3的复合前驱体;将复合前驱体在150~600℃下煅烧1.5~2.5小时,得到纳米ZnO材料。本发明方法操作简单、成本低,制备的纳米氧化锌产品为白色,六方晶体,平均粒径为20~30nm,在水中有很好的分散性。