表面改性劑在超細氫氧化鎂過濾中的應用*

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(青海大學化工學院，青海西寧 810016)

中國是鎂資源大國，西部的鹽湖鎂資源尤為豐富，是生產高端氫氧化鎂產品的絕佳原料。采用液相化學法制備氫氧化鎂時，隨著氫氧化鎂顆粒的超細化會使料漿的過濾和洗滌變得十分困難[1-4]，由于應用性能的要求又需要生產具有有機化表面改性的氫氧化鎂[5]。同時固液分離、有機化表面改性又是工程放大、簡化工藝過程和降低生產成本所不可回避的關鍵性技術問題。提高固液分離效果的傳統(tǒng)方法，是制備過程中對氫氧化鎂顆粒進行水熱處理和在固液分離前加入絮凝劑聚丙烯酰胺[6-7]。筆者在超細氫氧化鎂的制備過程中，利用表面改性劑硬脂酸鈉、水溶性鈦磷酸脂偶聯(lián)劑，在表面有機化改性的同時，對提高氫氧化鎂漿料的過濾性能進行了實驗研究。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

實驗用氫氧化鎂漿料由實驗室自制,由氯化鎂溶液和氨水溶液在控制工藝條件并加入粒度控制助劑的條件下制得。氫氧化鎂為納米級，團聚后為微米級顆粒，粒徑分布較窄，平均直徑為2.730 μm，形貌為不規(guī)則的團聚的片狀晶形。硬脂酸鈉(分析純)、鈦磷酸脂為水溶性螯合鈦磷酸脂偶聯(lián)劑季銨鹽[D25≥1.008 g/cm3；黏度μ25=1 450%±20%，閃點(開口)≥100 ℃，折光率1.487±0.002，pH為7±0.5，水溶性≥1∶3]、鄰苯二甲酸正二辛脂(DOP，分析純)。

1.2 實驗方法

將固含率為15%的待改性的超細氫氧化鎂懸浮液 100 mL置于250 mL三角瓶中,在攪拌條件(470 r/min)下緩慢加入一定組成的改性劑，反應至特定時間后取出樣品烘干,并測定樣品的吸油值。待樣品制備一定量后，進行過濾實驗。

1.3 分析方法及樣品表征

吸油值的測定[8]:稱取1～5 g試樣放入磁蒸發(fā)皿,將DOP自微量滴定管中滴入試樣內,每次加入0.2 mL并充分研磨,至粉末已能以松散的小粒黏成一密實的大團并且不會破碎,又能黏附在磁蒸發(fā)皿上時即為終點。吸油量以每100 g質量試樣所吸油的體積X(mL)表示,按下式計算:

X=V/m×100

(1)

式中，V為消耗的DOP的體積，mL；m為試樣的質量，g。

過濾性能的分析方法[9]：對制備的表面改性超細氫氧化鎂按照體積比加入一定量水充分攪拌配制懸浮液，然后進行恒壓過濾實驗。記錄過濾時間及單位面積濾液體積，直接計算濾餅的過濾常數(shù)來考察過濾的難易，并與空白樣進行對比。

用JSM—5610LV/INCA型系列低真空掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌；用X′pert pro型X射線衍射儀對樣品物相及結構進行表征；用MS—2000型激光粒度儀分析樣品的粒度分布。

2 結果與討論

2.1 表面改性效果比較

圖1為吸油值與改性劑加入量的關系。由圖1可知，無論使用硬脂酸鈉還是鈦磷酸脂改性劑,超細氫氧化鎂的吸油值均隨改性劑用量的增加而逐漸減少。未改性的超細氫氧化鎂吸油值高達65 mL[100 g Mg(OH)2],經硬脂酸鈉改性后吸油值略降低，每100 g Mg(OH)2加入量為3 g時的吸油值仍高達53 mL，而使用少量的鈦磷酸脂即可顯著降低超細氫氧化鎂的吸油值，每100 g Mg(OH)2中加入鈦磷酸2.0 g時吸油值即可降至46 mL，進一步增加鈦磷酸脂偶聯(lián)劑用量還可使吸油值進一步降低，但降幅有所減緩。由于吸油值在一定程度上綜合體現(xiàn)

圖1 吸油值與改性劑加入量的關系[以100 g Mg(OH)2計]

了相對降黏值和浸潤角這2項指標，因此可用來間接評判超細氫氧化鎂與有機介質的親和性。吸油值越低，親和性越高[8]。上述結果表明，與用硬脂酸鈉相比，采用鈦磷酸脂可使改性后的超細氫氧化鎂具有與有機介質更高的親和性。

2.2 過濾性能實驗

2.2.1 過濾性能常數(shù)的測定

在過濾面積A(m2)上對待測的懸浮料漿進行恒壓過濾實驗，測出一系列時刻θ(s)上的累積濾液量V(m3)，并在此計算出一系列q=(V/A)值(m3/m2)，從而得到一系列相互對應的Δθ與Δq之值。在直角坐標系中標繪Δθ/Δq-q間的函數(shù)關系，可得一系列的直線。在此基礎上，氫氧化鎂懸浮料漿在特定的改性劑及壓強差條件下的過濾常數(shù)即可獲得[9]。

分別用改性劑鈦磷酸脂、硬脂酸鈉進行恒壓過濾實驗，在改性劑加入量不同的條件下，考察對Δθ/Δq-q關系的影響，見圖2、圖3及表1。由圖2、圖3可見，兩種改性劑添加與否對實驗點的擬合直線的斜率影響較大，且隨著改性劑添加量的增加斜率都進一步減小，但當表面改性劑的添加量為氫氧化鎂粉體質量的2.00%時，隨著改性劑添加量的增加斜率減小的趨勢明顯減緩，同時所有實驗點的擬合直線的截距也都呈現(xiàn)下降趨勢。由圖2、表1還可看到，添加量由1.00%增至2.00%時，實驗點的擬合直線斜率由200 120減小到105 280，且添加量繼續(xù)增加斜率幾乎不變，而由圖3、表1可見，添加量由1.00%增至2.00%時，實驗點的擬合直線斜率由159 270減小到44 900，繼續(xù)添加量增加斜率仍呈現(xiàn)減小趨勢，但趨勢明顯減小。因為濾餅的比阻與實驗點的擬合直線的斜率成正比，故改性劑的添加可以顯著減小濾餅的比阻，但改性劑的添加量超過2.00%后，其添加量對濾餅的比阻的影響不大。在同樣改性劑添加量的條件下，用硬脂酸鈉改性氫氧化鎂所形成濾餅比阻明顯小于鈦磷酸脂。

圖2鈦磷酸脂的添加量對Δθ/Δq-q關系的影響圖3硬脂酸鈉的添加量對Δθ/Δq-q關系的影響

表1 改性劑用量對Δθ/Δq-q直線的影響

實驗表明，改性后的濾餅避免了穿濾現(xiàn)象。這是因為當加入表面改性劑后, 由于有機高分子具有長鏈, 它可通過“架橋”的方式同時吸附兩個或更多的微粒, 生成較大的絮團, 由于小的超細氫氧化鎂微粒在過濾前已被轉化為大的絮團, 故能大大降低穿濾現(xiàn)象, 也不會產生小顆粒堵塞介質孔道的現(xiàn)象，加速了過濾速度，減小了濾餅的比阻,得到過濾常數(shù)如表2所示。

表2 改性劑的加入量對過濾常數(shù)影響

2.2.2 密度及含水量測定

表3為改性劑對濾餅的密度及含水量影響。由表3可以看出，隨表面改性劑用量的增加，濾餅的密度逐漸減小，當改性劑用量在2.00%左右時減小趨勢顯著減緩，而濾餅的含水量卻有逐漸升高的趨勢。這主要是因為：在堆積的濾餅中,固體顆粒表面有附著水和粒與粒之間有粒間水, 粒間水可隨著過濾時間延長除去一部分, 但經過表面改性后的附著水不能隨過濾時間延長而除去。隨著表面改性劑用量的增大,在顆粒表面上形成黏散結構增大,必使顆粒的位阻和間距增大，團聚趨勢減弱，表觀體積增大，導致濾餅的表觀密度漸小，同時使得這種黏散結構帶有附著水量增大, 故濾餅含水量上升。兩種改性劑之間比較指標的差異，主要源于它們的分子結構不同，以及氫氧化鎂表面被不同改性劑改性后電性的差異。

表3 改性劑對濾餅的密度及含水量影響

2.2.3 操作及生產能力討論

以54框的BM70-800/25的板框式壓濾機為例。設過濾機入口處濾漿的表壓及濾布與實驗相同，每次過濾完畢用清水洗滌濾餅，洗水的溫度及表壓與濾漿相同，而洗水的體積為濾液體積的8%(體積分數(shù))。輔助操作時間為15 min。

通過生產的操作性分析可知，改性劑的加入可以顯著提高過濾速率，縮短洗滌時間。圖4為過濾速率與改性劑加入量的關系。由圖4可見，當未添加改性劑時，濾餅的過濾終了時的速率為0.802×10-3m3/s，隨著添加量的增大添加硬脂酸鈉比添加鈦磷酸脂過濾速率提高更快，當改性劑的添加量為2.00%時，改性劑為鈦磷酸脂過濾速率為3.10×10-3m3/s，而硬脂酸鈉的為5.71×10-3m3/s,此后隨著改性劑添加量的增大兩者過濾速率仍有提高，但明顯減緩。圖5為洗滌時間與改性劑加入量之間的關系。由圖5可見，當未添加改性劑時，濾餅的洗滌時間為2 697.3 s，兩種改性劑隨著添加量的增大添加硬脂酸鈉比添加鈦磷酸脂洗滌時間降低更快，當改性劑的添加量2.00%時，改性劑為硬脂酸鈉的濾餅的洗滌時間為336 s，而鈦磷酸脂的為623 s，此后隨著改性劑添加量的增大兩者洗滌時間降低都有所減緩。

圖4過濾速率與改性劑加入量的關系圖5洗滌時間與改性劑加入量的關系

表4為改性劑對板框式壓濾機生產能力的影響。由表4可見，未改性時其生產能力僅為2.92 m3/h，而當改性劑的添加量為2.00%時改性劑為硬脂酸鈉時板框式壓濾機生產能力為11.03 m3/h，而改性劑為鈦磷酸脂時為8.05 m3/h。所以，改性劑的加入可以顯著提高板框式壓濾機的生產能力，且不同的改性劑其對生產能力的提高效果不同，疏水性強的效果更明顯。但它們都有一個相對的較合理的添加量，這主要和被改性粉體的比表面積有關。

表4 改性劑對板框壓濾機生產能力的影響

3 結論與展望

通過對表面改性劑在超細氫氧化鎂過濾中的應用，得出以下結論：1)在液相化學法制備氫氧化鎂的過程中，同時進行表面有機化改性處理，在不引入絮凝劑的同時提高了固液分離效果，簡化工藝過程。2)表面有機化改性后的氫氧化鎂料漿過濾時避免了穿濾現(xiàn)象，過濾性能和生產能力都得到顯著提高。這不僅有利于對濾餅的洗滌，而且在濾餅含水量一定的條件下，勢必顯著降低壓濾機的操作壓力。3)可進一步研究兩種改性劑復合包覆后的“協(xié)同效應”，不僅可使試樣的吸油值下降，明顯增加與有機介質的親和性和相容性，而且可使試樣的疏水性增強、過濾比阻下降，顯著提高試樣的過濾性能。4)在研究顆粒比表面積、堆積方式等的變化對過濾性能影響的同時，探索改性前后顆粒表面的特性的變化，是揭示提高無機超細粉體過濾性能共性的方向。

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