利用硼泥制備氫氧化鎂工藝條件研究

楊雪梅，胡 珊，王凌剛，鄭 謙，周美珍

（1.中國地質(zhì)大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074；2.丹東科漫材料有限公司）

利用硼泥制備氫氧化鎂工藝條件研究

楊雪梅1，胡 珊1，王凌剛1，鄭 謙2，周美珍2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074；2.丹東科漫材料有限公司）

以硼泥為鎂源，氨水為沉淀劑，采用直接沉淀法制備出超細(xì)片狀氫氧化鎂粉體。通過研究不同反應(yīng)條件對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響，最終得到合成氫氧化鎂的最佳工藝條件。利用X射線衍射（XRD）、熱重分析（TG）、掃描電鏡（SEM）和粒度分析等手段對產(chǎn)物氫氧化鎂進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物為超細(xì)片狀氫氧化鎂，且晶體比較完善，形貌為六方片狀。最佳合成工藝條件：用鹽酸在室溫下浸出得到鎂液，以氨水為沉淀劑，反應(yīng)終點(diǎn)pH=11、反應(yīng)溫度為60℃，沉降時(shí)間為2h、氨水稀釋比例（體積比）為1∶1、氨水滴加速度為1滴/s。添加無水乙醇能有效改善氫氧化鎂的膠結(jié)和分散性。

硼泥；氫氧化鎂；產(chǎn)率；粒度；形貌

氫氧化鎂是一種重要的化工鎂產(chǎn)品，主要應(yīng)用于環(huán)保和阻燃兩個(gè)方面。由于氫氧化鎂具有無毒、無煙、吸熱量大、效果持久等特點(diǎn)，因此氫氧化鎂是一種非常環(huán)保的阻燃劑，應(yīng)用量非常之大［1-3］。而作為阻燃用的氫氧化鎂必須具有規(guī)整的形貌，如片狀、纖維狀或其他形狀，這就要求合成氫氧化鎂時(shí)必須控制氫氧化鎂的形貌。張波等［4］利用硫酸鎂為原料制備出花球狀氫氧化鎂阻燃劑；Ding Yi等［5］用不同的鎂鹽和堿液制備了納米針狀、片狀、纖維狀、粒狀的不同晶型的氫氧化鎂；Yan Chenlin等［6］用氯化鎂和尿素合成了分布均勻的納米花瓣?duì)頜g（OH）2。

硼泥是生產(chǎn)硼砂排出的廢棄物，每生產(chǎn)1t硼砂要排出4～5t硼泥。硼泥不僅占用土地，而且顯堿性，對周圍的耕地造成嚴(yán)重污染。硼泥的主要成分為氧化鎂和二氧化硅，可以利用硼泥制備氫氧化鎂，這樣可以有效地利用廢棄資源，減少環(huán)境污染，提高硼泥的利用率和附加值［7］。

筆者主要以硼泥為原料制備氫氧化鎂，研究了溫度、時(shí)間等工藝條件對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響，確定了可行的工藝路線。其意義在于有效利用廢棄資源，并獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

原料：硼泥，工業(yè)級，丹東科漫材料有限公司；鹽酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31％，分析純；氨水，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％，分析純。

儀器：SZCL-2型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器；HH-ZK2型單孔智控水浴鍋；JSM-6390LV型掃描電子顯微鏡；D/Max 2500型X射線衍射儀；BT-9300H型激光粒度儀；STA449C型綜合熱分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將一定量干基硼泥置于圓底燒瓶中，加入等質(zhì)量的蒸餾水調(diào)漿，用鹽酸浸出（室溫），抽濾得到氯化鎂溶液。將氯化鎂溶液加熱攪拌，達(dá)到設(shè)定溫度后開始滴加氨水，達(dá)到反應(yīng)pH后停止攪拌，過濾得到濾餅。將濾餅放入真空干燥箱中烘干，得到氫氧化鎂樣品。并且研究了無水乙醇對氫氧化鎂的分散作用。

2 結(jié)果與討論

2.1 硼泥渣XRD分析

圖1為硼泥浸出反應(yīng)渣XRD譜圖。從圖1可以看出，酸浸過后的硼泥渣中只含有少量未浸出的硅酸鎂、石英及氧化鐵物相，大量Mg2+、Fe2+、Al3+等被浸出，在2θ為10～30°時(shí)形成無定形SiO2衍射峰，峰形呈鼓包狀［8］。

圖1 硼泥浸出渣XRD譜圖

2.2 反應(yīng)條件對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響（見圖2）

圖2a為氨水濃度對合成氫氧化鎂粉體產(chǎn)率的影響。由圖2a可知，隨著氨水濃度的的增大，氫氧化鎂的產(chǎn)率有所升高，但升高幅度不大，氨水稀釋比例（體積比）為1∶3和3∶1時(shí)的產(chǎn)率差僅為3％，這說明氨水濃度對產(chǎn)率影響比較小。綜上所述，一方面為防止氨水濃度過大造成揮發(fā)，另一方面為減少水的用量，實(shí)驗(yàn)選用氨水與水的體積比為l∶l。

圖2b為氨水滴加速度對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響。由圖2b可知，氫氧化鎂的產(chǎn)率隨著氨水滴加速度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，在氨水滴加速度為每3s滴加1滴時(shí)產(chǎn)率最大，達(dá)到71.3％。主要原因是，氨水加入速度過快，生成氫氧化鎂的反應(yīng)時(shí)間縮短，反應(yīng)不夠完全；而過快的加入速度又加劇了氨水的揮發(fā)，使得體系中有效氨水濃度降低，導(dǎo)致氫氧化鎂產(chǎn)率的下降。氨水滴加速度為每3s滴加1滴和每1s滴加1滴時(shí)產(chǎn)率相差不大，僅為0.9％，為了節(jié)省時(shí)間選擇氨水滴加速度為l滴/s。

圖2c為反應(yīng)終點(diǎn)pH對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響。由圖2c可以看出，隨著反應(yīng)終點(diǎn)pH的升高，氫氧化鎂的產(chǎn)率也隨之增大。這主要是因?yàn)椋琾H的升高意味著氨水添加量的增加，更多的氨水加入到體系中，提高了氨水的有效濃度，由于氯化銨呈弱酸性，實(shí)際上氨水與氯化鎂的反應(yīng)可視為一個(gè)可逆反應(yīng)，氨水的增加使得平衡向右移動(dòng)，因此使氫氧化鎂的產(chǎn)率增加。由圖2c還可以看出，當(dāng)反應(yīng)終點(diǎn)pH大于10.8以后，氫氧化鎂產(chǎn)率的增長幅度變小。考慮到氨水本身是弱堿，更高的pH意味著氨水用量成倍的提高，同時(shí)氨水的揮發(fā)也會(huì)隨之加劇而造成不必要的浪費(fèi)，因此實(shí)驗(yàn)只考察了pH=l0.0～11.5。綜合考慮，選擇反應(yīng)終點(diǎn)pH為11。

圖2 反應(yīng)條件對合成氫氧化鎂產(chǎn)率的影響

圖2d為沉降溫度對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響。由圖2d可以看出，隨著沉降溫度的升高，氫氧化鎂的產(chǎn)率先升高后降低，沉降溫度為60℃時(shí)產(chǎn)率最高。這是因?yàn)椋瑲溲趸V的形成需要一定的溫度和時(shí)間，沉降溫度過低不僅不利于氫氧化鎂的沉淀造成產(chǎn)率降低，而且還會(huì)影響氫氧化鎂結(jié)晶的完整性。隨著沉降溫度的升高，氫氧化鎂的結(jié)晶性能和產(chǎn)率都有較大幅度的提高。但是，沉降溫度過高會(huì)加劇氨水的揮發(fā)，體系中有效氨水的濃度會(huì)降低，使得氫氧化鎂的產(chǎn)率反而降低。

圖2e為沉降時(shí)間對氫氧化鎂產(chǎn)率的影響。由圖2e可以看出，隨著沉降時(shí)間的增長，氫氧化鎂的產(chǎn)率逐漸增大。在沉降時(shí)間為0.5h（沉降溫度為60℃）時(shí)氫氧化鎂的產(chǎn)率只有73.98％，而沉降時(shí)間為2h時(shí)產(chǎn)率增加到82.32％。在沉降時(shí)間為2h之后氫氧化鎂的產(chǎn)率仍有提高，但是沉降時(shí)間過長會(huì)使氫氧化鎂的粒徑增大，因此選擇沉降時(shí)間為2h。

2.3 氫氧化鎂XRD分析

制備的氫氧化鎂XRD測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，樣品的XRD譜圖中各峰的位置與氫氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)卡片一致，屬于六方晶系。XRD譜圖中除了氫氧化鎂的特征峰外沒有其他特征峰，說明氫氧化鎂樣品的純度較高。

圖3 合成氫氧化鎂XRD譜圖

2.4 氫氧化鎂TG分析

圖4是氫氧化鎂的TG曲線。從圖4可以看出，氫氧化鎂有兩個(gè)明顯的質(zhì)量損失過程。在200℃左右時(shí)，主要是氫氧化鎂失去結(jié)晶水的過程；在345℃左右，主要是氫氧化鎂開始分解生成氧化鎂和水的過程。在600℃以后曲線變?yōu)橹本€，說明溫度超過600℃以后氫氧化鎂沒有進(jìn)一步的熱質(zhì)量損失。氫氧化鎂失水過程中的質(zhì)量損失率為5.32％，氫氧化鎂分解過程中的質(zhì)量損失率為31.09％，這與理論值31.01％相吻合。這進(jìn)一步說明實(shí)驗(yàn)制備的氫氧化鎂樣品純度較高。

圖4 合成氫氧化鎂的TG曲線

2.5 氫氧化鎂形貌分析

圖5是氫氧化鎂掃描電鏡照片。從圖5可以看出，氫氧化鎂的形貌為片狀。圖5a為不加無水乙醇制備的氫氧化鎂樣品，有團(tuán)聚和結(jié)塊現(xiàn)象。這是因?yàn)闅溲趸V顆粒表面親水疏油，因此不加任何添加劑直接制備的氫氧化鎂極易團(tuán)聚和膠結(jié)。圖5b為加入無水乙醇制備的氫氧化鎂試樣，與試樣a相比b的分散性更好。這是因?yàn)槿芤褐写嬖谝掖迹淮畏磻?yīng)結(jié)晶粒子尺寸較大，Mg（OH）2吸附乙醇分子后，降低了表面能，膠結(jié)得到抑制，使得氫氧化鎂的分散性更好。

圖5 氫氧化鎂SEM照片

2.6 氫氧化鎂的粒度分析

圖6 氫氧化鎂粒度分布圖

氫氧化鎂樣品粒度分布如圖6所示。由圖6可以看出，氫氧化鎂樣品的粒度服從正態(tài)分布，中位徑為1.15μm，體積平均徑為1.67μm，面積平均徑為0.63μm，屬于超細(xì)氫氧化鎂粉體。

3 結(jié)論

采用硼泥和氨水為原料，控制合適的工藝條件可以制備出超細(xì)片狀氫氧化鎂。產(chǎn)物結(jié)晶性能好，形貌較規(guī)整，中位徑為1.15μm，體積平均徑為1.67μm，面積平均徑為0.63μm。最佳合成工藝條件：在室溫下浸出后，反應(yīng)終點(diǎn)pH=11，反應(yīng)溫度為60℃，沉降時(shí)間為2h，氨水稀釋比例（體積比）為1∶1，氨水滴加速度為1滴/s。

［1］呂品，劉景澤，于淑偉.硼泥的綜合利用［J］.遼寧化工，2004，33（6）：343-344.

［2］郭如新.美國氫氧化鎂生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景［J］.海湖鹽與化工，2000，29（3）：35-38.

［3］金陵.無機(jī)阻燃劑氫氧化鎂發(fā)展?jié)摿@人［N］.中國化工報(bào)，2001-10-10（3）.

［4］張波，李麗娟，姬連敏，等.花球狀氫氧化鎂制備過程中的顆粒形成機(jī)理研究［J］.廣州化工，2010，38（10）：3-6，28.

［5］Ding Yi，Zhang Guangtao，Wu Hao，et al.Nanoscale magnesium hydroxide and magnesium oxide powder：Control over size，shape，and structure via hydrothermal synthesis［J］.Chem.Mater.，2001，13（2）：435-440.

［6］Yan Chenlin，Xue Dongfeng，Zou Longjiang，et al.Preparation of magnesium hydroxide nanoflowers［J］.Journal of Crystal Growth，2005，282（3/4）：448-454.

［7］周鏑，翟玉春，寧志強(qiáng)，等.回收硼泥制備氫氧化鎂的研究［J］.科技資訊，2008（28）：85-86.

［8］孫青，侯會(huì)麗，鄭水林，等.硫酸浸出硼泥制備片狀氫氧化鎂實(shí)驗(yàn)研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2013，45（11）：21-24

聯(lián)系方式：hushan320@sina.com

Research on preparing magnesium hydroxide from boron slurry

Yang Xuemei1，Hu Shan1，Wang Linggang1，Zheng Qian1，Zhou Meizhen2
（1.School of Materials Science and Chemistry，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Dandong Cosman Materials Co.，Ltd.）

The superfine flaky magnesium hydroxide powder was prepared by direct precipitation method，with boron slurry as magnesium source and ammonia as precipitator.Through study on the influences of different reaction conditions on the production rate of magnesium hydroxide，the optimum technological conditions for synthesis of magnesium hydroxide were eventually obtained.The product was characterized by XRD，TG，SEM，and particle-size analyzer.The results showed that the product of the experiment was ultrafine magnesium hydroxide，the crystal was well structured，and the morphology of which was six-party flake.The optimum synthetic process conditions were as follows：leaching with hydrochloric acid at room temperature to get magnesium solution，pH was 11，reaction temperature was 60℃，subsidence time was 2h，ammonia dilution ratio（volume ratio）was 1∶1，and dropping speed of ammonia was 1 drop/s.Adding anhydrous ethanol can effectively improve the binding and dispersity of magnesium hydroxide.

boron slurry；magnesium hydroxide；productivity；particle size；morphology

TQ132.2

A

1006-4990（2014）12-0057-04

2014-06-20

楊雪梅（1989— ），女，在讀碩士研究生，主要從事阻燃復(fù)合材料的制備與研究。

胡珊