利用太陽(yáng)能和自然風(fēng)制備堿式硫酸鎂晶須

吳健松，羅嘉慧，李康艷，鐘雨詩(shī)

(1.廣東茂名幼兒師范專科學(xué)校 理學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.嶺南師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 湛江 524048)

堿式硫酸鎂晶須是一種重要的功能材料[1-4]。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室制備多種晶須，各種方法都比較成熟[5-10]。但是很多實(shí)驗(yàn)室方法存在不能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，或者方法根本就不能面向?qū)嶋H的生產(chǎn)應(yīng)用。文章采取湛江雷州鹽場(chǎng)苦鹵鎂資源作為生產(chǎn)原材料，氫氧化鈉和硫酸鈉組成的混合液作沉淀劑，利用太陽(yáng)能(風(fēng)能)照射蒸發(fā)水分析晶生產(chǎn)堿式硫酸鎂晶須，對(duì)科學(xué)利用太陽(yáng)能有一定的開創(chuàng)性。雷州苦鹵鎂資源廢液一直沒得到科學(xué)利用，探索如何將其合理利用，使其作為生產(chǎn)鎂類晶須的原材料，對(duì)實(shí)現(xiàn)變廢為寶具有積極意義。堿式硫酸鎂晶須是具有一定長(zhǎng)徑比(比值一般不小于10)的纖維材料，晶體結(jié)構(gòu)比較完整，晶體缺陷少，強(qiáng)度和模量接近其完整晶體材料的理論值，是一種環(huán)保、性能優(yōu)異的無機(jī)補(bǔ)強(qiáng)增韌劑。同時(shí)，堿式硫酸鎂晶須還是制備氧化鎂和氫氧化鎂晶須的重要中間體。利用太陽(yáng)能和自然風(fēng)的方法制備目前還未檢索到相關(guān)報(bào)道,利用太陽(yáng)能(和風(fēng)能)制備堿式硫酸鎂晶須具有能耗低、成本低、制備流程簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。文章探索利用太陽(yáng)能蒸發(fā)的手段制備堿式硫酸鎂晶須，得到較優(yōu)的太陽(yáng)照射時(shí)間、沉淀劑濃度等各種制備參數(shù)，這些參數(shù)可為下一步小試提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

分析純NaOH和Na2SO4(均為廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn))。塑料盤(直徑為80 cm，圓底)；掃描電鏡(HITACHI S-4800，日本)；X射線衍射儀(D/Max-3C型,日本日立)；元素分析儀器之一是(ULTIMA型，法國(guó)JY公司，非金屬元素類型)，元素分析儀器之二(PE2400 SeriesⅡ CHNS/O，金屬類型元素，美國(guó))；熱分析儀器是采用 TG-DTA320 (Seikoinstruments),N2氣氛,溫度范圍:50 ℃～1 030 ℃,升溫速率10 ℃/min。

1.2 堿式硫酸鎂晶須的制備

堿式硫酸鎂晶須樣品制備過程如下:

(1)配制NaOH/Na2SO4混合液。其中，NaOH濃度為0.20 mol/L，Na2SO4濃度為1.2 mol/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 苦鹵主要離子組成和簡(jiǎn)單除雜

表1列出了雷州苦鹵主要離子組分分析結(jié)果(Na+、K+對(duì)晶須的生長(zhǎng)無影響，它們的濃度未列表1中)。

表1 雷州苦鹵主要離子組分Tab.1 Main ionic components of Leizhou bittern mol·L-1

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

2.2.1 太陽(yáng)照射時(shí)間對(duì)晶須的影響

保持加入的NaOH/Na2SO4混合液體積2.5 L不變(各組分的濃度也不變，即在這混合液中NaOH濃度為0.20 mol/L，Na2SO4濃度為1.2 mol/L)，考察太陽(yáng)照射時(shí)間對(duì)晶須的(分散性、長(zhǎng)徑比、晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)(也即)晶須比率)影響。表2列出了晶須比率隨照射時(shí)間的變化情況，表2中晶須比率在掃描電鏡下估算。

表2 太陽(yáng)照射時(shí)間對(duì)晶須比率的影響Tab.2 Effect of solar irradiation time on whisker ratio

從表2可知，太陽(yáng)照射時(shí)間180 h是最優(yōu)的，延長(zhǎng)照射時(shí)間無意義。圖1列出了三個(gè)不同時(shí)間樣品的SEM圖，圖1中的a、b、c反應(yīng)時(shí)間分別為60 h、140 h、180 h樣品的SEM圖。圖1(a)表明樣品均為絲帶狀，還不具晶須狀；圖1(b)表明樣品大部分(約60%)呈晶須狀，小部分(40%)為顆粒狀，晶須表面光滑且無明顯雜質(zhì)沾染，長(zhǎng)徑比大于10，分散性一般。圖1(c)表明樣品全部呈晶須狀，晶須表面光滑，純度高且無明顯雜質(zhì)沾染，長(zhǎng)徑比大于10，分散性好，表明照射最優(yōu)時(shí)間為180 h。

圖1 樣品的SEM圖(a、b、c分別為反應(yīng)60 h、140 h、180 h對(duì)應(yīng)的樣品)Fig.1 SEM image of the sample (a,b and c are the samples corresponding to reaction for 60 h,140 h and 180 h respectively)

圖2是樣品(c)的XRD衍射圖，如圖2所示，樣品的特征衍射峰(201)、(202)、(203)、(714)等都比較尖銳，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)衍射(JCPDF-861322)，可確定樣品(c)是堿式硫酸鎂。經(jīng)熱分析和元素分析，可知其化學(xué)式為5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O。又經(jīng)定量化學(xué)式分析，可知其純度為96.61%(達(dá)到阻燃要求的純度)。

圖2 樣品(c)的XRD衍射圖Fig.2 XRD diffraction pattern of sample(c)

2.2.2 加入NaOH/Na2SO4混合液體積對(duì)晶須影響

保持其它條件不變，考察加入的NaOH/Na2SO4混合液體積對(duì)晶須品質(zhì)的影響。表3列出晶須比率隨NaOH/Na2SO4混合液體積的變化情況，表3列出的晶須比率在掃描電鏡下估算。

表3 加入的NaOH/Na2SO4混合液體積對(duì)晶須比率的影響Tab.3 Effect of volume of NaOH/Na2SO4 mixture on whisker ratio

從表3可知,加入NaOH/Na2SO4混合液最優(yōu)體積是2.5 L(苦鹵體積為10.0 L)。圖3列出了3個(gè)不同的混合堿體積得到樣品的SEM圖，圖3中(d)、(e)、(f)對(duì)應(yīng)堿的體積分別為0.5 L、1.5 L、3.0 L對(duì)應(yīng)的樣品的SEM圖。從圖3可見，樣品(d)沒有晶須生成；樣品(e)約0.5%為晶須狀；樣品(f)僅有15%為晶須；當(dāng)加入NaOH/Na2SO4混合液體積為2.5 L時(shí)得到的樣品是圖1中的樣品(c)，即樣品全部為晶須(由于在圖上中已經(jīng)將最好的樣品(c)列出，因此在圖2中不再插入樣品(c)的SEM圖)。因此可知NaOH/Na2SO4混合液最優(yōu)加入體積是2.5 L,低于或高于這個(gè)體積都是不理想的。

圖3 樣品的SEM圖(d、e、f分別為反應(yīng)0.5 L、1.0 L、3.0 L對(duì)應(yīng)的樣品)Fig.3 SEM image(d,e and f are samples corresponding to reaction for 0.5 L,1.0 L and 3.0 L respectively

2.2.3 堿式硫酸鎂晶須生長(zhǎng)基元的指認(rèn)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的方法，將樣品c晶須生長(zhǎng)液pH值隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系(通過matlab程序)作傅里葉變換并作圖，得圖4。

圖4 傅里葉變換譜線圖Fig.4 Fourier transform spectrum

2.2.4 太陽(yáng)光熱利用討論

此前，從苦鹵中制備堿式硫酸鎂晶須主要是利用電能、天然氣燃燒放出的熱能，至今沒有檢索到利用太陽(yáng)光熱作為熱源的，文章合理地利用太陽(yáng)光熱作為熱源，成功制備了堿式硫酸鎂晶須，有效節(jié)約成本，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單可行。太陽(yáng)能作為天賦能源，取之不盡，用之不竭。我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，具有大規(guī)模開發(fā)利用太陽(yáng)能的資源潛力。近年來，國(guó)家扶持太陽(yáng)能光熱利用力度不斷加大，先后啟動(dòng)實(shí)施太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目特許權(quán)招標(biāo)、太陽(yáng)示范工程，制定出臺(tái)太陽(yáng)能利用優(yōu)惠政策和分布式光伏發(fā)電財(cái)政補(bǔ)貼政策等。因此，在不久的將來，利用太陽(yáng)能從苦鹵中提取各種工能材料將成為必然。

3 結(jié)論

利用雷州鹽場(chǎng)苦鹵為原料，NaOH/Na2SO4混合液為沉淀劑，科學(xué)利用太陽(yáng)能為熱源成功制備了堿式硫酸鎂晶須，生產(chǎn)成本低，化學(xué)工藝簡(jiǎn)單可行。用正交法試驗(yàn)了最優(yōu)加入NaOH/Na2SO4混合液體積是2.5 L,最優(yōu)太陽(yáng)照射時(shí)間是180 h，這些制備參數(shù)可為下一步從苦鹵中提取堿式硫酸鎂晶須提供借鑒。