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      利用工業(yè)輕燒粉合成堿式氯化鎂晶須的方法

      2014-03-25 10:23:32王婉婷王國勝
      沈陽化工大學學報 2014年1期
      關(guān)鍵詞:堿式氯化鎂晶須

      梁 海, 王婉婷, 王國勝

      (沈陽化工大學 化學工程學院, 遼寧 沈陽 110142)

      堿式鎂鹽由于其具有晶須[1-5]、納米線[6-7]、納米棒[8-10]、納米帶[11]的一維形貌,在很多領(lǐng)域具有較好的應用[12-14],也可以做為Mg(OH)2[15-16]和MgO[9]的前驅(qū)體.堿式氯化鎂晶須作為一種一維的納米材料,其分子式為xMg(OH)2·yMgCl2·zH2O (x,y,z=1,2,3…)[17],最早由Sorel[18]發(fā)現(xiàn),存在于水泥中.其被用于水泥、紙張、橡膠等材料的添加劑、增強劑[19-23].

      關(guān)于堿式氯化鎂的制備,已經(jīng)有文獻進行了報道.Fan Weiliu[6]以MgO和MgCl2為原料,采用水熱法合成了堿式氯化鎂晶須.Wei Q[8]采用水溶液法以MgO和MgCl2為原料合成了堿式氯化鎂晶須.Wu Jiansong[17]等人以MgCl2和NaOH為原料合成了堿式氯化鎂晶須.本文采用輕燒粉及鹽酸為原料的合成方法未見報道.

      本文介紹一種一步法,由工業(yè)輕燒粉制備堿式氯化鎂,解決了輕燒粉的除雜問題.將過量的輕燒粉加入到鹽酸中,一部分輕燒粉將與鹽酸發(fā)生酸堿中和反應生成氯化鎂,另一部分輕燒粉中的MgO與得到的MgCl2反應,過濾去雜質(zhì)得到鎂液,靜置得到堿式氯化鎂.實現(xiàn)了一步由工業(yè)輕燒粉和鹽酸合成堿式氯化鎂,其工藝簡單,操作容易,產(chǎn)品純度高.

      1 實驗部分

      1.1 實驗原料與儀器

      工業(yè)輕燒粉 (表1),濃鹽酸37 %(質(zhì)量分數(shù),AR),聚乙二醇10000 (AR),NaOH (AR).

      表1 輕燒粉的組成

      高低真空掃描電子顯微鏡 (SEM) (JEOL JSM-6360LV),能譜儀 (Quest Level Ⅱ),X射線衍射儀 (XRD) (Bruker D8 Advance),紅外光譜儀 (IR).

      1.2 實驗方法

      將輕燒粉緩慢加入到200 mL HCl溶液m(HCl)∶m(H2O)中,輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比為0.75∶1、0.7∶1、0.65∶1、0.6∶1、0.55∶1、0.5∶1,加入少量聚乙二醇分散劑,反應溫度50 ℃,反應時間2 h.將整個溶液過濾,濾液在室溫下靜置2 d,過濾得到堿式氯化鎂沉淀.分別用水和乙醇洗滌數(shù)次,在真空干燥箱內(nèi)50 ℃干燥4 h,得到白色的堿式氯化鎂粉體.

      2 結(jié)果與討論

      2.1 實驗表征結(jié)果

      對實驗用工業(yè)輕燒粉進行能譜分析,得其組成見表1.圖1為原料輕燒粉的能譜圖,其主要元素是Mg,并含有少量的Ca、Fe、Si等雜質(zhì).圖2是輕燒粉的SEM圖,從圖2中可以看出輕燒粉的形貌為1 μm左右的顆粒.

      圖1 原料輕燒粉的能譜圖

      圖2 原料輕燒粉的SEM圖

      圖3 為輕燒粉中的MgO與鹽酸不同摩爾比的堿式氯化鎂的XRD圖譜,與標準PDF卡片對比,樣品均與堿式氯化鎂的標準卡片(JCPDS 07—0412)吻合,沒有其他雜質(zhì)的衍射峰,證明得到了純度較高的堿式氯化鎂,其分子式為Mg2(OH)3Cl·4H2O.

      圖4是相應的堿式氯化鎂的SEM圖,從圖4中可以看出:堿式氯化鎂都具有很好的纖維結(jié)構(gòu),分散均勻.隨著輕燒粉中的MgO量的減少,制得的堿式氯化鎂晶須的直徑也隨之變小,當輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比為0.75∶1時,堿式氯化鎂的直徑約為500 nm,減小到0.5∶1時,堿式氯化鎂的直徑約為200 nm.原料配比在0.75∶1~0.5∶1時能夠得到堿式氯化鎂晶須,在原料配比為0.65∶1時,堿式氯化鎂的產(chǎn)量最高(如圖5所示).當輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比大于0.75∶1時,由于加入輕燒粉過多,溶液變?yōu)楹隣顭o法過濾,當輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比小于0.5∶1時,沒有得到堿式氯化鎂沉淀,最佳反應配比為0.65∶1.

      圖6為原料摩爾配比為0.65∶1的堿式氯化鎂的IR譜圖,3 434.04cm-1附近的吸收峰為O—H伸縮振動頻率,在3 608.25 cm-1和3 656.21 cm-1處是結(jié)晶水的吸收峰,在1 631.71 cm-1附近是堿式氯化鎂結(jié)晶水的H—O—H變形振動產(chǎn)生的吸收峰,1 154.02 cm-1處是OH-與Mg配位形成的振動峰.

      圖3 堿式氯化鎂的XRD圖譜

      圖4 輕燒粉與鹽酸不同摩爾比的堿式氯化鎂SEM圖

      圖5 堿式氯化鎂的產(chǎn)量變化曲線

      圖6 堿式氯化鎂的IR圖譜

      2.2 反應機理的研究

      輕燒粉首先與鹽酸發(fā)生反應,其中MgO、Ca和Fe等元素與鹽酸反應生成含有MgCl2、CaCl2和FeCl3等溶質(zhì)的溶液,過量輕燒粉中的MgO再與溶液中的MgCl2反應.MgO首先發(fā)生水解反應生成Mg(OH)2,溶解的Mg(OH)2電離為Mg2+和OH-,然后溶液中的Mg2+作為中心離子分別與Cl-和OH-配位體配位形成離子配合物[Mg—(OH)4]2-和[Mg—Cl4]2-[10],促進Mg(OH)2的溶解,[Mg—(OH)4]2-和[Mg—Cl4]2-再與溶液中的Mg2+和11個H2O反應得到分子式為Mg2(OH)3Cl·4H2O的堿式氯化鎂.

      主要總反應方程式:

      MgO+2HCl→MgCl2+H2O

      3MgO+MgCl2+11H2O→

      2Mg2(OH)3Cl·4H2O

      反應機理方程式如下:

      MgO+H2O→Mg(OH)2→Mg2++OH-

      Mg2++4(OH)-→[Mg—(OH)4]2-

      Mg2++4Cl-→[Mg—Cl4]2-

      3[Mg—(OH)4]2-+[Mg—Cl4]2-+

      4Mg2++16H2O→4Mg2(OH)3Cl·4H2O

      輕燒粉中的MgO之所以會溶解在生成的MgCl2溶液中,是因為MgO與MgCl2發(fā)生了上述配位反應,待MgO溶解完全后就可以進行第一次過濾,將一部分不溶物雜質(zhì)去除.但Mg與其他金屬相比配位能力較低,所以,在MgO“溶于”氯化鎂溶液之后過濾得到的重鎂水中含有的離子配位體濃度低,反應速度慢,反應時間較長,須靜置2 d才能得到堿式氯化鎂.第二次過濾則是將水溶液中的雜質(zhì)過濾掉,經(jīng)過反復洗滌后得到純度較高的堿式氯化鎂晶須.

      3 結(jié) 論

      以工業(yè)輕燒粉為原料合成了堿式氯化鎂晶須.反應溫度50 ℃,反應時間2 h時,輕燒粉中的氧化鎂與鹽酸摩爾比在0.75∶1~0.5∶1時,都可以得到堿式氯化鎂,最適宜的摩爾配比為0.65∶1.隨著MgO量的減少,堿式氯化鎂的產(chǎn)量降低,直徑也隨之減小.并從配位化學的角度合理地解釋了此方法的反應機理.

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