利用太阳能和自然风制备碱式氯化镁晶须

2021-10-15吴健松许立淼

盐科学与化工 2021年10期

吴健松，简艺，许立淼

(1.广东茂名幼儿师范专科学校，广东茂名 525000；2.岭南师范学院化学化工学院，广东湛江 524048)

广东雷州沿海地带利用海水生产的食盐(NaCl)是人们生活必不可少的生活物质。然而，海水产盐后留下的废液却一直没得到科学利用。这种废液氯化镁浓度非常高，如果能将其合理利用，使其作为生产镁类晶须的原材料，那就是典型的变废为宝的范例[1-2]。若未能及时利用，不仅浪费资源，且会严重伤害盐场周边的生态环境。碱式氯化镁晶须是具有一定长径比(通常要求这个比值不小于10)的单晶纤维材料，其晶体结构比较完整，内部缺陷少，强度和模量均接近其完整晶体材料的理论值，是一种环保的、力学性能十分优异的新型材料、补强增韧剂。它是一条状的、具纤维状的晶体[3-4]。同时，碱式氯化镁晶须还是制备其他镁类晶须例如氧化镁和氢氧化镁晶须的重要中间体[5-7]。对于碱式氯化镁晶须的实验室制备方法已比较成熟，但利用太阳能和自然风的方法制备却未检索到相关的报道。利用太阳能和自然风制备碱式氯化镁晶须具有能耗低、成本低、制备简便的优点。文章探索了利用太阳能和自然风的手段制备了碱式氯化镁晶须，得到较优的碱浓度和反应时间，这些制备参数可为下一步小试提供理论依据。

1 实验

1.1 仪器与试剂

直径为80 cm圆底塑料盘；扫描电镜使用HITACHI S-4800(日本)和PHILIPS-SL-30 (日本)两种；X射线衍射仪(D/Max-3C型,日本日立)；元素分析仪之一(非金属类型)(ULTIMA型，法国JY公司)，元素分析仪之二(金属型)(PE2400 SeriesⅡ CHNS/O，美国)，飞利浦扫描电镜(日本日立)，分析纯NaOH(广州化学试剂厂)。热分析采用 TG-DTA320(Seikoinstruments),N2气氛, 温度范围为50 ℃～1 030 ℃, 升温速率10 ℃/min。

1.2 碱式氯化镁晶须的制备

碱式氯化镁晶须样品的制备过程如下:

(1)配制0.6 mol/L NaOH溶液。

2 结果与讨论

2.1 雷州苦卤主要离子组成和简单除杂

表1 雷州盐场苦卤主要离子组分分析结果Tab.1 Analysis results of main ion components of bittern in Lei Zhou Saltern

2.2 正交实验

2.2.1 太阳照射时间对晶须的影响

保持NaOH溶液的浓度为0.6 mol/L及加入体积2.5 L不变，考察太阳照射时间对晶须的品质(长径比、分散性、晶须质量分数即晶须比率等)的影响。表2列出了晶须比率随照射时间的变化情况，晶须比率是在扫描电镜下估算的。

表2 太阳照射时间对晶须比率的影响Tab.2 Effect of solar irradiation time on whister ratio

从表2可知，太阳照射时间以96 h为最优，延长时间无意义。图1列出三个不同时间点样品的SEM图，图1中的(a)、(b)、(c)反应时间分别为30 h、84 h、96 h样品的SEM图。图1(a)表明样品均为片状颗粒，还不具备晶须状。图1(b)表明样品大部分(约80%)呈晶须状，小部分(20%)为颗粒状，晶须表面光滑，无明显杂质沾染，长径比大于10，分散性尚可。图1(c)表明样品均呈晶须状，晶须表面光滑，纯度高无明显杂质沾染，长径比大于10，分散性好，表明照射最优时间为96 h。

图1 样品的SEM图(a、b、c分别为反应30 h、84 h、96 h对应的样品)Fig.1 SEM image of the sample (a, b, c are samples corresponding to the reaction for 30 h, 84 h and 96 h respectively)

图2为样品(c)的XRD衍射图，从图2可见样品的特征衍射峰(011)、(112)、(202)、(310)等都比较尖锐，根据标准衍射(JCPDF-76-1401)，可确定样品(c)正是碱式氯化镁。

图2 图1样品(c)的XRD衍射图Fig.2 XRD diffraction pattern of sample (c) in Image 1

2.2.2 碱(NaOH)的浓度对晶须的影响

保持其它条件不变，考察碱浓度对晶须品质的影响。表3列出晶须比率随碱浓度的变化情况，晶须比率是在扫描电镜下估算的。

表3 碱的浓度对晶须比率的影响Tab.3 Effect of alkali concentration on whisker ratio

从表3可知，最优碱浓度为0.6mol/L。图3列出了3个不同时间点样品的SEM图，图3中的d、e、f、g对应碱的浓度分别为0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、2.0 mol/L样品的SEM图。从图3可见，样品d仅有约10%为晶须，其他90%为片状或颗粒状；样品e有约80%为晶须状，且晶须粗细不均匀；样品f 100%为晶须状，且晶须粗细均匀，表面光滑，无其它沾染物，纯度高；样品g为无定形。因此得知碱的浓度以0.6 mol/L为最优。太大或太小都不利于晶须生长。

图3 样品的SEM图(d、e、f、g分别对应碱浓度为0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、2.0 mol/L的样品)Fig.3 SEM image of the sample(d, e, f, g correspond to samples with alkali concentrations of 0.2 mol/L, 0.4 mol/L,0.6 mol/L and 2.0 mol/L respectively)

图4为图3样品(f)的XRD衍射图，从图4可见样品的特征衍射峰(011)、(112)、(031)、(122)(202)、(310)等都比较尖锐，同样根据碱式氯化镁标准衍射(JCPDF-76-1401)，可确定样品(f)也是碱式氯化镁。

图4 样品(f)的XRD衍射Fig.4 XRD diffraction pattern of sample (f)

将样品(f)作热分析，得图5。从图5可见，样品TG曲线上有两个显著的失重峰，分别对应失去4个结晶水(4个结晶水在化学式中的比重为25.087%)、6个羟基和1个氯化氢(6个羟基即3个水，再加上1个氯化氢，它们之和在化学式中的比重为35.53%)，结合元素分析(见表4,根据元素摩尔比Mg、Cl、H比率，可得元素在化学式中的比例)，可知样品(f)的化学式为3Mg(OH)2·Mg(OH)Cl·4H2O