利用太阳光热作热源制备碱式碳酸镁晶须

2022-03-04吴健松黄柳青黄保莹严大镔

盐科学与化工 2022年2期

吴健松，徐雅，黄柳青，黄保莹，严大镔

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

碱式碳酸酸镁晶须是一种重要的功能材料[1-3]。对于在实验室制备碱式碳酸镁晶须各种方法都比较成熟[4-7]。但这些文献都是在实验室中制备的，并且是利用电能加热，能耗高，且这些制备工艺参数不一定适合于用太阳能(作为热源)制备碱式碳酸镁晶须[8-10]。事实上，所有实验室方法与小试、中试以至大生产都是有一定的距离的。文章采取广东雷州盐场苦卤镁资源作为晶须生产原材料，碳酸氢钠和碳酸钠组成的混合液作沉淀剂，利用太阳能照射(和风能)照射蒸发水分析晶生产碱式碳酸镁晶须。广东雷州盐场苦卤镁资源废液一直没得到科学利用，探索如何科学地将其开采利用，对实现变废为宝有一定积极的意义。碱式碳酸镁晶须是具有一定长径比(比值一般不小于10)的纤维材料，强度和模量接近其完整晶体材料的理论值，是一种环保的、性能优异的无机补强增韧剂。同时，碱式碳酸镁晶须还是制备氧化镁和氢氧化镁晶须的重要中间体。利用太阳能制备碱式碳酸镁晶须目前还未检索到相关的报道。利用太阳能制备碱式碳酸镁晶须具有能耗低、成本低、制备流程简便的优点。文章还简要分析了从苦卤中生长碱式碳酸镁晶须的生长形态。

1 实验

1.1 试剂与仪器

分析纯碳酸氢钠和碳酸钠(广州化学试剂厂)；塑料盘(圆底，直径为80 cm)；JSM-7610F和HITACHI S-4800两种扫描电镜；X射线衍射仪(D/Max-3C型,日本日立)。

1.2 碱式碳酸镁晶须的制备

碱式碳酸镁晶须样品的制备过程如下:

(1)配制NaHCO3/Na2CO3混合液。其中，NaHCO3和Na2CO3浓度都为0.9 mol/L。

(2)取已过滤的雷州盐场苦卤10.0 L于圆底塑料盘内，然后加入NaHCO3和Na2CO3混合溶液10.0 L(充分搅拌后,不出现沉淀)。将体系置于太阳光下照射80 h(傍晚18：30无阳光时将体系移至室内)，太阳光线照射的同时，风也在将水分带走，风速大约为0.1 m/s～0.5 m/s。反应的全过程，风带走的水和太阳蒸发的水总体积约为1.6 L左右。太阳照射时，测得体系平均温度为52.6 ℃.在没有太阳时，将反应体系移入室内，太阳每天照射9 h左右，总共照射80 h。实验照射反应时间仅指太阳照射的时间，室内反应的时间不作计算。反应完毕后过滤收集沉淀，过滤洗涤样品并于70 ℃烘箱烘干(约36 h),得碱式碳酸镁晶须样品。

2 结果与讨论

2.1 苦卤主要离子组成

表1 雷州苦卤主要离子组分Tab.1 Main ionic components of Leizhou bittern

2.2 正交实验

2.2.1 太阳照射时间对碱式碳酸镁晶须的影响

保持加入的NaHCO3/Na2CO3混合液体积10.0 L不变(各组分的浓度也不变，即在这混合液中NaHCO3和Na2CO3浓度都仍然各为0.9 mol/L)，考察太阳照射时间对晶须的产率的影响。表2列出了晶须比率随照射时间的变化情况，表2中的晶须产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 whisker ratio

从表2可知，太阳照射时间80 h是最优的，延长照射时间无意义。图1列出了3个不同时间样品的SEM图，图1中的(a)、(b)、(c)反应时间分别为10 h、20 h、80 h样品的SEM图。图1(a)表明样品颗粒状，还不是晶须状；图1(b)表明样品一小部分(约35%)呈晶须状，大部分(65%)为颗粒状。图1(c)表明样品100%呈晶须状，晶须的表面光滑，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80 h。

图2是样品(c)的XRD衍射图，从图2示样品的特征衍射峰(201)、(401)、(202)、(510)等都比较尖锐，根据标准衍射JCPDF(73-2088)，可确定样品(c)正是碱式碳酸镁。经热分析和元素分析，可知其化学式为Mg2(OH)2CO3·3H2O。又经定量化学式分析，可知其纯度为97.53%(达到阻燃要求的纯度)。

图1 样品的SEM图(a)、(b)、(c)分别为反应10 h、140 h、180 h对应的样品)Fig.1 SEM image of the sample(a, b, c are the samples corresponding to the reaction for 10 h, 140 h, 180 h respectively)

图2 样品(c)的XRD衍射图Fig.2

2.2.2 加入NaHCO3/Na2CO3混合液体积对晶须的影响

保持其它条件不变，考察加入的NaHCO3/Na2CO3混合液体积对晶须的品质的影响。表3列出了晶须比率随NaHCO3/Na2CO3混合液加入体积的变化情况，表3中列出的晶须比率也是在扫描电镜下估算的。

表3 加入的NaHCO3/Na2CO3混合液体积对晶须比率的影响Tab.3 Effect of volume of NaHCO3/Na2CO3 mixture on whisker ratio

从表3可知, 加入NaHCO3/Na2CO3混合液最优体积是10.0 L(苦卤体积为10.0 L)。图3列出了3个不同的混合碱体积得到样品的SEM图，图3中的d、e、f对应混合液的体积分别为4.0 L、10.0 L、12.0 L对应的样品的SEM图。从图3可见，样品d仅有5%晶须生成；样品e全部为晶须状；样品f晶须产率已下降，约为85%左右。因此可知NaHCO3/Na2CO3混合液最优加入体积是10.0 L。低于或高于这个体积都是不理想的。

图3 样品的SEM图(d、e、f分别为反应4.0 L、10.0 L、12.0 L对应的样品)Fig.3 SEM image of the sample(d, e, f are the samples corresponding to the reaction for 4.0 L, 10.0 L, 12.0 L respectively)

2.2.3 碱式碳酸镁晶须生长基元的指认及其生长形态简述

[Mg(OH)4]2-=Mg2++4OH-

生长基元的生长过程是：

图4 碱式碳酸镁晶须生长基元傅里叶变换谱线Fig.4 Elementary of fouries transform spectrum of basic magnesium carbonate whisker growth

2.2.4 太阳光热利用讨论

太阳是一个巨大的氢气球，它以光辐射的形式每秒向太空发射3.8×1022MW的能量，相当于每秒烧掉1.32×1016t煤放出的热量，有1/22亿投射到地球上，太阳光热被大气层反射、吸收之后还有约70%到达地面上。太阳能作为一种可再生能源，与常规的煤炭、石油、天然气相比有以下特点：第一，太阳能到处皆有，就地取用，取之不尽，用之不竭，对于山区、沙漠、海岛等偏僻地区，其优越性更明显；第二，太阳能的清洁型能源，没有废气、废料，不污染环境。目前太阳能电池已在灯塔、航标、微波中继站、电围栏、铁路信号、无线电话电视接收、、电视差转、无人气象站、金属阴极保护，以及计算器、电子玩具、电子表等方面广为应用。但是，将太阳能用于化学制备还是鲜见报道。雷州盐场、青海盐湖都是位于僻远的地方，这些地方的太阳光特别充足(特别是青海盐湖)，对太阳能利来说具有得天独厚的优越性。可惜目前没有检索到有相关企业利用太阳能从卤水中提取镁类晶须，都是利用电能或天然气，这对能源短缺的当今社会来说，太阳能用于化学制备须引起学术界的重视。