利用太阳能和自然风制备碱式硫酸镁晶须

2022-04-11吴健松罗嘉慧李康艳钟雨诗

盐科学与化工 2022年3期

吴健松，罗嘉慧，李康艳，钟雨诗

(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)

碱式硫酸镁晶须是一种重要的功能材料[1-4]。对于在实验室制备多种晶须，各种方法都比较成熟[5-10]。但是很多实验室方法存在不能进行大规模生产，或者方法根本就不能面向实际的生产应用。文章采取湛江雷州盐场苦卤镁资源作为生产原材料，氢氧化钠和硫酸钠组成的混合液作沉淀剂，利用太阳能(风能)照射蒸发水分析晶生产碱式硫酸镁晶须，对科学利用太阳能有一定的开创性。雷州苦卤镁资源废液一直没得到科学利用，探索如何将其合理利用，使其作为生产镁类晶须的原材料，对实现变废为宝具有积极意义。碱式硫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，晶体结构比较完整，晶体缺陷少，强度和模量接近其完整晶体材料的理论值，是一种环保、性能优异的无机补强增韧剂。同时，碱式硫酸镁晶须还是制备氧化镁和氢氧化镁晶须的重要中间体。利用太阳能和自然风的方法制备目前还未检索到相关报道,利用太阳能(和风能)制备碱式硫酸镁晶须具有能耗低、成本低、制备流程简便的优点。文章探索利用太阳能蒸发的手段制备碱式硫酸镁晶须，得到较优的太阳照射时间、沉淀剂浓度等各种制备参数，这些参数可为下一步小试提供理论依据。

1 实验

1.1 试剂与仪器

分析纯NaOH和Na2SO4(均为广州化学试剂厂生产)。塑料盘(直径为80 cm，圆底)；扫描电镜(HITACHI S-4800，日本)；X射线衍射仪(D/Max-3C型,日本日立)；元素分析仪器之一是(ULTIMA型，法国JY公司，非金属元素类型)，元素分析仪器之二(PE2400 SeriesⅡ CHNS/O，金属类型元素，美国)；热分析仪器是采用 TG-DTA320 (Seikoinstruments),N2气氛,温度范围:50 ℃～1 030 ℃,升温速率10 ℃/min。

1.2 碱式硫酸镁晶须的制备

碱式硫酸镁晶须样品制备过程如下:

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

2 结果与讨论

2.1 苦卤主要离子组成和简单除杂

表1列出了雷州苦卤主要离子组分分析结果(Na+、K+对晶须的生长无影响，它们的浓度未列表1中)。

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

2.2 正交实验

2.2.1 太阳照射时间对晶须的影响

保持加入的NaOH/Na2SO4混合液体积2.5 L不变(各组分的浓度也不变，即在这混合液中NaOH浓度为0.20 mol/L，Na2SO4浓度为1.2 mol/L)，考察太阳照射时间对晶须的(分散性、长径比、晶须质量分数(也即)晶须比率)影响。表2列出了晶须比率随照射时间的变化情况，表2中晶须比率在扫描电镜下估算。

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180 h是最优的，延长照射时间无意义。图1列出了三个不同时间样品的SEM图，图1中的a、b、c反应时间分别为60 h、140 h、180 h样品的SEM图。图1(a)表明样品均为丝带状，还不具晶须状；图1(b)表明样品大部分(约60%)呈晶须状，小部分(40%)为颗粒状，晶须表面光滑且无明显杂质沾染，长径比大于10，分散性一般。图1(c)表明样品全部呈晶须状，晶须表面光滑，纯度高且无明显杂质沾染，长径比大于10，分散性好，表明照射最优时间为180 h。

图1 样品的SEM图(a、b、c分别为反应60 h、140 h、180 h对应的样品)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)

图2是样品(c)的XRD衍射图，如图2所示，样品的特征衍射峰(201)、(202)、(203)、(714)等都比较尖锐，根据标准衍射(JCPDF-861322)，可确定样品(c)是碱式硫酸镁。经热分析和元素分析，可知其化学式为5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O。又经定量化学式分析，可知其纯度为96.61%(达到阻燃要求的纯度)。

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

2.2.2 加入NaOH/Na2SO4混合液体积对晶须影响

保持其它条件不变，考察加入的NaOH/Na2SO4混合液体积对晶须品质的影响。表3列出晶须比率随NaOH/Na2SO4混合液体积的变化情况，表3列出的晶须比率在扫描电镜下估算。

表3 加入的NaOH/Na2SO4混合液体积对晶须比率的影响Tab.3 Effect of volume of NaOH/Na2SO4 mixture on whisker ratio

从表3可知,加入NaOH/Na2SO4混合液最优体积是2.5 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(d)、(e)、(f)对应碱的体积分别为0.5 L、1.5 L、3.0 L对应的样品的SEM图。从图3可见，样品(d)没有晶须生成；样品(e)约0.5%为晶须状；样品(f)仅有15%为晶须；当加入NaOH/Na2SO4混合液体积为2.5 L时得到的样品是图1中的样品(c)，即样品全部为晶须(由于在图上中已经将最好的样品(c)列出，因此在图2中不再插入样品(c)的SEM图)。因此可知NaOH/Na2SO4混合液最优加入体积是2.5 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0.5 L、1.0 L、3.0 L对应的样品)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 碱式硫酸镁晶须生长基元的指认

根据文献[11]的方法，将样品c晶须生长液pH值随时间变化的函数关系(通过matlab程序)作傅里叶变换并作图，得图4。

图4 傅里叶变换谱线图Fig.4 Fourier transform spectrum

2.2.4 太阳光热利用讨论

此前，从苦卤中制备碱式硫酸镁晶须主要是利用电能、天然气燃烧放出的热能，至今没有检索到利用太阳光热作为热源的，文章合理地利用太阳光热作为热源，成功制备了碱式硫酸镁晶须，有效节约成本，且生产工艺简单可行。太阳能作为天赋能源，取之不尽，用之不竭。我国太阳能资源十分丰富，具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。近年来，国家扶持太阳能光热利用力度不断加大，先后启动实施太阳能光伏发电项目特许权招标、太阳示范工程，制定出台太阳能利用优惠政策和分布式光伏发电财政补贴政策等。因此，在不久的将来，利用太阳能从苦卤中提取各种工能材料将成为必然。