梁 海， 王婉婷， 王國(guó)勝

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 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(yīng)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(qiáng)劑[19-23].

關(guān)于堿式氯化鎂的制備，已經(jīng)有文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)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(jiàn)報(bào)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(wèn)題.將過(guò)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(yīng)生成氯化鎂，另一部分輕燒粉中的MgO與得到的MgCl2反應(yīng)，過(guò)濾去雜質(zhì)得到鎂液，靜置得到堿式氯化鎂.實(shí)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(jiǎn)單，操作容易，產(chǎn)品純度高.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

工業(yè)輕燒粉 (表1)，濃鹽酸37 %(質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)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(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h.將整個(gè)溶液過(guò)濾，濾液在室溫下靜置2 d,過(guò)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(shí)驗(yàn)表征結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)用工業(yè)輕燒粉進(jìn)行能譜分析，得其組成見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對(duì)比，樣品均與堿式氯化鎂的標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS 07—0412)吻合，沒(méi)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(yīng)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(dāng)輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比為0.75∶1時(shí)，堿式氯化鎂的直徑約為500 nm，減小到0.5∶1時(shí)，堿式氯化鎂的直徑約為200 nm.原料配比在0.75∶1～0.5∶1時(shí)能夠得到堿式氯化鎂晶須，在原料配比為0.65∶1時(shí)，堿式氯化鎂的產(chǎn)量最高(如圖5所示).當(dāng)輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比大于0.75∶1時(shí)，由于加入輕燒粉過(guò)多，溶液變?yōu)楹隣顭o(wú)法過(guò)濾，當(dāng)輕燒粉中的MgO與鹽酸的摩爾比小于0.5∶1時(shí)，沒(méi)有得到堿式氯化鎂沉淀，最佳反應(yīng)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(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，1 154.02 cm-1處是OH-與Mg配位形成的振動(dòng)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(yīng)機(jī)理的研究

輕燒粉首先與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，其中MgO、Ca和Fe等元素與鹽酸反應(yīng)生成含有MgCl2、CaCl2和FeCl3等溶質(zhì)的溶液，過(guò)量輕燒粉中的MgO再與溶液中的MgCl2反應(yīng).MgO首先發(fā)生水解反應(yīng)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(jìn)Mg(OH)2的溶解，[Mg—(OH)4]2-和[Mg—Cl4]2-再與溶液中的Mg2+和11個(gè)H2O反應(yīng)得到分子式為Mg2(OH)3Cl·4H2O的堿式氯化鎂.

主要總反應(yīng)方程式：

MgO+2HCl→MgCl2+H2O

3MgO+MgCl2+11H2O→

2Mg2(OH)3Cl·4H2O

反應(yīng)機(jī)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(huì)溶解在生成的MgCl2溶液中，是因?yàn)镸gO與MgCl2發(fā)生了上述配位反應(yīng)，待MgO溶解完全后就可以進(jìn)行第一次過(guò)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(guò)濾得到的重鎂水中含有的離子配位體濃度低，反應(yīng)速度慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，須靜置2 d才能得到堿式氯化鎂.第二次過(guò)濾則是將水溶液中的雜質(zhì)過(guò)濾掉，經(jīng)過(guò)反復(fù)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(yīng)溫度50 ℃，反應(yīng)時(shí)間2 h時(shí)，輕燒粉中的氧化鎂與鹽酸摩爾比在0.75∶1～0.5∶1時(shí)，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(xué)的角度合理地解釋了此方法的反應(yīng)機(jī)理.

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