吳 丹，張文燕，路紹琰，張 輝，張 琦，黃西平

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

近年來，氧化鎂水化法制備氫氧化鎂的研究較多[1-4]，其原料主要來源為菱鎂礦煅燒的氧化鎂。菱鎂礦儲量豐富，其煅燒生產(chǎn)氧化鎂工藝簡單，為水化法提供了大量原材料[5-6]。此外，氯化鎂也是氧化鎂原料的來源之一[7-8]。海水中存在大量鎂資源，尤其食鹽工業(yè)產(chǎn)生大量的氯化鎂，鹽湖中氯化鎂的儲量也相當(dāng)豐富，由氯化鎂煅燒得到的氧化鎂水化也可制備氫氧化鎂。雖然氫氧化鎂可由氧化鎂水化制得，然而并不是所有的氧化鎂都能很容易地與水反應(yīng)而生成氫氧化鎂。輕燒氧化鎂能跟水完全反應(yīng)生成氫氧化鎂，而重?zé)椭袩趸V則不能完全反應(yīng)[9]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

試劑。輕燒粉(MgO)，青海西部鎂業(yè)，工業(yè)級，活性(檸檬酸法)1 min 50 s；氯化銨(NH4Cl)和硫酸銨((NH4)2SO4)，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，分析純；蒸餾水，分析純。

儀器。METTLER PL403 精密電子天平；2NCLT10000ML 智能恒溫電加熱磁力攪拌器；DH-101 恒溫干燥箱；KSY-15 型馬弗爐。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

純水體系。稱取一定量MgO溶于蒸餾水中，配成懸浮液置于四口燒瓶中，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后抽濾得到白色固體，在烘箱中80 ℃烘干12 h，產(chǎn)物測定水化率。

銨鹽體系。稱取一定量蒸餾水置于四口燒瓶中，隨后加入一定摩爾比的調(diào)漿后的MgO和NH4Cl或 (NH4)2SO4溶液，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的NH3用硫酸溶液吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后抽濾得到白色固體，用無水乙醇洗滌至濾液遇硝酸銀溶液不產(chǎn)生沉淀為止，洗去水溶性雜質(zhì)，在烘箱中80 ℃烘干12 h，產(chǎn)物測定水化率。

1.3 氧化鎂水化率的測定

將干燥后的水化產(chǎn)物經(jīng)500 ℃煅燒2 h，使氫氧化鎂完全分解，用下公式計(jì)算水化率:

式中：η——水化率；m1——水化產(chǎn)物干燥完全后煅燒前質(zhì)量；m2——水化產(chǎn)物煅燒后質(zhì)量。

1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、固液比、攪拌速度作為因素，將其各自3種變化作為水平，采用正交表L9(34)，以MgO水化率為考核指標(biāo)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，共安排9次實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)表如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal experimental

2 結(jié)果與討論

2.1 純水體系氧化鎂水化實(shí)驗(yàn)

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中各因素對應(yīng)的極差，反應(yīng)了該因素水平的變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度。極差越大，表示該因素水平的變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度越大。

純水體系極差分析如表2所示。

表2 純水體系極差分析表Tab.2 Range analysis of pure water system

表2的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對MgO水化率的影響主次順序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間>固液比>反應(yīng)溫度>攪拌速度。較優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：反應(yīng)溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h，固液比1 ∶10，攪拌速度500 r/min。

極差分析不能估計(jì)實(shí)驗(yàn)中以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果測定中必然存在的誤差大小，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用方差分析的方法。此實(shí)驗(yàn)所用正交表除各因素列以外，無空白列作對照，所以誤差分析只能取相對誤差，將均方最小的因素對應(yīng)的方差歸為誤差。取顯著性水平A=0.05，方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 純水體系方差分析表Tab.3 Analysis of variance of pure water system

表3的方差分析結(jié)果表明,反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和固液比對MgO水化率有顯著的影響，而攪拌速度的影響可以忽略。

2.2 氯化銨體系氧化鎂水化實(shí)驗(yàn)

氯化銨體系極差分析如表4所示。

表4 氯化銨體系極差分析表Tab.4 Range analysis table of ammonium chloride system

表4的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對MgO水化率的影響主次順序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>固液比>攪拌速度。加入NH4Cl為水化劑，主要影響因素變?yōu)榉磻?yīng)溫度，其次是反應(yīng)時(shí)間。

氯化銨體系方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 氯化銨體系方差分析表Tab.5 Analysis of variance of ammonium chloride system

表5的方差分析結(jié)果表明，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對MgO水化率都有比較顯著的影響，而固液比的影響較弱，攪拌速度的影響可以忽略。較優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：反應(yīng)溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h，固液比1 ∶10，攪拌速度200 r/min。

2.3 硫酸銨體系氧化鎂水化實(shí)驗(yàn)

硫酸銨體系極差分析如表6所示。

表6 硫酸銨體系極差分析表Tab.6 Range analysis table of ammonium sulfate system

表6的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因素對MgO水化率的影響主次順序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>攪拌速度>固液比。加入(NH4)2SO4為水化劑，主要影響因素也變?yōu)榉磻?yīng)溫度，其次是反應(yīng)時(shí)間。

硫酸銨體系方差分析結(jié)果如表7所示。

表7 硫酸銨體系方差分析表Tab.7 Analysis of variance of ammonium sulfate system

表7的方差分析結(jié)果表明,反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對MgO水化率都有比較顯著的影響，而攪拌速度的影響較弱，固液比的影響可以忽略。較優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：反應(yīng)溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h，固液比1 ∶10，攪拌速度800 r/min。

2.4 小結(jié)

純水體系中，反應(yīng)時(shí)間影響最大，而在銨鹽體系中，反應(yīng)溫度影響最大。反應(yīng)溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間3 h，固液比1 ∶10，純水體系中，MgO的水化率最高可達(dá)80.75%。氯化銨體系可以加速M(fèi)gO水化，水化率最高可達(dá)98.84%。而硫酸銨體系MgO的水化率最高只有68.45%，且普遍偏低。

純水體系中，MgO水化反應(yīng)的方程式可表示為[9]：

MgO(s)+H2O(l)→MgOH+(surface)+OH-(aq)

MgOH+(surface)+OH-(aq)→MgOH+·OH-(surface)

MgOH+·OH-(surface)→Mg2+(aq)+2OH-(aq)

Mg2+(aq)+2OH-(aq)→Mg(OH)2(s)

銨鹽體系中，MgO水化反應(yīng)的方程式可表示為[12]：

MgO(s)+H2O(l)→Mg(OH)2(s)

NH4OH(aq)→NH3(g)↑+H2O(aq)

3 結(jié)論與展望

MgO水化法技術(shù)路線新穎，工藝簡單，原料廉價(jià)易得，且利用率高，生產(chǎn)成本較低，對環(huán)境無污染，具有較高的工業(yè)價(jià)值，是一種具有發(fā)展?jié)摿Σ⑦m合中國國情的方法。我國目前是世界上最大的輕燒粉出口國，有極大的資源優(yōu)勢。用輕燒粉做原料，采用水合工藝生產(chǎn)氫氧化鎂，可以提升產(chǎn)品的附加值，有利于促進(jìn)氫氧化鎂制備工藝技術(shù)的改革與進(jìn)步，有利于促進(jìn)氫氧化鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。