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用廉价白云石制备纳米氧化镁,只需解决这两个问题!

   日期:2019-12-18     浏览:154    
纳米氧化镁是指在空间中至少一个维度小于100nm的材料。基于纳米材料的优异性能,纳米氧化镁由于兼具了氧化镁的性能和纳米材料的特点在光、热、磁等方面展现出更优异的性质,从而备受关注。
目前由于我国工业化生产氧化镁主要以菱镁石等矿石资源焙烧制备而成,氧化镁的品质受矿石品质影响较大,不利于高纯氧化镁的制备。
我国白云石资源丰富,目前已有许多制备氧化镁的工艺和方法应用于工业生产,采用白云石生产附加值更高的纳米氧化镁产品,能够有效降低产品生产成本,实现我国矿产资源的有效利用。
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白云石制备氧化镁流程
 
待解决问题
 
目前,白云石制备纳米氧化镁很少工业化生产,都是因为存在着两个问题需要解决,分别为白云石钙镁分离和团聚现象。
白云石钙镁分离
白云石矿藏作为重要的钙镁资源,在实际应用中的关键问题在于:如何成功分离白云石中的钙和镁,从而制备纯净的镁产品或钙产品。
目前,白云石中钙镁常用的分离方式包括酸解法、碳化法和铵浸法三种类型。
1.酸解法
酸解法是采用酸解剂溶解白云石,以得到相应的镁盐和钙盐,该法常用的酸解剂为盐酸和硫酸。
采用不同的酸解剂工艺具有各自的优点和缺点。采用盐酸作为酸解剂,可以同时生产镁化合物和钙化合物,原料利用率高,但是生产步骤较繁琐;而以硫酸为酸解剂一般只用于生产镁化合物,其生产过程相对更简单,可以实现一步分离钙镁离子。
酸解法是使用酸直接溶解白云石,该法不需要对白云石进行煅烧,对设备的要求不高,而且生产效率高、反应速度快,最重要的是钙镁分离度很高,故制备的钙镁产品的纯度高。但酸解法的缺点是反应过程中酸消耗量大,导致生产成本大大增加,不适用于工业化生产。
2.碳化法
碳化法也是白云石中钙镁分离常用的方式,其基本工艺流程如下:
(1)煅烧:白云石在高温条件下煅烧生成CaO和MgO粉末;
(2)消化:向上述粉末中加水消化并除去残渣后,即可得到精制的Ca(OH)2和Mg(OH)2浆体;
(3)碳化:浆体在碳化塔内用CO2气体碳化,Ca(OH)2被碳化生成CaCO3沉淀,Mg(OH)2被碳化形成可溶性镁盐Mg(HCO3)2而变成澄清液;
(4)热解:Mg(HCO3)2经煅烧后可生成轻质MgCO3,MgCO3煅烧又可制备MgO。
碳化法是目前国内工业生产中最常用的方法,但是该工艺对设备要求严格,而且操作比较复杂,不适用于实验室研究。
3.铵浸法
铵浸法是以煅烧白云石灰为原料,铵盐作为浸出剂,对钙镁进行浸取。
该法基本原理是:铵盐溶液呈酸性,在加热的条件下可与经过消化的煅烧白云石灰反应,生成可溶性的镁盐和钙盐,或者可溶性的镁盐和难溶性的钙盐。前者可以通过加入碱性物质调节溶液PH值使得镁盐转化为氢氧化镁或碳酸镁沉淀,从而分离钙和镁,后者直接过滤即可成功分离钙和镁。
相对而言,铵浸法反应条件温和、操作简单、生产成本低,而且钙镁的浸出率高,能够更有效地分离钙和镁。
团聚现象
由于纳米材料具有许多传统材料不具备的小尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应等特殊性能而被广泛应用,但纳米材料具有较大的比表面积,活性很高,极不稳定,极其容易发生团聚而失去原有的性质,降低了材料的价值,对纳米材料的制备、储存造成了一定的难度,因此,纳米材料的团聚问题是限制纳米材料发展的关键技术问题。
纳米材料的团聚分为软团聚、硬团聚两种。软团聚是由分子间作用、范德华力引起的,比较容易去除,而关于硬团聚的形成原因目前有毛细管吸附理论、氢键理论、晶桥理论、化学键作用理论、表面原子扩散键合机理五种观点,但是到目前为止,还没有统一的解释。
而对于纳米氧化镁的防团聚技术已有大量研究,主要有物理分散法和化学分散法。
物理分散是通过机械搅拌、超声作用等物理方法使纳米粒子均匀团聚现象得以改善。
化学分散是通过表面改性的方法降低纳米粒子之间的引力,对纳米粒子的表面电性、官能团、吸附性等加以改善,提高纳米粒子的分散性,改善团聚现象的一种方法。可分为以下两大类:
1.表面化学修复
(1)偶联剂法是利用偶联剂同时具有亲无机的基团和亲有机的基团,利用偶联剂对纳米粒子进行表面处理,既能改善提高纳米粉体的分散性,有效改善团聚现象,又能提高纳米粒子在其他有机材料中的相容性。
(2)酯化反应是指金属氧化物与醇的反应,对金属氧化物纳米粒子表面亲水的特性变为表面疏水,减少纳米粒子表面电荷,改善纳米离子的分散性。
(3)表面接枝改性也是常见的一种表面改性方法。利用单体在引发剂作用下在无机纳米粒子表面进行聚合反应,最终在纳米粒子表面形成包覆层,或单体聚合的同时与无机纳米粒子发生接枝反应,增大纳米粒子之间的斥力,有效改善纳米粒子的团聚问题.
2.分散剂分散
分散剂分散在湿化学法中应用较多,通过分散剂的加入,改变纳米粒子的表面电荷分布,通过静电稳定机制、空间位障稳定机制、电空间位障稳定机制三种机制达到分散效果。
(1)静电稳定机制。
通过分散剂的加入使纳米粒子与极性溶液接触面形成双电子层,增加粒子之间的静电斥力,从而达到防止团聚的目的;
(2)空间位障稳定机制。
分散剂分子吸附缠绕在纳米粒子周围,形成保护层,增大了纳米粒子之间的距离,减小了分子间作用力,从而使纳米粒子能够均匀分散.
(3)电空间位障稳定机制。
若加入的分散剂是聚合电解质,在特定情况下就能同时发挥静电稳定机制和空间位障作用起到双重稳定的效果。
水热处理就是典型的分散剂分散处理法。除了使用纯水作为溶剂外,还常加入矿化剂、表面活性剂等辅助水热处理,通过水热温度、水热时间、水热介质、表面活性剂等的改变控制晶体生长速率,生长取向,从而达到改变产物形貌、粒径、分散性的目的。
小结
随着社会的进步和科技的发展,人们对矿产资源的有效开发利用越来越受重视,以及对高强度、耐高温、多功能高附加值的复合材料的需求越来越多,以白云石为原料制备粒径均匀、分散性高的纳米氧化镁材料将会越来越受到重视。
参考来源
郭利丹.纳米氧化镁的制备及性能研究
黄春晖.白云石制备纳米氧化镁的研究
李松.高分散纳米氧化镁粒子的制备及其性能研究
王辉.球形纳米氧化镁团聚粉末的制备研究

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