利用工业轻烧粉合成碱式氯化镁晶须的方法

利用工业轻烧粉合成碱式氯化镁晶须的方法
梁海;王婉婷;王国胜
【摘要】采用盐酸和轻烧粉为原料合成碱式氯化镁晶须(MHCH).利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(IR)等手段对碱式氯化镁晶须进行表征.结果表明:所制备的碱式氯化镁的分子式为Mg2 (OH)3 C1·4H2O,粒径约为100～300nm,晶须长度大于20 μm.轻烧粉中的MgO与盐酸的摩尔比在
0.75∶1～0.5∶1可以得到形貌较好的碱式氯化镁晶须.合成碱式氯化镁的适宜条件为:轻烧粉中的MgO与盐酸的摩尔比为0.65∶1,反应温度50℃,反应时间2h.此外,利用配位化学理论合理地解释了轻烧粉与盐酸的反应机理.
【期刊名称】《沈阳化工大学学报》
【年(卷),期】2014(028)001
【总页数】5页(P10-14)
【关键词】碱式氯化镁;晶须;轻烧粉
【作者】梁海;王婉婷;王国胜
【作者单位】沈阳化工大学化学工程学院,辽宁沈阳110142;沈阳化工大学化学工程学院,辽宁沈阳110142;沈阳化工大学化学工程学院,辽宁沈阳110142
【正文语种】中文
【中图分类】O611.3
碱式镁盐由于其具有晶须[1-5]、纳米线[6-7]、纳米棒[8-10]、纳米带[11]的一维
形貌，在很多领域具有较好的应用[12-14]，也可以做为Mg(OH)2[15-16]和
MgO[9]的前驱体.碱式氯化镁晶须作为一种一维的纳米材料，其分子式为
xMg(OH)2·yMgCl2·zH2O (x,y,z=1,2,3…)[17]，最早由Sorel[18]发现，存在于水泥中.其被用于水泥、纸张、橡胶等材料的添加剂、增强剂[19-23].
关于碱式氯化镁的制备，已经有文献进行了报道.Fan Weiliu[6]以MgO和MgCl2为原料，采用水热法合成了碱式氯化镁晶须.Wei Q[8]采用水溶液法以MgO和MgCl2为原料合成了碱式氯化镁晶须.Wu Jiansong[17]等人以MgCl2和NaOH
为原料合成了碱式氯化镁晶须.本文采用轻烧粉及盐酸为原料的合成方法未见报道. 本文介绍一种一步法，由工业轻烧粉制备碱式氯化镁，解决了轻烧粉的除杂问题.
将过量的轻烧粉加入到盐酸中，一部分轻烧粉将与盐酸发生酸碱中和反应生成氯化镁，另一部分轻烧粉中的MgO与得到的MgCl2反应，过滤去杂质得到镁液，静置得到碱式氯化镁.实现了一步由工业轻烧粉和盐酸合成碱式氯化镁，其工艺简单，操作容易，产品纯度高.
1 实验部分
1.1 实验原料与仪器
工业轻烧粉 (表1)，浓盐酸37 %(质量分数，AR)，聚乙二醇10000 (AR)，NaOH (AR).
表1 轻烧粉的组成 Table 1 Composition of magnesite组成w/%MgO90.13 CaO1.52Fe元素0.51Si元素1.70其他不溶物6.14
高低真空扫描电子显微镜 (SEM) (JEOL JSM-6360LV)，能谱仪 (Quest Level Ⅱ),X射线衍射仪 (XRD) (Bruker D8 Advance),红外光谱仪 (IR).
1.2 实验方法
将轻烧粉缓慢加入到200 mL HCl溶液m(HCl)∶m(H2O)中，轻烧粉中的MgO
与盐酸的摩尔比为0.75∶1、0.7∶1、0.65∶1、0.6∶1、0.55∶1、0.5∶1，加入
少量聚乙二醇分散剂，反应温度50 ℃，反应时间2 h.将整个溶液过滤，滤液在室温下静置2 d,过滤得到碱式氯化镁沉淀.分别用水和乙醇洗涤数次，在真空干燥箱
内50 ℃干燥4 h,得到白色的碱式氯化镁粉体.
2 结果与讨论
2.1 实验表征结果
对实验用工业轻烧粉进行能谱分析，得其组成见表1.图1为原料轻烧粉的能谱图，其主要元素是Mg，并含有少量的Ca、Fe、Si等杂质.图2是轻烧粉的SEM图，
从图2中可以看出轻烧粉的形貌为1 μm左右的颗粒.
图1 原料轻烧粉的能谱图 Fig.1 EDS pattern of magnesite
图2 原料轻烧粉的SEM图 Fig.2 SEM image of magnesite
图3 为轻烧粉中的MgO与盐酸不同摩尔比的碱式氯化镁的XRD图谱，与标准PDF卡片对比，样品均与碱式氯化镁的标准卡片(JCPDS 07—0412)吻合，没有其他杂质的衍射峰，证明得到了纯度较高的碱式氯化镁，其分子式为
Mg2(OH)3Cl·4H2O.
图4是相应的碱式氯化镁的SEM图，从图4中可以看出：碱式氯化镁都具有很好的纤维结构，分散均匀.随着轻烧粉中的MgO量的减少，制得的碱式氯化镁晶须
的直径也随之变小，当轻烧粉中的MgO与盐酸的摩尔比为0.75∶1时，碱式氯化镁的直径约为500 nm，减小到0.5∶1时，碱式氯化镁的直径约为200 nm.原料
配比在0.75∶1～0.5∶1时能够得到碱式氯化镁晶须，在原料配比为0.65∶1时，碱式氯化镁的产量最高(如图5所示).当轻烧粉中的MgO与盐酸的摩尔比大于
0.75∶1时，由于加入轻烧粉过多，溶液变为糊状无法过滤，当轻烧粉中的MgO
与盐酸的摩尔比小于0.5∶1时，没有得到碱式氯化镁沉淀，最佳反应配比为
0.65∶1.
图6为原料摩尔配比为0.65∶1的碱式氯化镁的IR谱图，3 434.04cm-1附近的
吸收峰为O—H伸缩振动频率，在3 608.25 cm-1和3 656.21 cm-1处是结晶水的吸收峰，在1 631.71 cm-1附近是碱式氯化镁结晶水的H—O—H变形振动产生的吸收峰，1 154.02 cm-1处是OH-与Mg配位形成的振动峰.
图3 碱式氯化镁的XRD图谱 Fig.3 XRD pattern of sample MHCH
图4 轻烧粉与盐酸不同摩尔比的碱式氯化镁SEM图 Fig.4 SEM images of sample MHCH
图5 碱式氯化镁的产量变化曲线 Fig.5 The relationship between molar ratio of magnesite to hydrochloric acid and yield of MHCH
图6 碱式氯化镁的IR图谱 Fig.6 IR pattern of MHCH
2.2 反应机理的研究
轻烧粉首先与盐酸发生反应，其中MgO、Ca和Fe等元素与盐酸反应生成含有MgCl2、CaCl2和FeCl3等溶质的溶液，过量轻烧粉中的MgO再与溶液中的MgCl2反应.MgO首先发生水解反应生成Mg(OH)2，溶解的Mg(OH)2电离为Mg2+和OH-，然后溶液中的Mg2+作为中心离子分别与Cl-和OH-配位体配位形成离子配合物[Mg—(OH)4]2-和[Mg—Cl4]2-[10]，促进Mg(OH)2的溶解，[Mg—(OH)4]2-和[Mg—Cl4]2-再与溶液中的Mg2+和11个H2O反应得到分子式为Mg2(OH)3Cl·4H2O的碱式氯化镁.
主要总反应方程式：
MgO+2HCl→MgCl2+H2O
3MgO+MgCl2+11H2O→
2Mg2(OH)3Cl·4H2O
反应机理方程式如下：
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
轻烧粉中的MgO之所以会溶解在生成的MgCl2溶液中，是因为MgO与MgCl2发生了上述配位反应，待MgO溶解完全后就可以进行第一次过滤，将一部分不溶物杂质去除.但Mg与其他金属相比配位能力较低，所以，在MgO“溶于”氯化
镁溶液之后过滤得到的重镁水中含有的离子配位体浓度低，反应速度慢，反应时间较长，须静置2 d才能得到碱式氯化镁.第二次过滤则是将水溶液中的杂质过滤掉，经过反复洗涤后得到纯度较高的碱式氯化镁晶须.
3 结论
以工业轻烧粉为原料合成了碱式氯化镁晶须.反应温度50 ℃，反应时间2 h时，轻烧粉中的氧化镁与盐酸摩尔比在0.75∶1～0.5∶1时，都可以得到碱式氯化镁，最适宜的摩尔配比为0.65∶1.随着MgO量的减少，碱式氯化镁的产量降低，直径也随之减小.并从配位化学的角度合理地解释了此方法的反应机理.
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