吳健松，簡 藝，許立淼

(1.廣東茂名幼兒師范專科學(xué)校，廣東茂名 525000；2.嶺南師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東湛江 524048)

廣東雷州沿海地帶利用海水生產(chǎn)的食鹽(NaCl)是人們生活必不可少的生活物質(zhì)。然而，海水產(chǎn)鹽后留下的廢液卻一直沒得到科學(xué)利用。這種廢液氯化鎂濃度非常高，如果能將其合理利用，使其作為生產(chǎn)鎂類晶須的原材料，那就是典型的變廢為寶的范例[1-2]。若未能及時(shí)利用，不僅浪費(fèi)資源，且會嚴(yán)重傷害鹽場周邊的生態(tài)環(huán)境。堿式氯化鎂晶須是具有一定長徑比(通常要求這個(gè)比值不小于10)的單晶纖維材料，其晶體結(jié)構(gòu)比較完整，內(nèi)部缺陷少，強(qiáng)度和模量均接近其完整晶體材料的理論值，是一種環(huán)保的、力學(xué)性能十分優(yōu)異的新型材料、補(bǔ)強(qiáng)增韌劑。它是一條狀的、具纖維狀的晶體[3-4]。同時(shí)，堿式氯化鎂晶須還是制備其他鎂類晶須例如氧化鎂和氫氧化鎂晶須的重要中間體[5-7]。對于堿式氯化鎂晶須的實(shí)驗(yàn)室制備方法已比較成熟，但利用太陽能和自然風(fēng)的方法制備卻未檢索到相關(guān)的報(bào)道。利用太陽能和自然風(fēng)制備堿式氯化鎂晶須具有能耗低、成本低、制備簡便的優(yōu)點(diǎn)。文章探索了利用太陽能和自然風(fēng)的手段制備了堿式氯化鎂晶須，得到較優(yōu)的堿濃度和反應(yīng)時(shí)間，這些制備參數(shù)可為下一步小試提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

直徑為80 cm圓底塑料盤；掃描電鏡使用HITACHI S-4800(日本)和PHILIPS-SL-30 (日本)兩種；X射線衍射儀(D/Max-3C型,日本日立)；元素分析儀之一(非金屬類型)(ULTIMA型，法國JY公司)，元素分析儀之二(金屬型)(PE2400 SeriesⅡ CHNS/O，美國)，飛利浦掃描電鏡(日本日立)，分析純NaOH(廣州化學(xué)試劑廠)。熱分析采用 TG-DTA320(Seikoinstruments),N2氣氛, 溫度范圍為50 ℃～1 030 ℃, 升溫速率10 ℃/min。

1.2 堿式氯化鎂晶須的制備

堿式氯化鎂晶須樣品的制備過程如下:

(1)配制0.6 mol/L NaOH溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 雷州苦鹵主要離子組成和簡單除雜

表1 雷州鹽場苦鹵主要離子組分分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of main ion components of bittern in Lei Zhou Saltern

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

2.2.1 太陽照射時(shí)間對晶須的影響

保持NaOH溶液的濃度為0.6 mol/L及加入體積2.5 L不變，考察太陽照射時(shí)間對晶須的品質(zhì)(長徑比、分散性、晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)即晶須比率等)的影響。表2列出了晶須比率隨照射時(shí)間的變化情況，晶須比率是在掃描電鏡下估算的。

表2 太陽照射時(shí)間對晶須比率的影響Tab.2 Effect of solar irradiation time on whister ratio

從表2可知，太陽照射時(shí)間以96 h為最優(yōu)，延長時(shí)間無意義。圖1列出三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)樣品的SEM圖，圖1中的(a)、(b)、(c)反應(yīng)時(shí)間分別為30 h、84 h、96 h樣品的SEM圖。圖1(a)表明樣品均為片狀顆粒，還不具備晶須狀。圖1(b)表明樣品大部分(約80%)呈晶須狀，小部分(20%)為顆粒狀，晶須表面光滑，無明顯雜質(zhì)沾染，長徑比大于10，分散性尚可。圖1(c)表明樣品均呈晶須狀，晶須表面光滑，純度高無明顯雜質(zhì)沾染，長徑比大于10，分散性好，表明照射最優(yōu)時(shí)間為96 h。

圖1 樣品的SEM圖(a、b、c分別為反應(yīng)30 h、84 h、96 h對應(yīng)的樣品)Fig.1 SEM image of the sample (a, b, c are samples corresponding to the reaction for 30 h, 84 h and 96 h respectively)

圖2為樣品(c)的XRD衍射圖，從圖2可見樣品的特征衍射峰(011)、(112)、(202)、(310)等都比較尖銳，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)衍射(JCPDF-76-1401)，可確定樣品(c)正是堿式氯化鎂。

圖2 圖1樣品(c)的XRD衍射圖Fig.2 XRD diffraction pattern of sample (c) in Image 1

2.2.2 堿(NaOH)的濃度對晶須的影響

保持其它條件不變，考察堿濃度對晶須品質(zhì)的影響。表3列出晶須比率隨堿濃度的變化情況，晶須比率是在掃描電鏡下估算的。

表3 堿的濃度對晶須比率的影響Tab.3 Effect of alkali concentration on whisker ratio

從表3可知，最優(yōu)堿濃度為0.6mol/L。圖3列出了3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)樣品的SEM圖，圖3中的d、e、f、g對應(yīng)堿的濃度分別為0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、2.0 mol/L樣品的SEM圖。從圖3可見，樣品d僅有約10%為晶須，其他90%為片狀或顆粒狀；樣品e有約80%為晶須狀，且晶須粗細(xì)不均勻；樣品f 100%為晶須狀，且晶須粗細(xì)均勻，表面光滑，無其它沾染物，純度高；樣品g為無定形。因此得知堿的濃度以0.6 mol/L為最優(yōu)。太大或太小都不利于晶須生長。

圖3 樣品的SEM圖(d、e、f、g分別對應(yīng)堿濃度為0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、2.0 mol/L的樣品)Fig.3 SEM image of the sample(d, e, f, g correspond to samples with alkali concentrations of 0.2 mol/L, 0.4 mol/L,0.6 mol/L and 2.0 mol/L respectively)

圖4為圖3樣品(f)的XRD衍射圖，從圖4可見樣品的特征衍射峰(011)、(112)、(031)、(122)(202)、(310)等都比較尖銳，同樣根據(jù)堿式氯化鎂標(biāo)準(zhǔn)衍射(JCPDF-76-1401)，可確定樣品(f)也是堿式氯化鎂。

圖4 樣品(f)的XRD衍射Fig.4 XRD diffraction pattern of sample (f)

將樣品(f)作熱分析，得圖5。從圖5可見，樣品TG曲線上有兩個(gè)顯著的失重峰，分別對應(yīng)失去4個(gè)結(jié)晶水(4個(gè)結(jié)晶水在化學(xué)式中的比重為25.087%)、6個(gè)羥基和1個(gè)氯化氫(6個(gè)羥基即3個(gè)水，再加上1個(gè)氯化氫，它們之和在化學(xué)式中的比重為35.53%)，結(jié)合元素分析(見表4,根據(jù)元素摩爾比Mg、Cl、H比率，可得元素在化學(xué)式中的比例)，可知樣品(f)的化學(xué)式為3Mg(OH)2·Mg(OH)Cl·4H2O

圖5 樣品(f)的熱重分析圖Fig.5 Thermogravimetric analysis diagram of sample(f)

表4 樣品(f)的元素分析Tab.4 Effectal analysis of sample(f)

3 結(jié)論

以雷州鹽場苦鹵為原料，氫氧化鈉為沉淀劑，有效地利用太陽能為熱源成功地制備了堿式氯化鎂晶須，生產(chǎn)成本低，化學(xué)工藝簡單易行。用正交法試驗(yàn)了最優(yōu)加入堿的濃度是0.6 mol/L,最佳太陽照射時(shí)間是96 h，這些制備參數(shù)可為苦鹵化工提供借鑒。