利用硼酸母液制備纖維狀氫氧化鎂

曹 穎, 王國勝

(沈陽化工大學化學工程學院,遼寧沈陽 110142)

利用硼酸母液制備纖維狀氫氧化鎂

曹 穎, 王國勝

(沈陽化工大學化學工程學院,遼寧沈陽 110142)

以硼酸母液和氨水為原料制備纖維狀氫氧化鎂.經過預處理后的硼酸母液,在有表面活性劑OP乳化劑的條件下,且在一定溫度下,加入氨水進行反應,再經陳化,幾次醇洗,干燥后得纖維狀氫氧化鎂.經 X射線衍射和掃描電鏡等檢測,所得氫氧化鎂為白色纖維狀.結果表明,該工藝可將硼酸母液回收再利用.

硼酸母液; 制備; 纖維狀氫氧化鎂

氫氧化鎂可用于廢水處理[1-8],煙氣脫硫[9],阻燃劑[10],它不僅是一種產品,同時也是一種中間物質,全世界生產的氫氧化鎂中相當大一部分用于生產各種氧化鎂產品.纖維狀氫氧化鎂作為一種無機阻燃劑,除具有高效、抑煙、無毒、無公害的特點,還具有補強、增韌于一體的特性,在獲得良好阻燃、抑煙作用的同時,還可提高復合高分子材料的機械力學性能,可廣范應用于有機高分子材料和植物纖維中[11].與此同時,硫酸一步法生產硼酸其硼的總收率 (質量)在72%～75%之間[12],而實際生產中,雖然浸取率 (質量)高于 95%,總收率 (質量)卻只有 40%～45%,大部分的硼存在于硼酸母液中.近年來,前人對母液的處理研究主要有加壓析鎂法、鹽析法、多溫結晶法,但這幾種方法均因實施中的工程問題難以解決而難以工業化[12].迄今為止,盡管日本、美國及歐共體對氫氧化鎂的研究、開發及應用比較早,產品品種已經形成了系列,但纖維狀氫氧化鎂阻燃劑的研制、應用報道卻很少[11].尤其是以硼酸母液為原料制備纖維狀氫氧化鎂的研究未見報道.本文利用該方法制備出纖維狀氫氧化鎂,并對其進行了檢測.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

硼酸母液,丹東寬甸硫酸一步法生產硼酸企業;MgO,分析純,天津市博迪化工有限公司;OP乳化劑,天津市科密歐化學試劑開發中心;無水乙醇,天津市博迪化工有限公司;NH3·H2O,分析純,沈陽市東陵區紅日化工廠;H2O2,分析純,沈陽市東陵區紅日化工廠.

XET-101B溫度控制儀;CL-4型恒溫磁力攪拌器;BS124S電子分析天平;SRJK-4-15茂福爐;科通 101-1電熱鼓風干燥箱;D8 advance X射線衍射儀;JS M-6360LV掃描電子顯微鏡;循環水式真空泵 SHZ-D.

1.2 實驗步驟

根據企業提供信息母液中含有 (質量分數,%)H3BO3(3～5)、MgSO4(25～30)、H2SO4(1～2)、FeSO4(1～2)、CaSO4(0.5)、Si(0.2～0.3)等物質.首先將 50 g母液進行預處理,即取50 g母液放入三口瓶,加入 200 mL去離子水及氧化鎂,約 1.5 g,反應溫度為室溫,攪拌,反應40 min后靜置、過濾,濾餅為以硼酸鎂為主的沉淀物質,可繼續返回酸解用于制硼酸.濾液中加適量雙氧水,并用氨水調節 pH值至 7.5～8.5,經攪拌、靜置、過濾、水洗、醇洗,得濾液硫酸鎂.該硫酸鎂溶液為其中一種反應物,另一種反應物為氨水,固定反應溫度為常溫,表面活性劑選用體積分數 2%的OP乳化劑,選擇合適的 pH值為反應終點標志,然后在固定溫度下進行一段時間陳化,經幾次醇洗、干燥后得產品氫氧化鎂.

2 結果與討論

2.1 母液處理

對于相同質量的母液 (50 g)加入不同體積的雙氧水并調 pH值至 7.5～8.5后得到的產品顏色變化見表 1.由表 1可知,對于等量的反應液,當加入1.0 mL的雙氧水后,可將反應液中的二價鐵離子全部氧化為三價鐵離子.但由于在實驗過程中需要加熱升溫,為防止雙氧水分解揮發,在實驗中選擇雙氧水加入量為 1.2 mL.

表 1 雙氧水加入量與產品現象Table 1 Phenomena of the productwith different hydrogen peroxide

2.2 反應終點 pH值確定

沉鎂效率與反應終點的關系如 圖 1所示.從圖 1可看出,pH值越高沉鎂效率也越高,這是因為 pH值越高,體系中的 [OH-]濃度越大, Mg(OH)2沉淀的越完全.Mg(OH)2在水溶液中溶度積常數Ksp=[Mg2+]·[OH-]2=1.8× 10-11,因此,當溶液中存在這 2種離子且溶度積常數Ksp≥1.8×10-11時,Mg(OH)2就會沉淀析出.而氨水是弱堿,且其反應后的溶液具有緩沖作用.正是由于以上原因,使鎂沉淀并不完全.在該種情況下,為使沉鎂效率達到最高,實驗對 pH值、陳化時間和陳化溫度進行了考查.由圖 1可看出,pH值由 11增至 12沉鎂效率并沒有顯著變化,并且 pH值過高,耗氨量增大,不但不經濟,工作環境也會變惡劣.因此 pH值選用 11.

圖 1 沉鎂效率與反應終點 pH值的關系Fig.1 The influence of pH value on precipitation efficiency

2.3 陳化時間的確定

陳化時間對沉鎂效率存在一定的影響,如圖2所示.由圖 2可以看出,在一定的陳化時間范圍內,沉鎂效率隨時間延長增大幅度較大,從 30 min時的 61.2%增至60 min時的71.6%,但隨時間的繼續延長,增大的趨勢呈現穩定狀態,說明過長的陳化時間并不能對沉鎂效率有太大影響.實驗陳化時間選擇 60 min.

圖 2 陳化時間對沉鎂效率的影響Fig.2 The influence of aging t ime on precipitation efficiency

2.4 陳化溫度的確定

沉鎂效率受陳化溫度的影響較大,如圖 3所示.由圖 3可知,當陳化溫度為 40℃時,沉鎂效率很低,僅為 58.3%.原因是氫氧化鎂形成需要一定的溫度和時間,陳化溫度過低不僅不利于析出氫氧化鎂,造成比較低的沉鎂效率,而且會影響氫氧化鎂結晶的完整性.隨著陳化溫度的提高,氫氧化鎂的結晶性和沉鎂效率都有大幅度的提高,但陳化溫度升高到 70℃,沉鎂效率反而下降,原因是溫度的升高加快了氨水的揮發速度,氨水的利用率降低,另一方面,較高的溫度會增大過程的能耗.陳化溫度為 60℃時,得到最高沉鎂效率 72.8%.

圖 3 陳化溫度對沉鎂效率的影響Fig.3 The influence of aging tempreture on precipitation efficiency

2.5 產品纖維狀氫氧化鎂的表征

圖 4、圖 5分別是采用上述最佳工藝條件合成的氫氧化鎂的 XRD圖、SEM圖.

圖4 氫氧化鎂產品的XRD圖Fig.4 The XRD pattern ofmagnesium hydroxide product

圖5 氫氧化鎂產品的 SEM圖Fig.5 The SEM pattern ofmagnesium hydroxide product

由圖 4可以看出,所制得的氫氧化鎂出峰位置與標準氫氧化鎂出峰位置 (豎線位置)完全符合,而圖 4中的少量雜峰推測是氫氧化鎂結晶不完全所致,需要進一步實驗證實.圖 5表明制得的產品為纖維狀.

3 結 論

(1)利用經過處理后的硼酸母液制備納米氧化鎂,反應溫度 20～25℃,表面活性劑為體積分數 2%的OP乳化劑,通過實驗確定最佳工藝條件為:反應終點溶液 pH值為 11,陳化溫度 60℃,陳化時間 60 min.

(2)制得產品為白色纖維狀.副產品硼酸鎂返回母液,氫氧化鐵可用于制備鐵紅,硫酸銨蒸發后結晶.

[1] 何昌洪,張密林,劉俊國.氫氧化鎂在環保領域的應用[J].化學工程師,2003,99(6):49-64.

[2] 郭如新.煅燒氫氧化鎂和氫氧化鎂在環保領域中的應用[J].化工環保,1997,17(4):23.

[3] 郭如新.綠色安全中和劑氫氧化鎂[J].化工科技市場,1999,11(12):18-21.

[4] 郭如新.氫氧化鎂在工業廢水處理中的應用[J].工業水處理,2000,20(2):14.

[5] 姜述芹,周保學,于秀娟,等.氫氧化鎂處理含鎘廢水的研究[J].環境化學,2003,22(6):601-604.

[6] 姜述芹,周保學,于秀娟,等.含鎳廢水的氫氧化鎂凈化研究 [J].哈爾濱工業大學學報,2003,35 (10):1212-1215.

[7] 羅明標,劉淑娟,余亨華.氫氧化鎂處理含鈾放射性廢水的研究[J].水處理技術,2002,28(5):274 -277.

[8] 許力,王九思.氫氧化鎂對染料廢水的脫色研究[J].蘭州鐵道學院學報 (自然科學版),2002,21 (4):83-85.

[9] 王愛英,許濤,倪劉建.工業窯爐尾氣中 SO2的治理[J].科技情報開發與經濟,2004,14(1):85-87.

[10]王永強.阻燃材料及應用技術[M].北京:化學工業出版社,2003:44,75.

[11]姜玉芝,韓躍新.纖維狀氫氧化鎂阻燃劑研究現狀與展望[J].有色礦冶,2005,21(7):71-72.

[12]王文俠,李洪嶺.硫酸法生產硼酸母液回收利用技術[J].無機鹽工業,2002,34(5):33-34.

Preparation of Fibrous Magnesium Hydroxide from MotherLiquor ofBoric Acid

CAO Ying,WANG Guo-sheng
(Shenyang U niversity of Chem ical Technology,Shenyang110142,China)

Fibrous m agnesium hydroxide was being prepared by m other liquor of boric acid and amm onia.A fter pretreatm ent,with the addition of organic surfactant,in a certain temperature,amm onia reacted to produce fibrous m agnesium hydroxide via aging,washing with w ater and alcohol,and then drying. Through the determ ination of XRD and SEM,the products w ere w hite and fibrous.The result proved that the craft route and determ ining m ethod w ere practicable.

m other liquor of boric acid; preparation; fibrous m agnesium hydroxide

TQ132.2

A

1004-4639(2010)03-0199-04

2009-11-27

曹穎(1980-),女,遼寧朝陽人,工程師,碩士,主要從事硼鎂礦利用方面的研究.