（应用化学专业论文）氢氧化镁和四氧化三铁的制备及其应用研究.pdf

合肥工业大学硕士毕业论文 氢氧化镁和四氧化三铁的制备及其应用研究 摘要 目前，关于纳米氢氧化镁的制备成为镁盐开发研究的热点之一。而关 于氢氧化镁的制备，报道较多的是以氯化镁( 卤水) 为原料，论文在文献查 阅的基础上，以工业硫酸镁为原料，采用不同的沉淀剂和实验路线，开展 氢氧化镁的制备及工艺条件的优化研究工作，对含镁矿物等的综合利用具 有较大的指导意义和实际应用价值。同时，本论文在前期研究的基础上采 用水热法合成了四氧化三铁。 氢氧化镁被称为“绿色安全水处理剂，近年来引起了人们的极大关 注；同时，鉴于四氧化三铁的优越理化性能，其应用研究也日趋引起人们 的重视。本文以制备的纳米氢氧化镁和四氧化三铁作为吸附剂，分别对水 溶液中的砷( v ) 和亚甲基蓝废水进行了吸附处理研究。考查了吸附剂用量、 溶液的p h 值、吸附时间及吸附质初始浓度等因素对吸附效果的影响，并 探讨了纳米氢氧化镁和四氧化三铁吸附剂对水溶液中砷( v ) 的吸附作用机 理。结果表明，纳米氢氧化镁和四氧化三铁对水溶液中的砷( v ) 和亚甲基 蓝的吸附效果较好。同时，对水溶液中砷( v ) 的吸附量随吸附时间的变化 规律性符合l a n g m u i r 吸附等温模式，而随砷起始浓度的变化则符合 f r e u n d l i c h 吸附等温模式。 关键词：纳米氢氧化镁；四氧化三铁；吸附剂；吸附作用 t h e p r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o ns t u d yo ft h eb o t h m a g n e s i u mh y d r o x i d ea n df e r r o f e r r i co x i d e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，o nt h ep r e p a r a t i o no fm a g n e s i u mh y d r o x i d er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tt ob e c o m eo n eo ft h eh o t i nr e g a r dt ot h ep r e p a r a t i o no f m a g n e s i u mh y d r o x i d e ，m a g n e s i u mc h l o r i d ei sm o r ec o v e r a g e ( b r i n e ) a sr a w m a t e r i a l s ，r e s e a r c hp a p e r si nt h el i t e r a t u r eo nt h eb a s i so fa c c e s st oi n d u s t r i a l m a g n e s m ms u l f a t ea sr a wm a t e r i a l ，u s i n gd i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o na g e n t sa n d e x p e r i m e n t a ll i n e ，t oc a r r yo u tm a g n e s i u mh y d r o x i d e p r e p a r a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sc o n d i t i o n so fw o r ko nt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o fm a g n e s i u ma n do t h e rm i n e r a l sh a v eg r e a t e r i m p o r t a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e a tt h es a m et i m e ，i nt h i s p a p e rw eu s et h eh y d r o t h e r m a ls y n t h e s i so f f e i x o f e r r i co x i d ew h i c ho nt h eb a s i so f p r e l i m i n a r ys t u d i e s m a g n e s i u mh y d r o x i d ei sk n o w na st h e ”g r e e nw a t e rt r e a t m e n ta g e n t s e c u r i t y ”，i nr e c e n ty e a r s ，th a sa r o u s e dg r e a tc o n c e r n ；t h es a m et i m e ，i n v i e wo fi r o no x i d en a n o 。f o u rs u p e r i o rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，i t s a p p l i e dr e s e a r c ha r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ya t t r a c t e da t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ， p r e p a r a t i o no fm a g n e s i u mh y d r o x i d ea n df e r r o f e r r i co x i d ea sa na d s o r b e n t r e s p e c t i v e l y ，o ft h ea q u e o u ss o l u t i o no fa r s e n i c ( v ) a n dm e t h y l e n eb l u e a d s o r p t i o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e s e a r c h d i s c u s s e st h ea d s o r b e n td o s a g e ， s o l u t i o n p h ，a d s o r p t i o nt i m ea n di n i t i a la d s o r b a t ec o n t e n t r a t i o n o n a d s o r p t i o ne f f e c t ，a n dt oe x p l o r et h em a g n e s i u mh y d r o x i d ea n df e r r o f e r r i c o x i d es o r b e n t so na q u e o u ss o l u t i o no f a r s e n i c ( v ) a d s o r p t i o nm e c h a n i s m t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tm a g n e s i u mh y d r o x i d ea n d f e r r o f e r r i co x i d eo nt h e a q u e o u ss o l u t i o no fa r s e n i c ( v ) a n dm e t h y l e n eb l u ea d s o r p t i o ne f f e c ti s9 0 0 d m e a n w h i l e ，t h ea q u e o u ss o l u t i o no fa r s e n i c ( v ) a d s o r p t i o nc a p a c i t yw i t h a d s o r p t i o nt i m e ，t h ec h a n g e si nt h el a w si nl i n ew i t hl a n g m u i ra d s o r p t i o n i s o t h e r mm o d e l ，w h i l et h ec h a n g e sw i t ht h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f a r s e n i ci s c o n s i s t e n tw i t hf r e u n d l i c ha d s o r p t i o ni s o t h e r mm o d e l k e y w or d s ：n a n o m a g n e s i u mh y d r o x i d e ；f e r r o f e r r i c o x i d e ；a d s o r b e n t ； a d s o r p t i o n 合肥工业大学硕士毕业论文 插图清单 图2 1 制备高纯氧化镁的工艺流程图1 2 图2 2 合成实验反应装置1 2 图2 3 样品m g ( o h ) 2 ( a t ) 和m g o ( b ) 的x r d 图谱1 3 图2 4 布拉格反射的干涉示意图1 4 图2 5 样品m g ( o h ) 2 的粒度图1 5 图2 6 样品m g o 的粒度图1 5 图2 7n a o h 浓度对氧化镁纯度的影响1 7 图2 8 硫酸镁浓度对产物纯度的影响1 7 图2 9 反应温度对产物纯度的影响一1 8 图2 1 0 反应时间对产物纯度的影响1 8 图2 1 l 煅烧温度对产物纯度的影响一1 9 图2 1 2 不同煅烧温度下得到的氧化镁t e m 图2 0 图2 1 3 四氧化三铁样品的x r d 图谱2 5 图2 1 4 四氧化三铁样品的t e m 图2 6 图3 1h 3 a s 发生与吸收装置2 9 图3 2a s 去除率与吸附剂用量的关系3 0 图3 3 不同p h 值对a s ( v ) 吸附效果的影响3 0 图3 4 吸附时间对a s ( v ) 吸附的影响3 2 图3 5a s ( v ) 在不同吸附时间下的l a n g m u i r 吸附等温线3 3 图3 6a s ( v ) 在不同的起始浓度下的f r e u n d l i e h 吸附等温线3 4 图3 7 亚甲基蓝的工作曲线3 8 图3 8p h 值对吸附脱色的影响3 9 图3 9 吸附剂投加量对脱色效率的影响一4 0 图3 1 0 沉降时间对吸附脱色率的影响一4 0 图3 1 1 搅拌时间对吸附脱色率的影响一4 1 v l 合肥工业大学硕士毕业论文 表格清单 表2 1 原料与试剂1 0 表2 2 实验设备及生产厂家1 1 表2 3x 射线数据的总结分析1 4 表2 。4 相关金属离子的氢氧化物沉淀p h 值及k ；d 值1 6 表2 5 净化终点p h 值对氧化镁纯度的影响1 6 表2 6 正交实验因素与水平2 0 表2 7 氧化镁正交实验结果2 0 表2 8 不同水平下各因素对产品纯度的影响2 l 表2 9 较优水平重复实验结果2 2 表2 。1 0m g s 0 4 浓度对氧化镁纯度和产率的影响2 3 表2 1 1 反应温度对氧化镁纯度和产率的影响一2 3 表2 1 2 通气时间对氧化镁纯度和产率的影响一2 3 表2 1 3 陈化时间对氧化镁纯度和产率的影响一2 3 表2 1 4 原料与试剂2 4 表2 1 5 实验设备及生产厂家2 4 表3 1 实验主要试剂2 7 表3 2 不同吸附时间处理后的吸光度数据3l 表3 3a s ( v ) 吸附效果随吸附时间变化的实验处理数据3 2 表3 4l a n g m u i r 方程参数- 3 3 表3 5a s ( v ) 吸附效果随砷起始浓度变化的实验处理数据一3 4 表3 - 6f r e u n d l i e h 方程参数3 5 表3 7 各水样的吸光度数据3 6 表3 8 水样经吸附处理后的吸光度数据3 7 表3 - 9 亚甲基蓝工作曲线的测定数据3 8 表3 1 0 正交实验因素水平4 1 表3 1 1 正交实验结果与分析4 2 表3 1 2 正交实验因素水平：4 3 表3 1 3 正交实验结果4 4 表3 1 4 正交实验结果分析一4 4 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些太堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：f 谚铲志 签字日期：出口年年月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金墅些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：币者忑泛 签字日期：加fd 年v 月即日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 嫌与显 签字日期：二踟d 年v 月 d 日 电话： 邮编： 合肥工业大学硕士毕业论文 致谢 本论文是在柴多里老师的悉心指导和关怀下完成的。在近三年的研究 生学习期间，无论是在科研工作中，还是在生活中，柴老师都给予我悉心 的指导和照顾。柴老师和蔼可亲的笑容，直爽的性格，一丝不苟的工作作 风和学术上孜孜不倦的钻研精神深深的感动着我。同时柴老师也是我生活 中的老师，他对人的平和、亲切，对学生的关心爱护，教会了我坦诚热情 的待人处事方式。感谢柴老师在学习上对我的悉心教导，感谢柴老师一直 以来给予我们的包容和关怀。衷心祝愿柴老师事业有成，身体健康，家庭 幸福! 本论文的顺利完成也离不开实验室良好的人际关系和浓郁的学习氛 围。感谢刘忠煌、韩晓燕同学在实验过程和生活中对我的帮助，张拧，杨少 东等同学在实验方面对我提供的无私的帮助，谨向他们表示忠心的感谢。 最后还要特别感谢我的父母，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付出 给予了我精神和物质上的支持，使我最终得以完成学业。 i l l 合肥工业大学硕士毕业论文 1 1 概述 第一章绪论 氢氧化镁作为种重要的化工产品和中间体，具有吸附能力强、活性大、 缓冲性等优点l l 】，已在环保、陶瓷材料、医药等领域得到了广泛应用1 2 】。同时， 氢氧化镁以其具有的诸多优点，如氢氧化镁溶液的p h 最高不超过9 ，易于安全 操作且无腐蚀性、吸附能力强，无毒无害和易于贮存等【3 】，在环保领域也得到 了广泛的应用，主要包括酸性废水处理、印染废水脱色处理、烟气脱硫和废水 脱磷等方面( 4 1 ，被称为“绿色安全水处理剂”。而普通型氧化镁作为一种重要 的无机化工产品，主要用于耐火材料和提炼金属镁，也用于建筑材料、纸浆、肥 料、橡胶和粘合剂等1 5 。7 j 。高纯度氧化镁可以用做陶瓷原料和烧结助剂、半导体 密封原料及各种绝缘材料用的填料等，其在光学透明材料、激光材料、耐高温 器件、超导基片方面都具有应用潜力 s - t o j 。 四氧化三铁是一种重要的尖晶石类铁氧体，是应用最为广泛的软磁性材 料之一，常用作催化剂，磁性高分子微球和电子材料等，其在生物技术领域和 医学领域亦有着很好的应用前景。引。与普通的四氧化三铁相比，纳米四氧化 三铁表现出常规四氧化三铁所不具备的一些特性，如超顺磁性、小尺寸效应和量 子隧道效应等，这些特性使得四氧化三铁的研究备受瞩目f l4 1 。 1 2 镁盐生产的原料及来源 镁是地壳中含量较高，分布广的元素之一，含量位于第八位，约占地壳重 量的2 4 。在自然界中，镁只以化合物形态存在。大量的镁主要是以氯化物和 硫酸盐形式溶存于海水、卤水中。海水中镁的蕴藏量达2 1 0 1 5 t ，仅次子钠盐， 位列第二位【 l ，其主要存在形式为氯化镁，有的地区在晒盐的过程中伴生有硫 酸镁的产生。海水制盐所产生的副产品苦卤中镁的平均浓度高达约6 0 9 l ，具 有广泛的应用价值。 此外，在已知的15 0 0 种固体矿物中，含镁矿物约2 0 0 种。目前，工业开采 规模较大的含镁矿物有菱镁矿( m g c 0 3 ) 、蛇纹：e ( 3 m g o 2 s 1 0 2 2 h 2 0 ) 、白云石 ( m g c 0 3 c a c 0 3 ) 、光卤石( k c i m g c l 2 6 h 2 0 ) 、滑石( 3 m g o 4 s 1 0 2 h 2 0 ) 笙【5 】 寸o 盐湖也是一种咸化水体。盐湖卤水中盐类资源的储量十分丰富，卤水中 钾、镁、硼、锂、溴的含量远高于海水，有时镁盐的浓度竟可以达3 0 。盐湖 在世界上主要分布集中在南半球盐湖带、北半球盐湖带和赤道盐湖带【l6 1 。含镁 合肥工业大学硕士毕业论文 盐湖卤水主要有氯化物型和硫酸盐型，它也是一种极具开发应用价值的镁资源。 我国有广阔的海域，同时也是一个多盐湖国家，如，青海察尔汗盐湖m g c l 2 储 量超过3 0 1 0 8 t ，山西运城盐湖的m g c l 2 总量达6 5 1 0 8 t 。所以，我国液体镁 资源矿储十分丰富。 在含镁的固体矿中，用以制取镁化合物的原料主要是菱镁矿、白云石、蛇 纹石和水镁石等。 菱镁矿，又称菱镁石或碱菱镁苦土。m g o 的含量一般为3 5 4 7 ；c a o 含量为0 2 4 ；s i 0 2 含量o 2 8 ；f e 2 0 3 和a 1 2 0 3 含量一般在1 以下。菱 镁按其矿床成矿条件不同，可以分为晶质菱镁矿和非晶质菱镁矿两种。 蛇纹石是一种具有层状结构的天然含水硅酸镁矿物，理论化学式为 3 m g o 2 s 1 0 2 - 2 h 2 0 ，其主要有价元素为镁和硅，其理论化学组成：m 9 0 4 4 3 ， s i 0 2 4 4 1 ，h 2 0 1 2 9 ，是含镁较高的工业矿物之一；化学成分中a l 、f e 、m n 、 c r 、n i 等可替代m g ，而形成成分不同的变种【1 7 l 。我国蛇纹石储量十分丰富， 储量超过5 0x l0 s t ，仅皖南地区探明储量已达1 0 1 0 8 t 。经深加工后，可生产 一些品质优良、附加值高、市场需求紧俏的镁系列和硅系列产品，具有较高的 综合开发利用价值。 自云石是与菱镁矿同类、同族的矿物。化学分子式为c a m g ( c 0 3 ) 2 ，理论的 化学组分为c a o ：3 1 、m g o ：2 2 、c 0 2 ：4 7 。类质同象的混合物有f e ， m n 等，偶尔也有z n ，c o 和n i 。 水镁石的分子式为m g ( o h ) 2 ，理论质量分数：m g o 为6 9 ，h 2 0 为3 0 9 ， 是目前世界上已发现矿物中含氧化镁量最高的。其分子量5 8 3 3 ，为无色六方 系晶体。熔点3 4 0 ( 脱水分解) 。水镁石矿通常与方解石、滑石、雯石、石棉、 菱镁矿共生，在蛇纹石中与方镁石同时存在。在已发现的矿床中有两种类型的 水镁石：纤维状水镁石和块状水镁石。水镁石是比较稀贵的富镁非金属矿物， 大型矿床在世界各地分布不是很多。目前现已发现的水镁石矿床仅集中于少数 几个国家，如美、俄、加、朝鲜等国。我国目前的水镁石在辽宁风城、陕西宁强、 吉林等地。由于水镁石品位一般均较高，加工容易，且加工制成品具有较高的 附加值，因此，水镁石在经济上具有重要意义【l 引。 1 3 镁化合物的品种及应用 镁化合物产品在国民经济建设当中有着举足轻重的作用和地位。其中最重 要品种有氢氧化镁、氧化镁、硫酸镁、氯化镁和碳酸镁，此外，氟化镁、溴化 镁、硝酸镁、硅酸镁、高氯酸镁等也有生产。随着现代工业的发展，镁盐品种 的多样化和系列化也正在迅速发展中，例如，电子级氢氧化镁和阻燃级氢氧化 镁等专用氢氧化镁的生产与应用，高纯氧化镁、活性氧化镁、硅钢级氧化镁和 医药用氧化镁等专用氧化镁，电子级碱式碳酸镁和医药用碱式碳酸镁等碳酸镁 2 台肥工业大学硕士毕业论文 产品。除此之外，还有亚铬酸镁、锡酸镁、钨酸镁、铬酸镁、钛酸镁、硅酸锆 镁、锆酸镁等精细镁盐产品。 镁化合物产品主要应用在环保、冶金、农业、电子、医药、国防等部门。 例如：氢氧化镁阻燃剂作为一种无毒、消烟性能俱佳的无机阻燃剂，自2 0 世纪 6 0 年代问世以来越来越受到人们的关注和重视【l 明；氢氧化镁还用在环境保护 方面，可以作为酸性废水处理剂 2 0 l ；工业氧化镁、轻质碳酸镁作为橡胶工业中 的重要配合剂应用于橡胶制品，使其具有较高的机械强度，良好的耐磨性以及 耐腐蚀等性能【2 l 】；医药用氧化镁、三硅酸镁、碳酸镁以及医药用氢氧化镁等镁 化合物有的作为主料药物生产的作为，有的则作为辅料应用于医药行业【2 2 】；硫 酸镁、磷酸镁盐等用做农业中的镁肥【2 3 1 ；此外，镁化合物还在石化领域、航空 航天和国防领域、轻工业陶瓷和搪瓷领域、电子磁性材料行业、化工行业、饲 料添加剂等方面有着广泛的应用。 1 3 1 氢氧化镁的品种与用途 目前工业生产的氢氧化镁根据不同领域的需要主要有：粉末状、滤饼状和 料浆状三种类型。氢氧化镁作为无卤环保阻燃剂具有广阔的应用前景。它具有 热稳定性好、不易析出、不挥发、不腐蚀加工设备、附加值高、生产工艺简单、 抑烟作用显著、价格便宜等优点1 2 引。 作为一种环境友好型的第三种碱的弱碱，氢氧化镁在环保领域也得到了广 泛的应用，主要包括印染废水脱色处理、重金属脱除、酸性废水处理、废水脱 磷、脱铵和烟气脱硫等方面： ( 1 ) 染料废水脱色氢氧化镁具有良好的脱色效果，对阴离子染料的吸附 是静电引力的离子吸附，在脱色的同时c o d 去除率也较高。由于镁盐的价格约为 活性炭的十分之一，因此，添加镁盐作为吸附剂对反应染料进行处理是一种经 济实用的预处理方法。除此之外，氢氧化镁尚可去除废水中的色素、藻类和有 机物等。 ： ( 2 ) 酸性废水处理h i g g i n s 等人 2 5 1 比较氢氧化镁、氢氧化钙和氢氧化钠 对含硫化氢酸性废水的处理，氢氧化钠和氢氧化钙仅仅能够减少硫化氢气体的 产生，而且p h 值会达到l0 ，而氢氧化镁处理时既能减少硫化氢气体的产生又能把 p h 值控制到9 以下。在污水生化处理的预处理中，采用氢氧化镁调整酸性比烧碱 或石灰石效果更好，因为废水生化处理时，必须保证有合适的p h 值、营养条件 和碱度，用烧碱或石灰石很难控制其碱度。氢氧化镁作为水处理剂处理酸性废 水的范围很广，诸如印染、皮革、城市生活污水、电镀等废水均适用。亦适用 于含酸废气( s 0 2 ，h c i ，n o x ) 的处理。 ( 3 ) 重金属脱除【2 6 2 7 】 含重金属离子的工业废水主要来源于机械加工、矿 3 合肥工业大学硕士毕业论文 山开采业，钢铁及有色金属的冶炼和部分化工企业。氢氧化镁比表面积较大， 吸附力强，易从各种不同的工业废液中吸附并除去对环境造成危害的重金属离 子。应用时可以单独使用氢氧化镁或轻烧氧化镁，也可与其他药剂配合使用， 其处理效果优于现有的多数絮凝剂。郑荣光分别报道了用氢氧化镁处理实验室 模拟酸性含铅废水和含铬废水，研究表明，氢氧化镁在中和废水中酸的同时， 可以使铅、铬( ii i ) 离子形成沉淀，并通过氢氧化镁的吸附作用进一步去除废水 中的铅、铬( ii i ) 。采用氧化镁或氢氧化镁脱除废水中的金属离子较用氢氧化钙 方法处理，还具有生成的泥渣体积小、结构密实和易分离过滤等特点。 ( 4 ) 废水脱磷、脱氮目前国内外对于生物法脱磷脱氮进行了广泛的研究， 生物法脱磷脱氮效果较好，运行成本低，己成为除磷脱氮的主流方向，不过生 物法除磷脱氮，实际上是把水体中的磷转移至活性污泥中，因此，活性污泥中 的磷还需进一步处置，除此之外，污泥中往往含有大量的重金属，若活性污泥 处置不当，还会引起磷、重金属等的二次污染。用氢氧化镁、轻烧氧化镁、白 云石灰( m g o * c a o ) 等镁化合物除磷脱氮尽管成本略高，但是去除率高，磷最终 可被稳定化1 2 引，且可以除去某些重金属。处理小于1 2 0 0 m g l 磷酸根的污水和废 水，磷的去除率在9 0 以上。 ( 5 ) 氢氧化镁在烟气脱硫方面的应用烟气脱硫被认为是有效脱硫的主 要途径，采用镁质物料进行烟气脱硫最早始于日本，随后在欧美各国开始应用。 氢氧化镁法脱硫就是以氢氧化镁为碱性脱硫剂，把烟气中的二氧化硫吸收除去。 生成的亚硫酸镁一部分作为循环液使用，另一部分被空气氧化为硫酸镁。 ( 6 ) 氢氧化镁在其他方面的应用【2 9 j氢氧化镁晶粒尺寸小，比表面积大， 颗粒之间有很强的凝聚性不易分散，这使得氢氧化镁在高分子材料中的分散性 较差。如果将普通的氢氧化镁加入到某些高分子材料中作为阻燃剂使用，将会 大大影响材料的机械强度和抗冲击性能，因此，作阻燃剂时必须经过特殊的处 理，使之具备特殊的结构。由于氢氧化镁的开始分解温度为3 4 0 ，热稳定性比 氢氧化铝高，受热分解产生水，同时吸收热量，并且分解后无腐蚀性和有害性 的物质产生，既能降低所填充材料的温度，又不污染环境，不腐蚀模具，被称 为“环境友好型阻燃剂”，可以广泛的应用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、三 元乙丙橡胶及不饱和聚酯等高分子材料的阻燃、消烟。 随着我国工业的进一步发展，氢氧化镁的应用会越来越广泛，对氢氧化镁 的需求量也将会越来越大。 1 3 2 氧化镁的品种与用途f 3 0 l 在众多的镁化合物产品中，氧化镁产量最大，用途最广，占有相当重要的 地位。我国氧化镁产品按用途消费主要分为冶金镁砂或耐火材料级氧化镁、化 4 合肥工业大学硕士毕业论文 工类氧化镁、建筑用氧化镁和试剂用氧化镁四大类。其中，化工类氧化镁又根 据生产氧化镁所采用的工艺条件不同( 特别是焙烧温度的不同) ，其物理化学性 质( 包括吸附性能、化学活性、容重、导热性等) 不同而分为轻质、重质、磁 性氧化镁等。 氧化镁品种规格多，生产方法多样。由于原料及工艺的不同可生产出不同 性能和不同用途的产品，以下做简单的介绍：1 ) 轻质氧化镁，主要用于搪瓷、 陶瓷、耐火材料等的制造，还用于医药浅色塑料和橡胶制品的填充剂和补强剂， 油漆、纸张填料，食品和饲料添加剂等；2 ) 重质氧化镁，主要用于碾磨工业制 粉末和半滚筒。在建筑工业中用于制造人造化学地板、人造大理石和隔音板， 在塑料工业中用作填充剂；3 ) 磁性氧化镁，主要用于无线电高频磁棒天线，代 替铁氧体，亦可用于制造耐火纤维和其他耐火材料等；4 ) 轻烧镁粉，主要用作 镁水泥、金属镁和镁化合物及制造碱性耐火材料的辅助原料；5 ) 活性氧化镁， 其化学组成、物理形态与普通氧化镁没有太大区别，但其比表面积较大，是制 备高功能精细无机材料、电子元件、油墨、有害气体吸附剂的重要原料：6 ) 烧 结氧化镁，由于活性低，主要用于热绝缘材料、高温炉衬里以及制造碱性耐火 材料及坩锅；7 ) 电熔氧化镁，其高温性能好，如耐热性、耐碱性、耐高温熔融 金属的腐蚀性、常温传导性优良，可用作闸带材、热电偶和高温计量器材料， 用它制造高级耐火材料镁碳砖可在转炉炼钢及炉外精炼上应用，用它烧成的氧 化镁陶瓷比氧化铝陶瓷有更好的耐高温性能，在冶金工业上有广泛用途。 1 4 氢氧化镁的制备方法 目前，制备纳米氢氧化镁的方法主要是液相化学法和常温固相法。液相化 学法又分为直接沉淀法、水热反应法、沉淀一共沸蒸馏法和反向沉淀法等。 1 4 1 液相化学法 ( 1 ) 直接沉淀法直接沉淀法是在镁盐溶液中加入沉淀剂，仅通过沉淀、 过滤、洗涤和干燥等简单的操作就可以得到纳米氢氧化镁。该法操作简单易行， 对设备、技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度高，有良好的化学计量比， 制备成本较低；但产品粒度较大，粒度分布较宽1 3 1 l 。 ( 2 ) 水热反应法水热反应法是以水为溶剂，在一定压力和温度下，进行 化学反应的方法。与常温常压相比，水热条件下物质的物理化学性能都有很大 变化，既可产生新的化学反应，也可使反应速度大大提高：通过在水热条件下 控制粒子的生长速度，可制得形貌、结构和大小均可控制的产物p 2 1 。 ( 3 ) 沉淀一共沸蒸馏法戴焰林等采用沉淀一共沸蒸馏法成功分散了均匀 的纳米m g ( o h ) 2 粉体，利用正丁醇能与水形成共沸物的特性，可有效脱除 m g ( o h ) 2 胶体中的水分，从而克服硬团聚的产生，得到粒径为5 0 - 7 0l l m 的六 方晶系纳米氢氧化镁粉体p 3 。 合肥工业大学硕士毕业论文 ( 4 ) 反向沉淀法与直接沉淀法相比，反向沉淀法能够使反应体系的p h 值始终处于碱性范围内，使氢氧化镁颗粒表面始终带负电，有效地避免了团聚 体的产生，可获得粒度小，分布均匀的纳米氢氧化镁颗粒【3 引。 ( 5 ) 微波合成法吴健松等用自制的微波一水热高压釜制备出了分散性 好、纯度高的氢氧化镁晶须，晶须产率达8 0 ，而且该方法工艺简单，成本低， 效益高，可望进一步中试p 引。 ( 6 ) 超重力技术制备法宋云华等利用超重力技术制备出了粒径为7 0 i l m ，六方晶型的片状纳米氢氧化镁。试验所用设备为超重力机，也叫旋转填料 床( r p b ) 。该设备由一个形状如桶状的旋转填料床构成，它可用于气固、液 固、液液和气液固三相系统【m 】。 1 4 2 常温固相法 宋兴富等以自制的六铵氯化镁为原料，采用常温固相法制备出了杂质含量 低于o 3 ，平均粒径为1 5 8r i m 的超细氢氧化镁【3 7 1 。 1 s 四氧化三铁的制备方法及应用 四氧化三铁的合成方法众多，主要分为化学法、物理法和物化综合法。化 学法按分散介质种类来分可划分为气相法、液相法和固相法。 1 5 1 四氧化三铁的化学液相法制备 ( 1 ) 共沉淀法它是在有两种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，这种多 元体系的溶液经过沉淀反应后，可得到成分均一的沉淀。目前最普遍的使用方 法，是按照如下方程： f e 2 十+ 2 f e 3 + + 8 0 h - f e 3 0 4 + 4 h 2 0 为反应原理进行的p 引。 ( 2 ) 溶胶一凝胶法此法利用金属醇盐的水解和聚合反应制备金属氧化物 或金属氢氧化物的均匀溶胶，再浓缩成透明凝胶，凝胶经干燥，热处理可得到 氧化物超微粉。x uj i n g 等【3 9 l 用f e ( n 0 3 ) 3 9 h 2 0 作为铁源，溶解在乙二醇中， 在8 0 下制得溶胶，多步烘干后，在真空条件下对所得粉末进行2 0 0 - - 4 0 0 退火，得到f e 3 0 4 纳米颗粒。 ( 3 ) 溶剂热法l iy a d o n g 等【4 0 】用f e c l 3 - 6 h 2o 在乙二醇中进行溶剂热反 应，在2 0 0 ，反应8 7 2h ，制得单分散f e 3 0 4 单晶纳米颗粒，产率高达9 2 。 根据反应时间不同，可以控制颗粒的粒度为2 0 0 8 0 0n r l l ，该粒度与人体蛋白质 细胞大小接近，表现出了良好的生物相容性，将对纳米生物学进展有着较大的 推动作用。 ( 4 ) 微乳液法柴波1 4 1 】对油包水( w o ) 型微乳液进行了制备研究，利用 拟三元相图探明了一定条件下的w 0 型微乳液中的最佳体系。进而利用此 6 合肥工业大学硕士毕业论文 w o 型微乳液作为“微反应器 制备f e 3 0 4 纳米粒子。 1 5 2 四氧化三铁的应用 ( 1 ) 微波吸收材料纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不 具备的光学特性。研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制备成各种光学 材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。f e 3 0 4 磁性纳米粉由于具有 高的磁导率，可以作为铁氧体吸波材料的一种，应用在微波吸收方面。周一平 等【4 2 j 用共沉淀方法制备的f e 3 0 4 颗粒与p a n i 复合体系制备轻质吸波材料。研 究表明，该种材料是一种轻质强吸收宽带微波吸收材料，有较好的应用前景。 ( 2 ) 催化剂近年来，用二氧化钛做光催化剂具有氧化活性高、稳定性好， 且对人体无毒等优点，用来处理工业废水中的有机与无机污染物是一种十分有 效的方法。利用二氧化钛包裹四氧化三铁所制各出来的磁性复合光催化剂，在 废水处理后，靠磁场的作用，可使催化剂得到有效的回收，回收后的催化剂又 可以被重新利用”引。 ( 3 ) 磁记录材料和磁性液体纳米f e 3 0 4 的另一个重要用途是用来做磁记 录材料。纳米f e 3 0 4 由于其尺寸小，其磁结构由多畴变为单畴，具有非常高的 矫顽力，用来做磁记录材料可以大大提高信噪比，改善图像质量，而且可以达 到信息记录的高密度【4 引。纳米f e 3 0 4 的工业应用中，用途最广的就是磁流体， 又叫磁性液体。它既有固体的强磁性又有液体的流变性，其流动性和分布可由 外加磁场实施定向和定位控制。因此在分选矿物、快速印刷、音圈散热、真空 密封、精密研磨、传感器和宇航技术等领域获得广泛的应用1 4 4 4 6 1 。 ( 4 ) 生物医药随着现代医药的快速发展，纳米f e 3 0 4 在医药方面正在逐 步得到重要应用。例如，纳米f e 3 0 4 微粒作为造影剂、显影剂等研究；在靶向 药物方面，利用f e 3 0 4 作为吸附剂，利用磁分离技术来制备生物高分子微球等 研究已成为当前生物医学的热门课题。此外，还有如视网膜脱离的血流的磁测 量、修复手术、细胞磁分离、肿瘤的高热治疗、免疫测定等等【4 卜5 0 】。 1 6本论文的选题意义和主要研究工作 1 6 1 本论文的选题意义 纳米材料被誉为2 1 世纪的新材料，其物理化学性质不同于微观原子、分子， 也不同于宏观物体。纳米介于宏观世界与微观世界之间，纳米粒子的这类特殊 类型结构导致它具有表面效应，量子尺寸效应，体积效应和宏观量子隧道效应 等，被广泛的用作催化剂、陶瓷材料、润滑剂、建筑材料、绝缘材料等。因此 纳米材料的制备、性质等的研究成为近2 0 年来国内外的研究热点之一。 我国是镁资源大国，但长期以来对于镁资源的有效利用未给予高度重视， 盐化工行业每年也产生大量镁盐，但利用率不足2 0 ，其余均处于闲置状态。 7 合肥工业大学硕士毕业论文 目前主要是加工技术含量和附加值低的六水氯化镁或以矿石的形式直接出口， 这对资源造成了极大的浪费。因此，研究开发具有高附加值的超细氢氧化镁和高 纯氧化镁材料并拓宽其应用领域，对提升我国在镁质材料利用方面的技术能力 和优势镁资源的市场竞争力，具有十分重要的经济价值和实用意义。 近年来已发展了多种制备四氧化三铁的方法，总体上可以分为两大类，即 固相法和液相法。固相法的典型特征是以固相物质作为反应物，不经过溶液过程 而制备出目标产物的方法。近年来，直流电弧等离子体法、热分解方法和球磨方 法是研究较多的四氧化三铁的固相制备方法：而液相法则以液态体系为反应前 驱体系，经过沉淀、脱水和结晶等过程，制备得到四氧化三铁。由于四氧化三铁 有极其广泛的用途，近年来，国内外很多学者都致力于新的制备方法的研究，以 期得到粒径分布范围窄、粒径小、操作简单、成本低的四氧化三铁。 1 6 2 本论文的主要研究工作 本课题得到了安徽高校省级自然科学研究重点计划项目( k j 2 0 0 8 a 0 6 6 ) 资 助。 目前，关于纳米氢氧化镁的制备成为镁盐开发研究的热点之一。而关于氢 氧化镁的制备，报道较多的是以氯化镁( 卤水) 为原料，论文在文献查阅的基础 上，以工业硫酸镁为原料，拟采用不同的沉淀剂和实验路线，开展氢氧化镁的 制备及工艺条件的优化研究工作，对含镁矿物等的综合利用具有较大的指导意 义和实际应用价值。同时，鉴于四氧化三铁的优越理化性能，其应用研究日趋 引起人们的重视，本论文在前期研究的基础上合成了四氧化三铁，并对其吸附 性能进行了研究，具有较现实的理论指导意义。 本课题研究的主要内容为： 1 纳米氢氧化镁和高纯氧化镁的制备 以工业硫酸镁为镁源，分别以氢氧化钠和氨气作为沉淀剂，在一定的条件 下反应得到纳米氢氧化镁产品。将所得到的氢氧化镁产品，经煅烧得到产物高 纯氧化镁。通过单因素实验和正交实验对工艺条件进行优化，并运用相关的测 试方法对产品进行检测。 2 四氧化三铁的制备 一定量的硫酸亚铁溶解后，恒温水浴，滴加适量双氧水缓慢搅拌，片刻后 滴加定量的氢氧化钠溶液至所需p h 值。将反应液倒入反应釜中，升温，在设定 的温度下继续反应一段时间，冷却，过滤分离。洗涤、干燥后即得四氧化三铁 产物。 3 氢氧化镁和四氧化三铁的应用研究 配制一系列所需的含砷水溶液和含次甲基蓝染料的模拟废水，以氢氧化镁 合肥工业大学硕士毕业论文 和四氧化三铁做为吸附剂，在一定的条件下进行吸附实验。运用相应的检测方 法对吸附后的试液进行分析，研究氢氧化镁和四氧化三铁的吸附效果，同时对 一些可能影响实验结果的因素进行优化实验。 9 合肥工业大学硕士毕业论文 2 1引言 第二章氢氧化镁和四氧化三铁的制各研究 近年来有关氢氧化镁的研究、合作开发、生产活动十分活跃，世界上许多 知名化学公司均在积极参与氢氧化镁的研究、开发和生产。在纳米氢氧化镁的 制备开发上，美国、日本等国家已有商品化的产品销售，我国大多还停留在实 验室阶段，与国外相比还存在一定的差距。因此，研究开发具有高附加值的超 细氢氧化镁材料并拓宽其应用领域，对提升我国在镁质材料利用方面的技术能 力和优势镁资源的市场竞争力，具有十分重要的经济价值和实用意义【3 1 1 。 目前，国内外科技工作者在制备四氧化三铁上的方法总体上可分为湿法和 干法【5 ，但是在制备工艺或者使用设备等方面，还需要进一步完善以适应产业 化的要求。因此，研究可重复性和批量生产相同品质的f e 3 0 4 纳米粒子的工艺和 方法仍然任重道远。这既需要从制备工艺和生产实践着手，又需要从反应机理、 反应理论着眼；既需要化学界的努力，也需要材料和物理等学科的合作。可以预 期，通过多方面的共同努力，纳米f e 3 0 4 粒子的制备研究定会取得更加丰硕的 成果0 4 。 2 2纳米氢氧化镁及高纯氧化镁的制备实验 2 2 1 实验主要原料及仪器 表2 - 1 原料与试剂 1 0 合肥工业大学硕士毕业论文 表2 - 2 实验设备及生产厂家 设备名称生产厂家 增力电动搅拌机 电动搅拌机调速机 f c l 0 4 电子天平 s h b 型循环水式真空泵 p h s 3 c 型精密p h 计 s x 2 8 1 0 箱式电阻炉 d m a x yb 型x r a y 衍射仪 日立h 一8 0 0 型透射电子显微镜 b t 一9 3 0 0 h 型激光粒度分布仪 常州国华电器有限公司 常州国华电器有限公司 上海精密科学仪器有限公司 郑州长城科工贸有限公司 上海精科天平仪器 上海实验电炉厂 日本理学公司 日本日立公司 丹东市百特仪器有限公司 2 2 2 纳米氢氧化镁及高纯氧化镁的制各 2 2 2 1 实验原理 工业硫酸镁加水溶解，经过净化、除杂( h 2 0 2 ) ，得到精制的硫酸镁溶液， 加入沉淀剂( n a o h 溶液) ，经沉淀、过滤后，得到氢氧化镁前驱体，再经干 燥、煅烧后得到终产物( 高纯氧化镁) 。 主要化学反应方程式为： 2 f e 计+ h 2 0 2 十2 h 十一一2 f e j + + 2 h 2 0 f e + + 3 0 h 一一f e ( o h ) 3 土 m g s 0 4 7 h 2 0 + 2 n a o h 一一m g ( o h ) 2 l + n a 2 s 0 4 + 7 h 2 0 m g ( o h ) 2 一- - * m g o + h 2 0 2 2 2 2 制备高纯氧化镁的工艺流程图 合肥工业大学硕士毕业论文 图2 - 1 制备高纯氧化镁的工艺流程图 2 2 2 3 合成实验反应装置图 图2 - 2 合成实验反应装置( 1 、滴液漏斗；2 、电动搅拌桨：3 、三口 烧瓶；4 、恒温水浴锅) 2 2 2 4 合成实验操作及产品纯度检测方法 合成实验操作。取一定量的工业硫酸镁，按所需浓度要求加入定量的水溶 解。然后加入h 2 0 2 ( v h 2 0