沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究.pdf

沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究摘要近年来，可控形貌的碳酸镁和氢氧化镁作为重要的无机材料在医药品、化妆 品、橡胶方面都有广泛的应用，引起了人们广泛的兴趣。本文通过简单的沉淀法 可控地制备出具有特殊形貌的碳酸镁和氢氧化镁，研究了反应条件对它们的形貌 和晶体结构的影响，并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透 射电子显微镜（TEM）和热分析（TG-DTA）进行了表征分析。初步探讨了它们 的形成机理。主要内容和研究结果如下：1.沉淀法制备棒状碱式碳酸镁在不用任何模版和表面活性剂的情况下，利用Mg（NO3）2-6H2O和K2c作为 原料合成了表面为树叶状的棒状结构。通过改变温度，产物的形貌由表面光滑的 棒状结构变为表面为树叶状的棒状结构，其相应的成分也由MgCO33H2O变成了 Mg5（CO3）4（OH）2-4H2Oo2.超声波沉淀法制备木耳状碱式碳酸镁以Mg（NO3）2*6H2O和Na2c。3作为原料，在超声作用下通过调节温度合成了 各种形状碳酸镁的微结构。在70时，产物为木耳状结构，这种木耳状结构是 由厚度为10-20 nm的纳米片自组装而成；在60时，产物的形状跟70形状 类似，但是薄片的厚度由1020nm变成了几纳米；产物在40。（3时，产物变为半 径为0.5即、长为10即 的棒状结构；随着形貌由木耳状结构变为棒状结构，产 物的成分也由 MgCO33H2。变成了 Mg5（CO3）4（OH）2-4H2Oo3.模版法制备棒状碱式碳酸镁利用Na2CO3和Mg（NO3）2-6H2O作为原料制备出了半径为0.5/gm.长为 1020国11的棒状碳酸镁。利用棒状的碳酸镁作为模版，不加入任何化学试剂，只 是通过升高温度制备出了半径为2国班长为10-20阿表面为树叶状的棒状结构。XRD结构表明最后的产物为Mg5（CO3）4（OH）2-4H2Oo4.沉淀法制备花球状的氢氧化镁以MgCl2-6H2O和NH3 H2O为反应物，在常压下用简单的沉淀法制备出了花 球状的Mg(OH)2o SEM表明由厚度为50 nm的纳米片堆积而成的花球的半径为3 pim,且形貌均一。最后产物的形貌与反应温度和NH3-H2。的用量有关。(a)当反 应温度为70%：时，最后的产物为半径为1 Rm的薄片状结构；温度为50。(3时，最后的产物为玫瑰花状结构；当温度为40时，最后的产物为花球状结构。(b)当NH3 H2O的用量为10 ml时，最后的产物为1-2 pm的薄片状结构；当NH3 H2O 的用量为10 ml时，最后的产物为薄片的聚集体：当NH3H2。的用量为5 ml时，最后的产物为花球状结构。关键词：沉淀法；木耳状；表面为树叶状的棒状结构；花球状；碱式碳酸镁；氢氧化镁PRECIPITATION METHOD SYNTHESIS ANDCHARACTERIZATION OF BASIC MAGNESIUMCARBONATE AND MAGNESIUM HYDROXIDEABSTRACTIn recent years,basic magnesium carbonate and magnesium hydroxide with well controlled morphology as important inorganic materials have recently attracted a lot of interest because of their potential applications in rubber,medicine,cosmetics.In this paper,method was employed to the preparation of basic magnesium carbonate and magnesium hydroxide with special morphological.The as-obtained products were characterized by X-ray powder diffraction(XRD),field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM),transmission electron microscopy,differential thermal analysis(DTA)and thennogravimetric analysis(TG).The formation mechanisms of different morphologies are analyzed.The main results are as follows:1.Precipitation synthesis and characterization of Mg5(CO3)4(OH)2*4H2O microrods with a surface of“house of cards structureBasic magnesium carbonate(Mg5(CO3)4(OH)2*4H2O)microrods with a surface of“house of cards”structure have been synthesized in an aqueous solution system without using any surfactants or templates during the precipitation process.By tuning the reaction temperature,the morphology evolved from microrod to microrod with a surface of“house of cards“structure.It was found that with the morphological transformation,their corresponding compositions also change from MgCO3-3H2O to Mg5(CO3)4(OH)2-4H2O.2.Sonochemical reaction synthesis and characterization of tremella-likeinMg5(CO3)4(OH)2-4H2OVarious morphologies of magnesium carbonate hydrates have been synthesized by carefully adjusting the reaction temperature under ultrasonic irradiation using magnesium nitrate and sodium carbonate as starting materials.At 70,the morphology of the as-synthesized sample is tremella-like nanostructures.At 60C,the morphology of the as-synthesized sample is similar to the morphology at 70.But the thickness of the nanosheets is about several nanometers.At 40,only rodlike features are observed,the individual rods are about 0.5 pm in diameters and nearly up to 10 pm in length.It was found that with the morphological transformation from nanorods to tremella-like nanosheets,their corresponding compositions also change from MgCO3-3H2O to Mg5(CO3)4(OH)2-4H2O.3.Template synthesis and characterization of Mg5(CO3)4(OH)2 4H2O microrods with a surface of“house of cards“structureRodlike MgCChOHzO of width around 0.5-1|im and length of 10-20 micrometers have been synthesized using magnesium nitrate and sodium carbonate as starting materials.Basic magnesium carbonate(Mg5(CO3)4(OH)2*4H2O)microrods with a surface of“house of cards“structure of width around 2 gm and length of 10-20 micrometers have been synthesized using rodlike particles of magnesium carbonate trihydrate as templates without adding any chemical reagent.XRD analysis revealed the as-synthesized sample is Mg5(CO3)4(OH)2*4H2O.4.Precipitation synthesis and characterization of Mg(OH)2 petaloid microspheresMagnesium hydroxide(Mg(OH)2)petaloid microspheres have been synthesized by a facile aqueous solution route at nomal pressure,using ammonia solution and magnesium chloride as the starting reaction reagents.The average diameter of individual petaloid microspheres,composed of compact nanosheets with an average thickness of about 50 nm,is about 3 pm.(a)When the reaction temperature is performed at 70,the Mg(OH)2 products mainly display a lamellar shape with a size of about 1pm(Fig.5a).When the reaction is decreased to 50,a rose-like morphology which is completely composed of nanosheets can be observed,(b)When the amount of aqueous ammonia is 10 ml,the products display a lamellar morphology with a size of 1-2 pm.When the amount of aqueous ammonia is decreased to 7 ml,aggregated plates can be obtained.This structure is loose with an irregular shape and it rvseems to be underdeveloped.When the amount of aqueous ammonia is further decreased to 5 ml,Mg(0H)2 petaloid microspheres can be obtained.KEY WORDS:precipitation method,tremella-Iike nanostructures,microrods with a surface of“house of cards“structure,petaloid microspheres,basic magnesium carbonate,magnesium hydroxidev沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。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做了 明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期：年 月 日64青岛科技大学研究生学位论文关于论文使用授权的声明本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、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。本人授权学校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。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）本学位论文属于：保密口，在 年解密后适用于本声明。不保密口。（请在以上方框内打y”）本人签名：日期：年 月 日导师签名：日期：年 月 日65青岛科技大学研究生学位论文第一章绪论1.1 前言纳米材料口是以纳米尺度（10-9m）的物质单元为基础，按一定规律构筑的 一种具有全新结构的超细材料，即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量（1-100 nm）的材料。纳米结构指的是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定的规律构筑 或营造的一种新体系，它包括一维、二维和三维体系。这些物质单元包括稳定的 原子团簇、纳米微粒，纳米管、纳米棒、纳米线以及纳米结构的薄膜等。纳米技 术是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。进入 21世纪，世界纳米技术迅速发展，给信息、医疗、自动化、能源等领域以及人类 生活带来许多新的变化。纳米材料由于结构独特而具有奇异的特性，这些新特性 为提高当前的科学技术水平，改变生产、生活方式甚至改变国家力量等都具有极 其重要的作用。由于纳米结构既具有纳米微粒的特性，如量子尺寸效应、小尺寸 效应、表面效应等，又存在纳米结构组合产生的耦合效应和协同效应等。人们通 过对纳米尺度上的构筑与组装的微观控制，可能实现对纳米结构各方面的宏观控 制，在增强材料硬度、延展性、磁性、光电性能、选择性吸附、催化等物理化学 方面有所突破。微纳米碳酸镁和氢氧化镁是随着纳米材料的发展而诞生的一种新型高功能精 细无机材料，由于其具有不同于本体材料的热、光、电、力学和化学等特殊性能,而被广泛应用于高级陶瓷材料、阻燃材料、电气绝缘材料、化妆品、油漆、橡胶 填充剂、酸性气体吸附剂、催化剂载体等领域13在国民经济建设中有着举足轻 重的作用和地位。1.2 纳米材料的一般分类及性质纳米材料从其尺寸上可分为4类：（1）纳米微粒（零维材料），（2）直径为纳米 量级的管、棒、线、纤维（一维材料），（3）厚度为纳米量级的薄膜与多层膜（二维 材料），（4）基于上述低维材料所构成的致密或非致密固体（三维材料）。其中，一 维纳米材料是指两维尺寸在纳米范围内、另一维尺寸较大的纳米材料。它又分 为：（a）纳米线区叫截面为圆形、纵横比（长度与直径之比）较大的一维纳米结构（其 中纵横比小的称为纳米棒电）；（b）纳米管0，1叫具有中空结构、截面为圆环状 沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究的一维纳米结构；(C)纳米带网场，截面为窄矩形、具有扁平结构的一维纳米结 构。纳米材料是纳米技术的物化与表现。从通常的关于微观和宏观的观点来看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种处在原子簇和宏观 物体交界的介观系统，其基本特性包括“表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和 宏观量子隧道效应”，正是由于这些特性使得纳米材料在许多方面呈现出不同于体 相材料的特性和优越的性能。它具有以下一些特殊性质：(1)小尺寸效应纳米材料的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的 相干波长或透射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特性即呈现新的效应。纳米材料的小尺寸效应主要表现在以下两个 方面：(a)熔点降低。随着粒径的减小，纳米材料的表面能和表面结合能都迅速 增大，因而引起熔点低；(b)活性表面的出现。由于表面原子周围缺少相邻的原 子，有许多悬空键，具有不饱和性质，因而随着纳米材料中表面原子数的增加而 出现活性表面。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态 转为无序态；超导相转为正常相；声子谱发生改变等。例如：纳米微粒的熔点远 低于块状金属；纳米金属颗粒多呈黑色，其对光的反射率通常低于1%；纳米强 磁性颗粒尺寸为单畴临界条件时，具有甚高的矫顽力。(2)表面效应“刀表面效应是指纳米材料的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧 增大后所引起的性质上的变化。纳米材料的表面原子数与总原子数之比随粒径减 小而急剧增大，当粒径降至Inm时，表面原子数的比例己达99%,原子几乎全部 集中到表面。众所周知，固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时，表面原子可忽略；但当粒径逐渐接近原子直径时，原子表面的数目及作用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能都发生很大 的变化从而引起一些特异效应。纳米材料表面原子数增多，表面原子的晶体场环 境和结合能与内部不同，表面原子周围缺乏相邻的原子，有许多悬空键，易与其 它原子结合而稳定下来，所以具有很强的化学活性，并且其表面能也大大增加。表面能的增加也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。(3)量子尺寸效应口用各种元素的原子具有特定的光谱线，对此量子力学已经能用能级的概念进行 2青岛科技大学研究生学位论文合理的解释。由无数的原子构成宏观固体时，单独原子的能级就会合并成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此能带可以看成是连续的。从能 带理论出发能够成功地解释大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。对于 介于原子、分子与宏观固体之间的纳米材料而言，宏观固体中连续的能带将分裂 为独立的能级。根据Kubo理论，自由电子数为N的超微粒子，相邻的电子能级 平均间距6与N成反比，用数学式可表示为3=4E“3N,其中6为能级间距，Ef 为费米能级,N为总原子数。宏观物质包含无限个原子即N-8,则能级间距30,而纳米材料由于包含原子数有限，即N值较小，这就导致3有一定的值，即能级 间距发生分裂，费米能级附近的电子能级变为分离能级，这种现象称为量子尺寸 效应。量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米材料的吸收光谱的边界蓝移。这 是由于在半导体纳米晶粒中，光照产生的电子和空穴不再自由，即存在库仑作用，此电子空穴对类似于宏观晶体材料中的激子。由于空间中的强烈束缚导致激子吸 收峰蓝移，边带以及导带中更高激发态均相应蓝移，并且其电子-空穴对的有效质 量越小，电子和空穴受到的影响越明显，吸收值就越向更高光子能量偏移，量子 尺寸效应就越显著。纳米材料的量子尺寸效应直接导致纳米材料的一系列特殊性 质，如高度的光学非线性、特异的化学和光催化性能等。(4)宏观量子隧道效应口组量子力学中微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。电子具有粒子性又 具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化 强度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势 垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应(macroscopic quantum tunneling,MQT)O这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带或磁盘进行信息存储的最短时间。因此，在制造半导体集成电 路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件 无法正常工作。以上四种效应是纳米材料的基本特性，同时纳米材料也还有其它一些特殊性 质。比如：在通常情况下对于粗晶粒金属来说容易产生移动位错，因而金属通常 是延展的。当晶体尺寸减小到其本身的应力不能再移动位错源时，金属就变得相 当坚硬。在这种情况的临界长度下，打开这个位错源的应力就变得比已知金属的 屈服应力大得多，这使得纳米材料不仅具有更高强度和高硬度，而且也具有良好 的塑性和韧性。3沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究1.3 沉淀法1.3.1 沉淀法简介沉淀法20-22是液相化学反应合成纳米金属氧化物粉体最常用的方法之一。它 是指在含有一种或多种离子的可溶性盐中加入沉淀剂，或在一定温度下使盐溶液 发生水解，使原料中的阳离子反应生成沉淀从溶液中析出，再将沉淀过滤、洗涤、干燥、焙烧制得纳米氧化物产品。与其它方法相比，沉淀法具有反应过程简单，生产成本低，适合工业化生产等优点；但沉淀法存在沉淀水洗、过滤困难，沉淀 剂作为杂质易混入，水洗时部分沉淀重新发生溶解等缺点。沉淀法包括均匀沉淀 法、直接沉淀法、沉淀转化法、络合沉淀法等。1.均匀沉淀法均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶粒子在溶液中缓慢、均匀地 释放出来。在这种方法中，必须控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢增加，从而 使溶液中的沉淀过程处于拟平衡状态，沉淀在整个溶液中均匀出现。常用的沉淀 剂有尿素等氨类化合物。均匀沉淀法具有以下特点：均匀沉淀法制备的沉淀物颗 粒结晶性良好，且均匀而致密，便于过滤和洗涤；均匀沉淀法中，控制好反应体 系的pH值，就可以避免溶液中杂质的共沉淀，得到的产物纯度高；生产成本较 高，生产控制要求严格。2.直接沉淀法直接沉淀法是在可溶性盐溶液中直接加入沉淀剂，于一定条件下生成沉淀，再将沉淀物过滤、洗涤、干燥、热分解得到纳米氧化物粉体。直接沉淀法制备纳 米粉体具有以下优缺点：成本低，设备简单、操作简便易行，有良好的化学计量 性；不易引入其它杂质，产品的纯度高；产品的粒度分布较宽；洗涤去除原溶液 中的阴离子较困难。3.沉淀转化法沉淀转化法是指在可溶性盐溶液中加入沉淀剂生成沉淀后，再向沉淀中加入 一定量的沉淀转化剂，加热回流，使原来的沉淀转化为所需要的氧化物沉淀，再 将沉淀物过滤、洗涤、干燥，即得纳米氧化物粉体。与其它沉淀法相比，沉淀转 化法省略了前驱体热分解的过程，可直接从溶液中制得产物，从而简化了工艺过 程。4.络合沉淀法络合沉淀法中反应物不是直接和沉淀剂发生反应，而是通过先与络合剂反应 4青岛科技大学研究生学位论文生成络合物再和沉淀剂反应得到沉淀物，然后将沉淀物过滤、洗涤、干燥、热分 解，得到纳米氧化物。络合沉淀法中络合物转化成沉淀是整个反应过程的控制步 骤，构晶离子均匀地分布在溶液的各个部分，能够确保在整个溶液中均匀地生成 沉淀。此方法具有操作简便、原料易得、生产成本低、产物纯度高的特点。1.3.2 超声波.化学沉淀法制备纳米材料超声化学是利用超声能量加速和控制化学反应，提高反应产率和引发新的化 学反应的一门边缘学科。超声化学主要源于声空穴液体中空腔的形成、振荡、生 长收缩及崩溃，以及引发的物理和化学变化。液体声空化过程是集中声场能量并 迅速释放的过程12刃。空化泡崩溃时，在极短时间和空化泡的极小空间内，产生5000 K以上的高温和大约5.05xl08Pa的高压，速度变化率高达1010 Ks,并伴生强烈 的冲击波和时速高达400 km的微射流，这就为在一般条件下难以实现或不能实 现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反应通道。其现象包括两个方面，即强超声在液体中产生气泡和气泡在强超声作用下的特殊 运动。在液体内施加超声场，当超声强度足够大时，会使液体中产生成群的气泡，成为“声空化泡工这些气泡同时受到强超声的作用，在经历声的稀疏相和压缩相 时，气泡生长、收缩、再生长、再收缩，经多次周期性振荡，最终以高速度崩裂。在其周期性振荡或崩裂过程中，会产生短暂的局部高温、高压、加热和冷却的速 度率大于1010 Ks,并产生强电场，从而引发许多力学、热学、化学、生物等效 应侬】。反应体系的环境条件会极大地影响空化的强度，而空化强度则直接影响到 反应的速率和产率。这些环境条件包括反应温度、液体的静压力、超声辐射频率、声功率和超声强度。另外，溶解气体的种类和数量、溶剂的选择、样品的制备以 及缓冲剂的选择对空化强度也有很大影响。超声波可改变液体、固体发生化学反应的途径，它所产生的高温，高压可使 声化学通过一条不同寻常的途径来促进声能量和物质的相互作用。实验室常用的 超声反应器有超声清洗器、超声细胞粉碎器等。利用沉淀法制备纳米材料的关键是通过控制反应条件，使新的沉淀相易于生 成，难于长大。在沉淀法中，主要是利用超声波的机械扰动对沉淀形成过程的动 力学影响，以及超声波的剪切破碎机理对颗粒尺寸的控制作用。近年来，已有许 多用超声波与沉淀法相结合的方法制备纳米材料的例子。Gatumel等如为了控制 结晶的性质，研究了超声波对沉淀的影响，发现超声波能使硫酸钢沉淀的平均粒 径大大减小，粒径分布更窄；超声波的主要作用是增加成核的速率并改变颗粒的 形状。Li等囤将AgNO3,Cui或PbCb溶液与硒的乙二胺溶液混合，并用18 kHz 5沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究的超声波清洗器处理，制得了 Ag2Se,CuSe和PbS纳米晶体，经过XRD和TEM 分析，它们分别具有斜方体、六方体和立方体结构。超声波除了其简单的物理作 用外，对沉淀反应还会产生一些特殊作用，例如Choi等在超声波作用下将草 酸与硝酸铅溶液反应，发现得到的沉淀中除了草酸铅外还有同时含C2O42，Neb-和01T离子的复杂铅盐，而且在沉淀反应中超声波辐照能加速复杂铅盐的形成。Savrun以A12(SC)4)3尿素水为研究体系，研究了超声波对沉淀过程、沉淀颗粒的 粒径、形状和晶形的影响。通过与机械搅拌所得颗粒进行比较，发现超声波能够 防止既得沉淀的团聚，超声处理所得的氧化铝粉末中出现了少量粒径小于lOOrun 的纳米粉。1.4 模板法制备纳米材料的模板很多，如底物的阶梯式表面，多孔物质的孔道，由有机 表面活性剂或嵌段共聚物自组装的中等结构，生物大分子，各种各样的沸石、氧 化铝、碳纳米管、液态晶体等。.模板法一般通过对制作模板过程的控制来设计所需要的尺寸，只对材料和模 板之间的浸润性有所限制，而对材料的结构等其它参数限制很少，因此可以通过 模板法合成的纳米材料种类很多。但是在反应过程中，如果模板不参与化学反应，就需要在产物体系中选择性地将模板除去，如果模板参与化学反应，随着反应的 进行模板会自行消失，有利于得到纯度较高的纳米产品。模板法是一类公认的简 单、高效、价廉的方法，并且可以一步在模板表面形成复杂的纳米结构。这种方 法的主要缺点是产品通常是多晶的纳米材料，且在数量上也受到一定限制。但这 种方法合成的产物大体为多晶材料，不利于自身生长的晶体材料。目前，大量不 同形貌的纳米材料已经通过模板法被制备得到，如纳米管、纳米线、纳米带、纳 米棒、纳米电缆、五角形纳米棒、纳米纤维、中空粒子、多孔微球、介孔球、纳 米盘、纳米片、纳米网、螺旋状超结构、纳米螺旋、微米环、核壳结构、多面体、花状形貌、双锥形貌、类球形、类似束状、棱形等MS。例如，Chen等口刀在室 温下采用y射线辐照在聚丙烯酸二硫化碳乙醇-水溶液体系中合成了亚微米级硫 化铜空心球；钱逸泰课题组网用聚苯乙烯作模板通过超声化学法合成了硒化镉空 心球；Li等网报道了一种可控的合成方法，利用反应中生成的气体而形成的微米 级泡沫(Microbubbles)来制备单分散硒化锌微米球。Shchukin等卬以多孔PS/DVB 为模板，将其浸泡在TiO2,ZrO2,SnCh和CeCh等氧化物溶胶中，然后去除模板,分别得到了具有多孔结构的TiOz，ZrO2,S11O2和CeCh球。Hu等利用自模板 法成功合成了具有尺寸和壁厚可调的二氧化钛微囊。Liu等网以生物膜和有机超 6青岛科技大学研究生学位论文分子为模板成功制备出了具有不同形貌的铝酸领纳米晶。1.5 碳酸镁的性质、应用及制备方法1.5.1 碳酸镁的基本性质碳酸镁是一种白色结晶或无定形粉末，无毒，无味，在空气中稳定。其分子 式为xMgCO3-yMg(OH)2zH2。(其中x、y、z值随生产条件的改变而略有改变),相对密度2.1,微溶于水，水溶液呈碱性，易溶于酸和镀盐溶液，遇稀酸即分解 放出二氧化碳。在水中长时间煮沸时有部分分解为氢氧化镁，加热至300。(3以上 即分解，放出水及二氧化碳，生成氧化镁。碱式碳酸镁作为一种重要的无机化工 产品，其产品的制备研究越来越受人们的关注53,541。L5.2碳酸镁的分类和应用碳酸镁根据其用途大致可分为三个方.面5习(1)用于食品及各种化工产品的添加剂和改良剂；(2)用于制取镁系列化工产品的原料；(3)用于制药及医学上的辅助治疗药物。碳酸镁最主要的用途是作为工业上的中间原料，制备高纯度的镁砂或氧化镁。由于氧化镁的自身一些特性，决定了其具有广泛的应用前景。碳酸镁根据其不同的性质和用途可分为以下几类：(-)水合碱式碳酸镁a】工业水合碱式碳酸镁简称轻质碳酸镁。制取轻质碳酸镁的方法因原料不同，方法各异，其产品质量及成本也不同。根据国内生产情况，轻质碳酸镁的生产方法大致归纳为七种：白云石碳化法、卤水碳化法、卤水纯碱法、卤水碳核法、菱镁矿碳化法、苦土复分解法、石棉尾 矿碳化法等。轻质碳酸镁相对密度小，质轻而松，可用作橡胶制品的优良填充剂和补强剂。由于它具有不燃烧和质地轻松的特点，可用于绝热、耐高温的防火保温材料，也 可用于制造高级玻璃制品、镁盐、颜料、油漆、防火涂料、印刷油墨、陶瓷、化 妆品、牙膏等日用化学品和医药制品等。(二)医药用碳酸镁四医药用碳酸镁，也称重质碳酸镁，在医药工业中的应用基本上分为两类：其 7沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究一以镁化合物为主要原料，直接作为生产中和胃酸的药物；其二以镁化合物为辅 料用于医药工业。前者生产中一般根据制药工业中的要求，产品质量不仅要达到 药典指标要求，而且在生产过程中精包装工序必须采用全封闭、恒温恒湿、消毒 等措施：后者产品质量只要达到药典标准要求，其生产工序可适当放宽，但必须 做到清洁。医药用碳酸镁用于抗酸药，临床用于胃酸过多、胃及十二指肠溃疡等。由于 本品质量体积小，适于配制散剂。在食品工业中，用于面粉改良剂的辅助成分，提高面粉改良剂的分散性和流动性，也是抗结块疏松剂。另外，也用于制造镁盐、氧化镁、防火保温材料、防火涂料、橡胶、陶瓷、玻璃、化妆品、牙膏及颜料等 工业。医药用碳酸镁生产方法主要有菱苦土复分解法和菱苦土酸解法。前者首先 将菱镁矿锻烧成氧化镁，然后同硫酸镂溶液在加热条件反应得到硫酸镁溶液，最 后与碳酸铁溶液反应得到医用碳酸镁。而后者是由苦土粉等含镁矿物经硫酸酸 解、过滤、精制成硫酸镁溶液，同碳酸氢筱溶液（或碳酸钠溶液）进行复分解反 应，经热解、分离、干燥等工序制成医药用碳酸镁。（三）食品级碱式碳酸镁网随着人民生活水平的提高，食品工业的发展，食品添加剂需求量逐年在不断 增加。其中食品级碱式碳酸镁作为食品添加剂近年来发展迅速，需求量不断增加。食品级碱式碳酸镁主要用于面粉改良剂、食品、化妆品和医药工业。食品级碱式 碳酸镁的制造方法在主要工艺上基本与轻质碳酸镁的制造方法相同。不同处是对 原料的要求及净化等方面更严格，设备材质也略有不同。其生产规模较小，属精 细化工产品，产量小，附加值高。食品级碱式碳酸镁的生产方法主要有菱镁矿碳 化法、硫酸镁纯碱法、卤水纯碱法等。（四）透明轻质碳酸镁愣】透明轻质碳酸镁因其折射率与橡胶相近，掺加该产品制成浅色橡胶制品有较 好的透明度，着色鲜艳，并有良好的补强和填充作用，且能增强橡胶的耐磨性、抗曲性和抗拉强度，是目前制造半透明彩色橡胶制品的理想填料。并可用作油漆、油墨和涂料的添加剂，也可用于牙膏、医药和化妆品工业。生产透明轻质碳酸镁可采用矿物，也可采用卤水、盐卤为原料。以矿物为原 料的方法有：白云石碳化法、菱镁矿碳按法、石棉尾矿碳化法等；以卤水为原料 的方法有：卤水纯碱法、卤水碳化法、卤水碳钱法；还有用饱和碳酸氢钱与硫酸 镁溶液为原料的复分解法，经热解、洗涤、脱水、干燥、粉碎而得。（五）针形轻质碳酸镁碳化法生产轻质碳酸镁的工艺过程中的碳酸化反应，是使氢氧化镁生成碳酸 氢镁进入液相，同时使氢氧化钙生成碳酸钙沉淀而进入固相，经过滤分离，得到 8青岛科技大学研究生学位论文重镁水，在90-105下热解生成轻质碳酸镁沉淀。其沉淀因粒径细而使过滤 中的滤饼水分高达85%左右，干燥时能耗高。为了降低能耗，提高产品应用性能，在热解工艺中采用低温热解，并通入空气以降低热解过程中二氧化碳分压，热 解反应生成的轻质碳酸镁晶体为针状，此轻质碳酸镁称为针形轻质碳酸镁。其生 产方法包括：白云石碳化法、菱镁矿碳化法、卤水-石灰碳化法、石棉尾矿碳化法 等。其产品质量的物化指标和水合碱式碳酸镁的生产指标类似，符合 HG/T2959-200061o针形轻质碳酸镁主要用于橡胶填充剂和补强剂。因其晶形为针形，易与橡胶 结合，如果粒径及长径比控制适宜，其折射率与橡胶接近，补强性和透明性良好，可以改善橡胶的刚性，提高曲挠性。另外，在食品、化妆品及医药等方面也可应 用。（六）电子级碱式碳酸镁侬电子级碱式碳酸镁是指用于电子行业的轻质碳酸镁，这种碳酸镁具有良好的 化学与物理性能，例如化学活性高、分散均匀聚集少、分解温度低等，非常容易 均匀分散于其它材料中。作为电子材料的碱式碳酸镁与一般工业碳酸镁不同，它不仅要具有很高的纯 度，也要具有特殊的物理性质，因此无论是原料的处理，还是工艺条件的控制，均比一般碱式碳酸镁要求严格，甚至比试剂级碳酸镁要求还高。电子级碱式碳酸 镁除用做电子元件的原料外，也是制备高纯度氧化镁、高级油墨、精细陶瓷、医 药、化妆品、牙膏、高级颜料等的重要原料。其中应用于电子材料附加值最高。生产电子级碳酸镁的工艺方法很多，例如卤水氨碳化法、卤水纯碱法、海 水石灰碳化法、镁氧化酸溶碳化法等。但考虑到原料的净化、工艺操作的可 行性、生产的成本等，目前大多采用卤水纯碱法和卤水氢氧化镁碳化法。这两 种工艺路线都可以说是环保型工艺。但由于卤水-氢氧化镁-碳化法中采用了卤水 氨法沉淀氢氧化镁工艺，也会有少量的污染排放物。其中主要是含有一定量氯化 镁的氯化铉母液，如果不进行回收，不但造成资源的浪费，也会污染环境。其次 是因锻烧石灰制取二氧化碳所造成的烟尘污染和石灰流失，也应当加以适当的处 理。1.5.3碱式碳酸镁的制备方法1.5.3.1 以矿石为主要原料的制备方法地球上含镁矿种主要有菱镁矿、溢晶石及白云石等。在传统工业中生产碱式9沉淀法制备碳酸镁、氢氧化镁的研究碳酸镁主要以这些矿石为原料来制取。其主要制法为：白云石碳化法、菱镁矿碳 铁法、苦土粉-硫酸-碳酸氢镂法等四，5支白云石碳化法反应原理如下：白云石煨烧 MgCO3 CaCO3MgO CaO+2CO2T(1-1)消化 MgOCaO+2H2。一 Mg(OH)2+Ca(OH)2(1-2)碳化 Mg(OH)2+Ca(OH)2+3CO2-Mg(HCO3)2+CaCO3+H2O(1-3)热解 5Mg(HCO3)2T4MgeO 3Mg(OH)2-4H2O+4H2Ot+6CO2t(1-4)其具体化学过程为将含MgO17%以上的白云石与无烟煤按(8J0)：1比例混 配，置于窑内，在1000-1200。(：锻烧，获得白云石熟料；消化槽中在搅拌情况下,