第22卷第l0期 2010年1O月 化学研究与应用 Chemical Research and Application Vo1.22.No.10 Oct..2010 文章编号:1004.1656(2010)10-1290-05 水氯镁石气固反应制备无水氯化镁 周宁波h,肖 华 ,陈白珍 (1.湖南理工学院化学化工学院湖南岳阳414000; 2.中南大学冶金科学与工程学院湖南长沙410083) 摘要:用盐湖水氯镁石在氮气保护下135 ̄C脱水2h成低水合水氯镁石。低水合水氯镁石与固体氯化铵按质 量比1:6.5混合,高温下使反应体系中NH3的分压达49.6KPa以上,在440℃脱水18分钟和710 ̄C煅烧l2分 钟成无水氯化镁。分析结果表明:制得的无水氯化镁中氧化镁的质量分数为小于0.15%。X射线衍射和电 镜扫描图证明,制得的无水氯化镁无杂相,颗粒大而均匀,分散性好,适合于电解制备金属镁。方法简单,生 产成本低,固体氯化铵可以回收循环使用。 关键词:水氯镁石;气固反应;无水氯化镁;制备 中图分类号:O614.2 文献标识码:A Preparation of anhydrous magnesium chloride from bischofite by gas—solid reaction ZHOU Ning.boH,XIAO Hua ,CHEN Bai—zhen (1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414000,China; 2.School of Metlalurgical ciSence and Technoloy,gCentral South University Changsha 410083,China) Abstract:Bischofite is changed to dehydrated bischofite at 135℃about 2h in nitrogen.Dehydrated bischofite and solid ammonium chloride are mixed at 1:6.5 mass ratio,ammonium chloride in mixture was decomposed into NH3 and HCl,dehydrated ammonium carnallite was dehydrated by NH3 at 49.6 kPa pressure of NH3 at 440 ̄C for 18min,calcined anhydrous magnesium chloride at 710 ̄C or 12min.The rfesults show that the mass percentage of magnesium oxide in anhydrous magnesium chloride is 0.15%.XRD pattern and SEM micrograph demonstrated ammonium camallite and anhydrous magnesium chloride crystls process good diaspersion,grains of them are big and wel1.distributed,anhydrous magnesium chloride is used for electrolylically producing magnesium met1.Thias process was simple with low cost,solid ammonium chloride can be recycled. Key words:bischofite;reaction of gas—solid;anhydrous magnesium chloride;preparation 金属镁已广泛应用于航空 、汽车 、电 子 、移动通讯 , 、冶金等领 ,m 。生产金属 镁的方法有热还原法和电解法 “, 。电解法炼镁 法。我国镁资源丰富,为电解炼镁提供了大量优 质原料¨3 ,电解炼镁最关键是制备出氧化镁含量 低的无水氯化镁。用水氯镁石高温热空气直接脱 水,由于脱水时部分氯化镁水解,得到的无水氯化 工艺先进,能耗较低,是目前制备金属镁的主要方 收稿日期:2010-05—11;修回日期:2010-06-22 基金项目:湖南省自然科学基金(07JJ3096)资助项目 联系人简介:周宁波(1962一),男,博士,副教授,主要从事冶金物理化学与材料化学研究。Email:znb8787@163.com 第10期 周宁波等:水氯镁石气固反应制备无水氯化镁 1291 镁中氧化镁含量较高。氧化镁对电解炼镁不利, 既降低电流效率又腐蚀电极¨ 。为制备含氧化 镁低适合于电解炼镁的无水氯化镁,用水氯镁石 为原料,先在氮气保护下脱至低水,低水合水氯镁 图1为水氯镁石的氮气气氛下综合热分析曲 线。从图中TG曲线上可以看出水氯镁石的脱水 是分阶段进行的。第一阶段室温~122 ̄(2,失重率 为7.17%,相当于1mol水氯镁石脱去0.43tool的 水;第二阶段从122—175cI=,总失重为29.2%,相 当于Imol水氯镁石脱去了3.3mol的水;第三阶段 石与固体氯化铵按一定的比例混合在高温下脱 水、煅烧制成纯度高的无水氯化镁。与其它制备 无水氯化镁的方法¨5I 相比,此法工艺简单,得到 的元水氯化镁中氧化镁的质量分数低(≤ 从175~228℃,总失重46.48%,相当于1mol水氯 镁石脱去了5.25mol水;第四阶段从228~298oC, 0.15%),完全适合电解炼镁的工艺要求,且制备 体系中的固体氯化铵在煅烧结束后,用氮气驱除 高温下的氨气和HCI气体,通过导气管将其引出 通入水中,再将水溶液蒸发结晶,即可回收固体氯 化铵,其生产成本可大为降低。 1 实验部分 1.1试剂和仪器 盐湖水氯镁石(MgC12的含量0.3526g・g。。,其 它主要杂质的含量K:0.1283 g・g~、Na:0.0239 g ・g~、Ca:231.2 I.Lg・g。。、S:262.8p,g・g。);固体氯 化铵(分析纯)。 Rigaku 3014型x射线衍射仪;JEOL.5600LV 型扫描电镜;TGA/SDTA851。综合热分析仪;PS-6 真空型电感耦合等离子体发射光谱仪。 1.2实验方法 1.2.1水氯镁石脱水将水氯镁石在135 ̄C氮气 保护下的真空干燥箱中脱水2h制成低水合水氯 镁石(MgC12・nH2O,n=1.6)。 1.2.2无水氯化镁的制备将低水合水氯镁石 与一定量固体氯化铵混合均匀后置于箱式电阻炉 中,先在一定温度下通过固体氯化铵热分解产生 的NH,脱去低水合氯化镁中的水,然后高温煅烧 得无水氯化镁。 1.2.3检测与表征方法 用ICP—AES法测定目 标产物无水氯化镁中部分金属和非金属元素的含 量;用综合热分析法确定水氯镁石脱水温度;用络 合滴定法和酸碱滴定法测定产品中氯化镁及氧化 镁的含量;用x一射线衍射法、电镜扫描确定制备的 无水氯化镁的成分和形貌。 2结果与讨论 2.1 水氯镁石的TG-DTA分析及其脱水条件的确定 总失重为57.01%,相当于1mol水氯镁石脱去了 6tool以上的水,未加热脱水以前,1mol的水氯镁 石仅含6mol的水,从这里可以证明水氯镁石在 228~298℃的区间里一定发生了显著的水解作 用,致使水氯镁石的失重超过全部脱水的总重量。 实际上在175~228oC区间里就有部分的水氯镁石 在脱水的同时已经发生了水解作用。第五阶段从 298~580℃也有一失重区间,这一区间的失重完 全是由于大量氯化镁水解后产生的碱式氯化镁或 氢氧化镁进一步分解成氧化镁所致。在DTA曲线 104.5 ̄C、166.3oC、201.7℃、254.7℃、449 ̄C有5个 显著的吸热峰,其中166.3℃时的吸热峰最强,说 明水氯镁石在这一温度区间脱水作用明显。根据 上述分析,实验中由水氯镁石脱水制低水合水氯 镁石时,为了使水氯镁石尽可能地脱去其中的结 晶水而又不至于脱水时水解,脱水温度应大于 105oC。但实验时发现温度大于105oC用水氯镁石 在热空气中脱水,由于水氯镁石在此温度下的自 熔作用使得脱水反应无法进行,这也是水氯镁石 在热空气中难以脱水的关键所在。为此我们采用 了氮气保护下的脱水以阻止水氯镁石脱水时的自 熔作用。水氯镁石在氮气保护下135oC,脱水2小 时得到的低水合水氯镁石中的n为1.6。如果低 水合水氯镁石中的n<1.6,脱水后部分氯化镁将 发生水解作用。若低水合水氯镁石中的n>1.6, 脱水不充分,致使制得的无水氯化镁中氧化镁的 含量升高。 2.2低水合水氯镁石中加入固体氯化铵的量对 无水氯化镁中氧化镁含量的影响 用气固反应法制备无水氯化镁是利用固体氯 化铵在高温下分解为氨气和氯化氢,氨气可取代 低水合水氯镁石中的水得到氨合氯化镁,氨合氯 化镁高温煅烧得到无水氯化镁。氯化铵分解产生 的氯化氢在反应体系中既可减小气相中水蒸气的 分压,避免氯化镁的水解;从反应(3)可知又能抑 1292 化学研究与应用 第22卷 制氯化镁的水解。 压达49.6KPa以上反应(2)才能进行完全。图2 NH4C1=NH3+HCI 为低水合水氯镁石与不同量的固体氯化铵混合后 MgC12・nH2O+nNH3=MgC12 分别在440%:脱水、710'12煅烧一定时间后制得的 无水氯化镁中氧化镁的质量分数。由图2中可 MgC12+2H2O=Mg(OH)2+2HC1 (3) 知,随着固体氯化铵与低水合水氯镁石质量比的 Mg(OH)2=MgO+H2O (4) 不断增加,无水氯化镁中氧化镁的质量分数逐渐 MgO+2HC1=MgC12+H2O (5) 下降。当两者的质量比达到6.5:1时,无水氯化 制备无水氯化镁时为了使反应(2)尽可能进 镁中氧化镁的质量分数最低(0.15%)。若两者的 行完全,反应体系中NH 的分压要达到一定值,而 质量比小于6.5:1时,氯化铵分解产生的氨气量 NH,分压值大小与加入反应体系的固体氯化铵的 ● 不足,取代反应(2)进行不完全,氨合氯化镁高温 量有关。根据实验时所用箱式电阻炉容积的大小 n N 煅烧时部分水解,至使产物中氧化镁的质量分数 和加入氯化铵的质量以及氨取代低水合水氯镁石 H 3 升高。 的脱水温度,计算得到气固反应体系中NH 的分 + n 一0.004 。D E 0.㈩ 002 0.000 器-0.002 -0.004 。o 0/0 5 芝c一0 Jo lu0 0U -0.006 .o.008 g一0.010 }.0.012 . 014 0 l 2 3 4 5 6 7 8 m(NH CI):m(MgclfnH2O) 图l 水氯镁石的综合热分析曲线 图2不同质量比的N}{4CI/Mscl2・nH20无水 Fi昏1 TG-DTA CUrVeS of bischofite 氯化镁中氧化镁的质量分数(n=1.6) Fig.2 Mass percent of MgO in MgCl2 at diferent mass ratio of NH4C1/MgC12.nH2O(n=1.6) 2.3水氯镁石的脱水效果对无水氯化镁中氧化 越完全,由气固反应法制得的水氯化镁中氧化镁 镁含量的影响 , 的质量分数越低;如果直接用不脱水的六水氯化 表1为NH4CI/MgC12・nH2O质量比为6.5:1 镁制备无水氯化镁,氧化镁的质量分数的质量分 且MgC12・nH2O中不同n值在440oC脱水18min、 数高达31.6%;若用脱水的MgCl2・nH2 O(n= 710℃下煅烧12min制得的无水氯化镁中氧化镁 1.6)制备无水氯化镁,则无水氯化镁氧化镁的质 的质量分数。从表1中可以看出:水氯镁石脱水 量分数只有0.15% 表1 MgCI:・nH:O中不同n值时无水氯化镁中氧化镁的质量分数 Table 1 Mass percent of MgO in MgC12 at diferent n of MgCl2・nH20 2.4低水合水氯镁石与固体氯化铵混合脱水温 让固体氯化铵分解为氯化氢和氨气,氯化铵的分 度和煅烧温度对无水氯化镁中氧化镁含量影响 解温度338 ̄12,低水合水氯镁石要继续脱水温度必 低水合水氯镁石与固体氯化铵混合脱水、煅 须大于338 ̄C才能进行。温度低,固体氯化铵分解 烧温度对制备的无水氯化镁中氧化镁的质量分数 不完全,反应体系中氨气的浓度小,取代反应(2) 影响较大,要使低水合水氯镁石继续脱水必须先 不完全;温度高,固体氯化铵的分解速度快,逸出 第10期 周宁波等:水氯镁石气固反应制备无水氯化镁 1293 的氨气与固相中的低水合水氯镁石作用不充分。 结果都会使制得的无水氯化镁中氧化镁的质量分 数升高,一般脱水温度设定在440oC。脱水后的氨 和煅烧温度下制得的无水氯化镁中氧化镁的质量 分数。实验证明,用该方法制备无水氯化镁脱水 和煅烧温度及时间分别为440 ̄C脱水18min和 710oC煅烧12rain时得到的无水氯化镁中氧化镁 合氯化镁高温煅烧制备无水氯化镁时,煅烧温度 对制得的无水氯化镁的质量会有一定的影响。温 的质量分数低,颗粒较大。用ICP-AES法测定了 制备的无水氯化镁中K、Na、Ca、B、Si、S元素的含 量,分别为1185.3 g・g~,482.4g・g。。,205.9g・ g。。,19.6 g・g~,11.7g・g~,207.2g・g~。测定结 度低,氨合氯化镁分解不完全;温度高,氨合氯化 镁分解完全,得到的无水氯化镁颗粒大而均匀,不 易在空气中吸水潮解。但温度高生产过程中能耗 大,若温度超过750 ̄C部分氯化镁会变成蒸气而挥 发,所以煅烧温度控制在710 ̄C。表2为不同脱水 果表明这些杂质元素的含量对用无水氯化镁电解 制备金属镁不产生影响 ¨ 。 表2不同脱水和煅烧温度下无水氯化镁中氧化镁的质量分数 Table 2 Mass percent of MgO in MgC12 at diferent dehydrating and decomposing temperature 。。hydri“gtemeratu re / ̄C pDec0positemper at。ure/  ̄C ‘1)(Mg0)/% ~LJ 1_82 1.34 1.15 0.99 y drai“gPC tur e。c。mtem eteerure/atm pposing ̄C ∞(Mgo)/% 。350 360 370 380 710 71O 71O 710 44O 440 40 40 610 620 630 640 0.89 0.72 0.61 0.54 390 400 410 420 430 44O 710 710 7lO 710 710 710 0.87 0.66 0.5l 0.37 0.21 0.15 40 440 40 440 40 40 650 660 670 680 690 710 0.42 O.38 0.29 0.25 O.18 0.15 450 460 440 710 710 6oo 0.47 0.59 1.06 40 40 40 730 740 750 0.15 0.16 0.16 2.5 X射线衍射谱图和电镜扫描图 5O00 图3为气固反应制得的无水氯化镁的x射线 衍射图谱,与x射线衍射图谱标准数据集JCPDS (PDFO3-0852)中无水氯化镁谱图比较,衍射峰的 位置完全相同,证明制备的无水氯化镁没有其它 杂相存在,滴定分析结果也证明了目标产物中无 水氯化镁的含量大于99.8%。谱图的差别是标 准数据集中的最强衍射吸收峰在20=34.98。处 2000 4000 3000 1000 而气固反应制得的无水氯化镁最强衍射吸收峰在 20=15.11。处,两者存在差别的原因可能是晶形 不同所致。图4为制得的无水氯化镁的形貌图,. 从图中可以看出由此法制得的无水氯化镁为片状 O 】0 2O 30 40 50 60 70 2 0/(。) 图3无水氯化镁的XRD图谱 Fig.3 XRD pattern of anhydrous magnesium chloride 多边形结构的晶体,颗粒大而均匀,分散性好,平 均粒径达0.7 m。 l294 化学研究与应用 第22卷 水氯镁石(MgC1 ・nH 0,n=1.6),脱水时不发生 自熔和水解。 (2)低水合氯化镁(MgC1 ・nH20,n:1.6)与 氯化铵按质量比为1:6.5混合后在440℃热分解 脱水18min,710℃下煅烧12min得含氧化镁 0.15%的无水氯化镁。 (3)此法制得的无水氯化镁颗粒大而均匀,无 其它杂相存在;产物无水氯化镁中氧化镁的含量 图4无水氯化镁晶体的SEM照片 Fig.4 SEM mierograph of anhydrous magnesium chloride 3 结论 (1)水氯镁石在氮气保护下可脱水为低水合 参考文献: [1]Hollstein.F,Wiedemann.R,Scholz.J.Characteristics of PVD—coating on AZ31 hp magnesium alloys.J.Surface and Coating Technology[J].Surface and Coating Technology, 2003,163:261-268. 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