从海水盐水中高效回收镁：制备用于阻燃PVA复合材料的氢氧化镁纳米片，该复合材料具有仿生砖石结构

《Desalination》：High-value recovery of magnesium from seawater brine: Fabrication of hydromagnesite nanosheets for flame-retardant PVA composites with biomimetic brick and mortar structure

从海水浓缩盐水中制备高价值层状水镁石纳米片阻燃剂，构建环保型柔性电子材料。通过水热反应调控Mg2?和CO?2?释放速率，获得2μm×1μm×40nm纳米片，与PVA形成"砖砌灰浆"结构实现30wt%高填充。机械强度提升52.2%，总热释放率降低50%，机理包含热传导通道和CO?/H?O气体传输保护层，以及MgO连续隔离层。

　　在当前全球对可持续资源利用和环保材料开发日益重视的背景下，从海水卤水（seawater brine）中提取镁盐资源的研究正变得愈发重要。海水卤水作为海水淡化过程中产生的副产品，富含多种无机盐类，其中镁氯化物（MgCl?）、钠氯化物（NaCl）、镁硫酸盐（MgSO?）以及钾氯化物（KCl）等成分尤为突出。然而，由于这些卤水中镁盐的附加值较低，其利用效率一直受到限制。因此，如何通过创新工艺提升镁资源的附加值，成为海水卤水处理领域亟待解决的关键问题。

针对这一挑战，本文提出了一种利用海水卤水制备高附加值水镁石纳米片（hydromagnesite nanosheets）作为阻燃剂的新方法。水镁石是一种具有特殊晶体结构的镁碳酸盐水合物，其化学式为4MgCO?·Mg(OH)?·4H?O。这种材料不仅在自然环境中具有良好的稳定性，而且在热分解过程中能够有效吸收热量，释放出大量阻燃气体，如二氧化碳（CO?）和水蒸气（H?O），从而在材料表面形成一层致密的保护层，抑制燃烧过程。此外，水镁石的热分解不会产生有毒副产物，这使其成为绿色化学领域中极具潜力的阻燃材料。

然而，传统水镁石的制备方法往往导致其颗粒形态不规则，尺寸较大，这在实际应用中带来了一系列问题。例如，当大量不规则水镁石被添加到聚合物基体中时，其难以均匀分散，从而影响复合材料的机械性能。此外，由于颗粒尺寸较大，水镁石在聚合物中的填充量受到限制，难以达到理想的阻燃效果。因此，如何通过控制水镁石的形貌和尺寸，使其在保持良好阻燃性能的同时，又不影响复合材料的机械强度，成为当前研究的重点。

本文的研究团队通过优化反应条件，成功制备出具有均匀纳米片形态的水镁石。这些纳米片的尺寸约为2微米长、1微米宽，厚度约为40纳米，表现出优异的分散性和形态可控性。实验表明，通过调控反应时间、温度和固液比，可以有效控制水镁石纳米片的形成过程。此外，团队还发现，在水热反应过程中，Mg2?和CO?2?的缓慢释放有助于形成有序的纳米片结构，从而避免了颗粒之间的聚集现象。

为了进一步提升水镁石的阻燃性能，研究团队将其引入聚乙烯醇（PVA）基体中，并利用自组装效应构建了一种仿生的“砖墙”结构（“brick and mortar” structure）。这种结构使得水镁石纳米片能够自发地在PVA中形成氢键介导的有序排列，从而显著提高复合材料的填充能力。实验结果显示，当水镁石纳米片的添加量达到30%（质量分数）时，PVA复合材料的拉伸强度提升了52.20%，同时总热释放率降低了约50%。这些数据表明，水镁石纳米片不仅能够有效提升材料的阻燃性能，还能显著改善其机械性能。

研究团队进一步分析了这种“砖墙”结构对材料阻燃性能的双重保护机制。一方面，水镁石纳米片的有序排列形成了高效的热传导通道，有助于快速分散材料在高温下的热积累；另一方面，纳米片的定向通道能够促进水镁石在分解过程中产生的CO?和H?O气体的快速扩散，从而在材料表面形成一层稳定的保护屏障。此外，在燃烧后期，水镁石分解生成的氧化镁（MgO）会在有序结构中形成连续的隔离层，进一步增强材料的阻燃效果。

这一研究不仅为海水卤水中的镁资源高附加值利用提供了新的思路，还解决了传统阻燃材料中常见的“高无机填料负载”与“机械性能”之间的矛盾。通过构建具有仿生结构的PVA/水镁石复合材料，研究团队成功实现了在保持材料机械性能的同时，大幅提升其阻燃性能的目标。这种创新性的材料设计方法为未来开发高性能、环保型阻燃材料提供了重要的理论依据和技术支持。

此外，研究团队还对水镁石纳米片的合成过程进行了系统分析。实验表明，水镁石纳米片的形成需要经历两个关键步骤：首先，通过将碳酸钠（Na?CO?）溶液加入海水卤水中，可以初步生成MgCO?·3H?O（即nesquehonite）的中间产物；其次，在优化的水热条件下，中间产物进一步转化为具有纳米片形态的水镁石。通过调整反应温度和时间，研究团队能够精确控制水镁石纳米片的尺寸和形态，从而满足不同应用场景的需求。

在实验过程中，研究团队还对合成的中间产物进行了详细的表征分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术，研究团队发现，在反应时间为30分钟时，Mg2?的回收率已达到稳定状态，约为95.35%，表明反应过程已经完成。SEM图像显示，中间产物呈现出棒状形态，直径范围在0.3至3微米之间，长度约为15微米。XRD图谱则证实了中间产物的化学组成，即为MgCO?·3H?O。这些结果为后续水镁石纳米片的合成提供了重要的实验依据。

为了验证水镁石纳米片在PVA基体中的性能，研究团队对不同结构的PVA复合材料进行了对比分析。实验结果显示，与无序结构相比，具有“砖墙”结构的PVA/水镁石复合材料在机械性能和阻燃性能方面均表现出显著优势。这表明，仿生结构的引入不仅能够提高材料的填充能力，还能优化其热传导和气体扩散性能，从而实现更高效的阻燃效果。

综上所述，本文提出了一种从海水卤水中制备高附加值水镁石纳米片作为阻燃剂的新方法。通过优化反应条件，研究团队成功实现了水镁石纳米片的均匀分散和形态控制，并利用自组装效应构建了具有仿生“砖墙”结构的PVA复合材料。这种新型材料在保持优异机械性能的同时，显著提升了阻燃性能，为海水卤水的高效利用和环保型阻燃材料的开发提供了重要的理论和技术支持。此外，该研究还为未来在柔性电子材料领域中应用高附加值镁资源提供了新的可能性。