影响使用盐湖水镁矿制备氢氧化镁微粒“成核-结晶-生长”过程的关键因素

《Results in Chemistry》：Key influencing factors for magnesium hydroxide microparticle “nucleation-crystallization-growth” using saline-lake hydromagnesite

氢氧化镁合成工艺优化及机理研究，对比化学沉淀法与水热法发现氨水作为沉淀剂能显著减少颗粒聚集（D50=0.41 μm达MC-1-2标准），并通过调控Mg2?/OH?比例（1:2）、反应温度（55℃）及进料速率（2 mL/min）实现精准尺寸控制。理论计算表明表面高能（5.14 eV）源于（001）晶面不足与OH?吸附，提出促进（001）晶面形成和抑制OH?吸附的调控策略，为盐湖资源高效利用提供新思路。

　　镁氢氧化物（Magnesium Hydroxide, MH）作为一种重要的无机材料，因其在阻燃、吸附和脱硫等领域的广泛应用而受到广泛关注。在中国，由于丰富的镁矿资源，特别是青海盐湖地区的镁盐矿藏，MH的合成与利用具有重要的现实意义。本研究通过化学沉淀法和水热法对MH的合成过程进行了系统分析，探讨了不同沉淀剂、镁源浓度、沉淀剂浓度、进料速率以及沉淀温度等因素对MH粒径的影响，并结合理论计算进一步揭示了MH表面特性与结构形成的机制。研究结果表明，在优化条件下，MH的粒径和D50值分别为0.47微米和0.41微米，符合镁氢氧化物阻燃剂标准MC-1-2的要求。这一成果为MH的高效合成与性能提升提供了新的思路。

中国作为全球镁矿资源的重要拥有者，其镁矿储量占世界总量的22.5%，位居世界前列。特别是青海地区的盐湖镁资源，镁氯化物和镁硫酸盐的储量分别达到32亿吨和16亿吨，其中察尔汗盐湖更是富含25亿吨的镁氯化物。然而，随着钾肥工业的发展，镁氯化物作为副产物被大量产生，而传统资源开采模式主要集中在钠和钾的提取，导致镁氯化物大量堆积，形成资源浪费与环境压力。特别是在青海，每年因镁氯化物的处理而排放超过6400万立方米的富镁卤水和2000万吨的镁氯化物废料。这种不合理的处理方式不仅加剧了“镁污染”现象，也影响了卤水成分的平衡，对生态环境造成威胁。

为了解决这一问题，研究者提出通过镁氢氧化物的合成，将镁氯化物这一副产物转化为高附加值材料。MH因其优异的阻燃性能和多功能特性，成为当前研究的重点。然而，MH在合成过程中常常出现明显的聚集现象，导致其纯度不足、颗粒形态不规则以及粒径分布较宽，这些因素限制了其在高端应用中的表现。因此，如何有效控制MH的粒径和表面结构，成为提升其性能的关键。

本研究通过实验和理论分析，深入探讨了影响MH粒径的关键因素。其中，Mg2?/OH?的摩尔比对MH的成核和结晶过程具有最显著的影响。当使用氨水作为沉淀剂时，反应过程更为平稳，且MH核心中保留了更多的结晶水，这有助于提高其阻燃性能。此外，水热法的条件可以有效调控MH晶体表面的结构，从而减少颗粒的聚集现象。实验结果显示，在优化条件下，MH的粒径可控制在0.41微米，满足工业应用的标准。

在实验方法方面，研究采用了化学沉淀法和水热法对MH进行合成，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TG）等多种手段对MH的结构和性能进行了系统表征。SEM图像显示，使用氨水作为沉淀剂的MH颗粒呈现出片状结构，而使用氢氧化钠的MH则表现出明显的聚集现象。这表明，氨水作为沉淀剂在控制颗粒形态方面具有优势。XRD分析进一步验证了不同合成条件下MH的晶体结构变化，其中水热条件能够降低MH的微应变，提高位错密度，从而减少微晶尺寸，并增强主要暴露晶面的峰强度比。

FTIR和TG分析则揭示了MH在不同沉淀剂作用下的反应特性。氨水作为沉淀剂时，反应更为温和，MH核心中结晶水的含量较高，而高温下的TG分析表明，MH在356摄氏度附近发生明显的质量损失，对应其分解为氧化镁和水的过程。这一分解反应不仅有助于生成活性的氧化镁和水分子，也对MH的阻燃性能产生了积极影响。相比之下，使用氢氧化钠作为沉淀剂的MH在高温下表现出较低的热分解效率，这可能与其较高的聚集度有关。

理论计算进一步揭示了MH表面特性的形成机制。研究表明，MH表面的高表面能和强极性主要源于（001）晶面的不完全形成以及表面羟基（OH?）的吸附作用。羟基的吸附会增加MH的功函数，从而影响其电子转移能力，导致表面极性增强。为了减少MH的聚集现象，可以通过促进（001）晶面的形成，并避免在成核和结晶过程中羟基的吸附，作为提升MH表面性能的重要策略。这一发现为MH的合成方法提供了新的方向，即通过调控晶面生长和表面吸附行为，实现更精细的颗粒结构和更高效的阻燃性能。

在实际应用中，MH的粒径和表面结构对其性能具有决定性影响。细粒径的高纯度MH在阻燃效率、复合材料兼容性和高端应用适应性方面表现更优。因此，研究通过实验优化了合成条件，包括使用氨水作为沉淀剂、控制镁源浓度在1摩尔/升、沉淀剂浓度在10%、进料速率在2毫升/分钟以及沉淀温度在55摄氏度。这些条件的协同作用使得MH的粒径有效控制在0.41微米以下，显著提升了其性能表现。

此外，研究还通过理论计算分析了MH的表面能量、吸附能和功函数等关键参数。计算结果显示，（001）晶面的表面能量最低，而OH?的吸附会显著增加MH的功函数，导致其表面极性增强。因此，通过增强（001）晶面的比例，减少其他晶面的形成，可以有效抑制MH的聚集现象。这一策略不仅适用于水热法合成，也为其他合成方法提供了参考。

实验数据进一步表明，MH的比表面积、干燥损失和热分解性能等指标均受到沉淀剂和合成条件的影响。例如，使用氨水作为沉淀剂的MH样品表现出更高的比表面积和更大的干燥损失，这与其较高的结晶水含量有关。而氢氧化钠作为沉淀剂的MH样品则表现出较低的比表面积和较小的干燥损失，这可能与其较高的聚集度有关。同时，不同样品的热分解性能也存在差异，其中水热合成的MH在高温下表现出更强的分解能力，有助于生成更多的活性氧化镁和水分子，从而提升其阻燃性能。

综合来看，本研究通过实验和理论分析，揭示了影响MH粒径和表面结构的关键因素，并提出了通过优化沉淀剂选择、控制反应条件和调控晶面生长来改善MH性能的策略。这些发现不仅为MH的合成方法提供了新的思路，也为镁资源的高效利用和环境治理提供了科学依据。未来，随着对MH合成机制的进一步研究，有望开发出更高效、更环保的合成工艺，推动镁资源的可持续利用，并拓展MH在更多领域的应用前景。