通过活性MgO调控和ZrO?掺杂提高拜城石衍生烧结镁的致密化程度：来自实验和分子动力学的见解

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancing densification of bischofite-derived Sintered magnesia via active MgO tuning and ZrO? addition: Insights from experiments and molecular dynamics

　　

摘要

烧结氧化镁（SM）是支持钢铁和水泥等高温产业不可或缺的战略性基石。以水铝石为原料，采用两步法制备了高性能的SM。系统研究了轻烧过程和烧结添加剂对SM性能的影响机制。结果表明，通过调整轻烧参数可以促进氧化镁在烧结过程中的晶粒生长和致密化。在烧结过程中添加ZrO?进一步提高了氧化镁的性能。从水铝石制得的氢氧化镁在500℃下轻烧2小时，然后在1600℃下加入2 wt%的ZrO?并烧结2小时，得到了密度为3.54 g/cm3、开口孔隙率为0.37%的高性能SM。分子动力学结果显示，在烧结过程中MgO和ZrO?形成了固溶体，导致氧空位的产生、配位数的增加以及离子扩散活化能的降低。因此，Mg2?和O2?的扩散速率显著提高，从而促进了SM的致密化。本研究揭示了轻烧过程和烧结添加剂对促进氧化镁致密化的影响机制，为从水铝石制备高性能SM提供了见解。

引言

烧结氧化镁（SM）是一种重要的耐火材料，由于其独特的物理化学性质，在化学、建筑材料和电子工业中得到了广泛应用[1][2][3][4]。利用盐湖副产物水铝石生产SM是一种有效的方法，可以解决水铝石的大量积压问题。中国拥有丰富的盐湖资源，尤其是西藏自治区北部和青海省柴达木盆地的镁储量丰富[5]。青海的察尔罕盐湖是中国最大的氯化钾-镁盐矿床，其氯化镁储量达40.6亿吨，占全国镁盐资源的74%和全球总量的40%[6][7]。从盐湖卤水中提取钾 chloride和钠 chloride等液体矿物后，会产生大量富镁的旧卤水。这些旧卤水在长时间内未得到及时有效利用，逐渐积累形成大量的水铝石[8]。水铝石在盐湖中的大量积累不仅造成资源浪费，还会对盐湖环境造成严重破坏，引发该地区的“镁污染”[9]。

然而，水铝石杂质含量高、易吸湿以及对其热解机制理解不足，导致氧化镁产品的性能存在较大波动[10]，这严重限制了镁工业的发展，并引起了广泛关注。付等人[11]提出了一种新的烧结方法，用于处理0–6毫米的颗粒，能在1300–1600℃的温度范围内实现超过95%的致密化。将功能性添加剂引入以调节微观结构并改善材料性能的策略已在多种材料系统中得到验证[12]。李等人[13]引入ZnO作为烧结助剂，降低了SM的热导率，从而提高了其在高温条件下的热稳定性和抗热震性。李等人[14][15]通过添加NiO提高了氧化镁样品的致密化程度，通过MgO–NiO固溶体反应激活了高温烧结并促进了晶粒生长。通过优化烧结参数（如原料粒度和烧结条件）以及加入烧结助剂[16][17][18]，可以进一步提高氧化镁产品的性能。值得注意的是，轻烧过程对后续烧结致密化的影响机制尚未得到系统的阐明。此外，烧结添加剂对SM致密化的影响主要依赖于实验推断，能够直接可视化烧结过程的原子尺度模拟研究非常少见。基于此，本研究以盐湖副产物水铝石为原料，采用两步法（轻烧过程+烧结过程）制备SM，并添加了烧结添加剂以进一步提高其性能。通过实验和理论方法的结合，旨在阐明轻烧过程和烧结添加剂对SM性能的影响机制，为盐湖水铝石的高价值利用提供参考。

章节摘录

材料

水铝石购自西部矿业集团；氯化铵（NH4Cl）从西龙科技有限公司购买；氧化钙（CaO）从西龙化工有限公司购买；浓氨（NH3·H2O）同样来自西龙化工有限公司；柠檬酸（C6H8O7）和氧化钇（Y2O3）从麦克林生化科技有限公司购买；二氧化锆（ZrO2）和酚酞指示剂从中国药典化学试剂有限公司购买。所有实验化学品均为分析级。

轻烧对MgO活性的影响

轻烧后的MgO是制备SM的核心原料，其反应性对SM的性能至关重要[25]。图1显示了轻烧时间和温度对MgO活性的影响。结果表明，当轻烧时间为1小时时，MgO的活性先增加随后随温度升高而降低。CAA值从127秒降至91秒，然后再升至377秒。这种行为可以归因于Mg(OH)2在轻烧过程中未完全分解。

结论

本研究报道了一种使用盐湖副产物水铝石制备高性能SM的两步法。以水铝石衍生的氢氧化镁为原料，通过最佳的轻烧过程（500℃，2小时）获得了具有理想晶体相和形态的轻烧MgO，CAA值为90秒。这种轻烧后的MgO随后与添加剂混合并在1600℃下煅烧2小时，得到了高性能SM。通过添加2 wt%的ZrO2，

CRediT作者贡献声明

唐学坤：软件、方法论。罗显平：验证、方法论、资金获取。刘子Scale：软件、方法论。杨友伟：撰写初稿、数据管理。徐晨辉：研究、数据管理。李新阳：研究、数据管理。翁春健：验证、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFC2904305）的财政支持。

杨友伟|罗显平|唐学坤|刘子Scale|李新阳|徐晨辉|翁春健中国赣州锂资源绿色低碳开发利用工程技术中心，341000