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锂硼对氨法沉镁的影响规律及氢氧化镁晶体生长机理研究

作　者: 孙元兵
导　师: 吴争平
学　校: 中南大学
专　业: 冶金工程
关键词: 氢氧化镁硼锂结晶过程生长机理
分类号: TQ132.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

：以盐湖卤镁资源开发氢氧化镁产品既能为解决盐湖“镁害”问题提供便利,又能促进卤水有价元素如锂、硼等资源的综合利用开采。但目前用卤镁氨法提取氢氧化镁的工艺尚存在沉淀一次结晶粒径细、不易实现固液分离、难以获取高纯产品等难题。要开发高附加值氢氧化镁产品,实现盐湖卤镁资源综合利用,就必须阐明锂、硼杂质对卤水氨法沉镁过程的影响及杂质成分在溶液或产品中的赋存迁移规律。本文用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光粒度分析、红外光谱(FTIR)、热重(TG)和差示扫描量热分析(DSC)等测试技术,以含锂、硼卤镁溶液为原料,用氨法制备氢氧化镁,研究锂、硼杂质对结晶过程及其产物性质的影响规律；用水热法和均匀沉淀法制备具有特殊形貌的氢氧化镁晶体,探索氢氧化镁晶体生长机理。研究工作对设计开发卤水硼锂镁资源综合利用路线,进行氢氧化镁功能材料开发等方面有一定的理论和实际意义。本文取得的主要研究成果如下：(1)研究了室温下含氯化锂的氯化镁溶液氨法沉镁过程中锂对沉淀产物的性质的影响规律。研究结果表明,锂杂质的存在对沉淀产物的晶相、形貌、红外吸收影响较小,但锂离子能改变氢氧化镁沉淀颗粒的表面荷电性质,使沉淀粒子极性增强、团聚现象增加,比表面积比空白产物降低了约二十分之一。随锂杂质添加量从0.0375mol·L-1增加到3mol·L-1,氢氧化镁产物的热分解活化能呈现先升高后降低的变化趋势,热分解温度由380℃振荡下降到325℃。研究表明锂元素在氢氧化镁沉淀过程中几乎未向固相迁移。(2)研究了室温下含不同浓度硼酸氯化镁溶液氨法沉镁过程中硼对结晶过程及其产物性质的影响规律。研究结果表明,含硼杂质改变了氨法沉镁产物的成分,产物从结晶型氢氧化镁转变为无定形硼镁化合物,d(0.5)粒径平均比空白增大了约70倍；热分解性能等受硼杂质的影响显著,分解温度可达420℃,显著失重台阶的失重率从25%逐渐降低至13.7%,比空白样品的27%普遍降低；热分解活化能和DSC峰值温度都明显高于空白产物。研究表明硼元素以形成复杂硼镁化合物沉淀的方式从液相迁移至固相。(3)研究了室温下同时含不同浓度硼酸和一定量氯化锂的氯化镁溶液氨法沉镁过程中硼、锂对沉淀产物的性质共同影响规律。XRD、FTIR均检测到产物中含有复杂硼镁化合物,SEM表明硼锂杂质共存情形下制备的产物形貌与硼杂质单独存在时制备的沉淀产物较为接近,即硼杂质对产物性质的影响更明显。粒度分析表明随硼酸杂质量增加沉淀粒径呈现震荡上升又震荡下降的波动趋势,表明溶液中硼化合物的结构复杂。热分析结果表明产物热分解活化能与仅添加硼酸所得产物热分解活化能相比较相差不大,但DSC峰温向低温区移动,说明杂质锂可能使复杂硼镁化合物更容易发生热分解。(4)基于结晶学原理,利用水热处理法和均匀溶液沉淀法制备了六角板片状和织物纹理状的特殊形貌氢氧化镁。XRD、FTIR证实了两种产物均为氢氧化镁；粒度分析表明,随水热处理时间增加水热法产物粒度增加较缓慢,硫化铵法制备产物粒度较大、分布较宽。对各晶面尺寸相对大小比对可发现,在氨法、水热法和硫化铵法三种反应体系下氢氧化镁晶体优先发育面不同：水热处理后的氢氧化镁晶体(001)与(101)面比较是优先发育面,硫化铵法则是(101)面为优先发育面,而氨法则呈现(101)面与(001)面呈竞争发育的趋势。(5)用BFDH法进行晶体生长计算,结果表明氢氧化镁理想晶体的生长形态为六角片状,(001)非极性面最稳定,(100)晶面次之,(101)面暴露较少,计算结果与经水热处理后实际晶体的形貌非常相似。用量子化学方法,计算了氢氧化镁显露晶面(001)、(100)以及(101)S1ab模型的能量,其大小关系为E(001)<E(100)<E(101),说明(001)面表面能低,Mg(OH)2生长基元不容易沿其法向生长,而(100)和(101)面稳定性较低,有利于基元的生长。理论计算解释了水热法处理时氢氧化镁从胶体到六角片状转变的驱动力,微观上阐述了氢氧化镁的晶体生长机理。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-12
1 文献综述  12-27
  1.1 前言  12
  1.2 盐湖卤水资源与锂硼镁资源利用  12-16
    1.2.1 锂的利用与提取方法  13-14
    1.2.2 硼的利用与提取方法  14
    1.2.3 “镁害”与盐湖资源综合利用  14-15
    1.2.4 卤镁资源的利用与前景  15-16
  1.3 氢氧化镁的提取及利用现状概述  16-21
    1.3.1 氢氧化镁的性质与应用  16-18
    1.3.2 盐湖工业提取氢氧化镁的方法及问题  18-19
    1.3.3 氢氧化镁改性的研究现状  19-21
    1.3.4 氢氧化镁合成新方法的研究进展  21
  1.4 氢氧化镁理论研究现状  21-25
    1.4.1 沉镁反应热力学研究  21-22
    1.4.2 结晶模型与动力学研究  22-25
    1.4.3 氢氧化镁晶体生长研究现状  25
  1.5 本论文的研究意义与内容  25-27
2 实验材料以及分析检测方法  27-34
  2.1 实验原料及主要仪器设备  27-28
  2.2 镁锂母液浓度分析方法  28
  2.3 形貌和粒度分析  28-29
    2.3.1 形貌分析  28-29
    2.3.2 粒度分析  29
  2.4 结构分析方法  29-30
    2.4.1 X射线衍射分析  29-30
    2.4.2 傅立叶变换红外光谱  30
  2.5 热分析方法  30-34
    2.5.1 热重分析  31-32
    2.5.2 差示扫描量热分析  32-34
3 锂、硼对氨法沉镁过程及产品性质的影响规律  34-64
  3.1 含锂或硼氯化镁溶液氨法制备氢氧化镁  34-36
    3.1.1 含锂氯化镁溶液氨法沉镁样品的制备  34-36
    3.1.2 含硼酸氯化镁溶液氨法沉镁样品的制备  36
    3.1.3 含氯化锂和硼酸的氯化镁溶液氨法沉镁产物的制备  36
  3.2 锂对氨法沉镁过程及产品性质的影响  36-45
    3.2.1 样品结构性质分析  36-40
    3.2.2 样品形貌粒度分析  40-41
    3.2.3 样品热分解性质分析  41-45
  3.3 硼对氨法沉镁过程及产品性质的影响  45-54
    3.3.1 样品结构性质分析  45-47
    3.3.2 样品形貌粒度分析  47-49
    3.3.3 样品热分解性质分析  49-54
  3.4 锂、硼共存对氨法沉镁过程及产品性质的影响  54-61
    3.4.1 样品结构性质分析  54-57
    3.4.2 样品形貌粒度分析  57-58
    3.4.3 样品热分解性质分析  58-61
  3.5 小结  61-64
4 特殊形貌氢氧化镁制备与结晶机理  64-81
  4.1 两种特殊形貌氢氧化镁的制备  64-66
    4.1.1 水热处理法制备六角板片状结晶氢氧化镁  65
    4.1.2 均匀溶液沉淀法制备织物纹理状氢氧化镁  65-66
  4.2 表征结果  66-73
    4.2.1 X射线衍射分析  66-68
    4.2.2 红外光谱分析  68-69
    4.2.3 形貌分析与粒度  69-70
    4.2.4 热重分析  70-72
    4.2.5 DSC分析  72-73
  4.3 氢氧化镁晶体生长机理的研究  73-78
    4.3.1 氢氧化镁晶面发育状况  74-75
    4.3.2 氢氧化镁的生长形态预测  75-77
    4.3.3 氢氧化镁结晶习性的分析  77-78
  4.4 本章小结  78-81
5 结论  81-83
参考文献  83-89
致谢  89-90
攻读学位期间主要的研究成果  90

锂硼对氨法沉镁的影响规律及氢氧化镁晶体生长机理研究

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