氯化銨轉(zhuǎn)化新工藝的機(jī)理及條件探究

李 非，周建敏，李鋮鈺，徐文濤，張昕玥，李欣偉，王 軍，紀(jì)志永，趙穎穎，郭小甫，袁俊生

（1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院/海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心，天津300130；2.河北省現(xiàn)代海洋化工技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心；3.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院/化工節(jié)能過程集成與資源利用國家-地方聯(lián)合工程實驗室）

隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性發(fā)展，純堿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 一直備受關(guān)注［1-3］。近年來國家城鎮(zhèn)化水平逐步提高和房地產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，國內(nèi)對純堿仍有很大的需求，同時全球?qū)儔A的需求仍保持增長趨勢［4-5］。未來純堿市場或?qū)⒀永m(xù)弱穩(wěn)態(tài)勢，供需矛盾短期內(nèi)難以得到緩解。

目前純堿生產(chǎn)方法主要有天然堿法、 聯(lián)堿法和氨堿法。在全球的純堿生產(chǎn)中，中國純堿產(chǎn)能位居全球第一，其次是美國。美國由于天然堿資源豐富，其巨大的純堿產(chǎn)能幾乎全部來自于天然堿法［6］，而中國的純減產(chǎn)能幾乎全部來自于聯(lián)堿法。氨堿法因為在生產(chǎn)過程中會存在比較多的廢棄物，大量廢棄物能否有效合理利用對氨堿法的發(fā)展至關(guān)重要［7］，目前也有很多研究嘗試解決氨堿法生產(chǎn)帶來的環(huán)境污染問題［8-10］。聯(lián)堿法是中國生產(chǎn)純堿的主要方法，該方法生產(chǎn)純堿會得到大量的副產(chǎn)物氯化銨，每生產(chǎn)1 t 純堿會產(chǎn)生1 t 氯化銨，聯(lián)堿法生產(chǎn)企業(yè)受氯化銨產(chǎn)品的影響虧損嚴(yán)重［11］。不少研究者致力于氯化銨出路的探索，目前已有的一些研究普遍是針對氯化銨母液的利用研究［12-13］。而筆者提出的一種新型氯化銨轉(zhuǎn)化方法是采用固相氯化銨和碳酸鎂進(jìn)行反應(yīng)。該方法制備工藝簡單，采用固相反應(yīng)制得的氯化鎂粉末無團(tuán)聚、填充性好，除此之外產(chǎn)物氨氣和二氧化碳可與純堿產(chǎn)業(yè)進(jìn)行耦合，可實現(xiàn)無污染物排放。中國氯化銨的產(chǎn)量占世界氯化銨總產(chǎn)量的95%，在目前市場上已出現(xiàn)嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩現(xiàn)象，提出一種高附加值的氯化銨轉(zhuǎn)化方式具有十分廣闊的應(yīng)用前景［14］。

自21 世紀(jì)以來，隨著國家對海洋資源的重視和利用，國家開始注重鎂資源的開發(fā)利用。氯化鎂是一種重要的化工產(chǎn)品，廣泛用于冶金、建筑、交通、化工、紡織、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，以氯化鎂作為原料可以制造金屬鎂、二號溶劑、碳酸鎂、氫氧化鎂、氧化鎂、鹽酸、鎂砂等冶金和化工產(chǎn)品。目前氯化鎂市場產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，從純度品質(zhì)和用途來看主要有工業(yè)級氯化鎂、食品級氯化鎂和醫(yī)用級氯化鎂，其中食品級和醫(yī)藥級氯化鎂市場前景廣闊，高端化精細(xì)化是未來氯化鎂一個很有潛力的發(fā)展方向［15］。

基于以上現(xiàn)狀，筆者提出的氯化銨轉(zhuǎn)化工藝采用的原料為固體氯化銨和碳酸鎂，二者進(jìn)行固相加熱反應(yīng)制得產(chǎn)物氯化鎂、氨氣、二氧化碳和水蒸氣，其中氨氣和二氧化碳可回收與純堿產(chǎn)業(yè)耦合用于純堿生產(chǎn)，整個過程無污染物排放。從苦鹵中提取氯化鎂是20 世紀(jì)50年代以來開發(fā)的一項傳統(tǒng)工藝，具體流程為苦鹵先蒸發(fā)濃縮提取氯化鉀，提取完氯化鉀的老鹵經(jīng)蒸餾提取溴素，最后以提溴母液經(jīng)蒸發(fā)濃縮制得氯化鎂［16］。該法制備的氯化鎂雜質(zhì)多，提純精制需通過提溴母液除雜、漂白、沉降分離、蒸發(fā)濃縮等工序，制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，還難以保障產(chǎn)品質(zhì)量全部符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。而筆者提出的氯化銨新型轉(zhuǎn)化方法制得的氯化鎂相較于傳統(tǒng)的苦鹵提取法具有以下優(yōu)點：顆粒無團(tuán)聚，產(chǎn)物為固相方便運輸存儲，純度高、雜質(zhì)少，不論是從直接脫水制備無水氯化鎂還是進(jìn)一步制備精細(xì)氯化鎂，都有傳統(tǒng)生產(chǎn)方式無法比擬的優(yōu)勢。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器設(shè)備

原料：氯化銨（NH4Cl）、碳酸鎂（MgCO3），均為分析純。

儀器設(shè)備：馬弗爐，TD31001 型電子天平。反應(yīng)裝置主體實驗設(shè)備是馬弗爐（見圖1），反應(yīng)物在爐膛內(nèi)的坩堝內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)物填料方式是沿坩堝內(nèi)壁均勻貼壁鋪展，這樣的填料方式使得兩種固相反應(yīng)更為充分。自制坩堝架將坩堝支撐起來不與爐膛壁面接觸，受熱均勻，使坩堝內(nèi)壁各處的反應(yīng)均能較為穩(wěn)定地進(jìn)行。

圖1 均勻貼壁式填料反應(yīng)裝置

1.2 實驗過程

按所需碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比稱量3 份藥品，先取一份藥品將二者攪拌混合均勻，如圖1 所示鋪展方式將混合后的藥品置于坩堝內(nèi)壁，蓋好蓋子，稱其質(zhì)量，其余兩份藥品重復(fù)上述操作。將3 個裝有藥品的坩堝放置在馬弗爐內(nèi)，設(shè)置馬弗爐的升溫時間為1 h，即1 h 后到達(dá)反應(yīng)指定的溫度。根據(jù)不同實驗方案設(shè)置反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間。啟動馬弗爐后進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后將坩堝取出，稱量反應(yīng)后的質(zhì)量，將藥品裝袋保存用于后續(xù)滴定操作。

1.3 實驗結(jié)果分析方法

反應(yīng)結(jié)束后盡快將產(chǎn)物取出，防止產(chǎn)物吸水影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。用電子天平稱量一定量反應(yīng)產(chǎn)物，用燒杯溶解后倒入容量瓶定容。用漏斗和濾紙過濾，用移液管移取清液進(jìn)行和Mg2+滴定分析，并對結(jié)果進(jìn)行離子守恒驗證。

采用EDTA 法分析所得產(chǎn)物中鎂離子的含量，得出轉(zhuǎn)化為氯化鎂的氯化銨總量，從而得出氯化銨轉(zhuǎn)化率，計算方法見式（1）。用NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定產(chǎn)物中銨根的含量。由于過濾后幾乎沒有沉淀剩余，反應(yīng)產(chǎn)物中剩余的碳酸鎂雜質(zhì)可忽略不計。由樣品XRD 表征結(jié)果可知所得產(chǎn)物為六水氯化鎂，在產(chǎn)物純度計算中減去產(chǎn)物中剩余的氯化銨雜質(zhì)含量進(jìn)而得出六水氯化鎂的含量，可計算出產(chǎn)物中氯化鎂的純度，計算方法見式（2）。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體氯化銨和碳酸鎂反應(yīng)機(jī)理熱力學(xué)探究

固體氯化銨和碳酸鎂反應(yīng)機(jī)理推斷有以下兩種：

反應(yīng)機(jī)理①：

反應(yīng)機(jī)理②：

根據(jù)《實用無機(jī)物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊》查得各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)［17］見表1。

表1 物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)

針對反應(yīng)機(jī)理①進(jìn)行熱力學(xué)分析。選取參考溫度為298 K 時用物質(zhì)吉布斯自由能函數(shù)法［17］計算反應(yīng)機(jī)理①在500 K 時的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能

反應(yīng)吉布斯自由能Δφ′T由下式計算：

根據(jù)反應(yīng)機(jī)理①代入數(shù)據(jù)計算可得：Δφ′T=614.08 J/K。

計算反應(yīng)機(jī)理①的標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng)：

物質(zhì)吉布斯自由能函數(shù)法［17］計算500 K 時的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能時采用下式計算：計算得由于反應(yīng)在500 K時不能發(fā)生，這與實驗所得結(jié)果不符，故固體氯化銨和碳酸鎂的反應(yīng)機(jī)理①不成立。

同理驗證反應(yīng)機(jī)理②。氯化銨受熱易分解，373 K 時開始分解，610 K 時完全分解為氨氣和氯化氫，故在500 K 條件下反應(yīng)機(jī)理②的第一步成立。通過熱重測試進(jìn)一步驗證反應(yīng)機(jī)理②的第一步，該工藝反應(yīng)的熱重測試結(jié)果見圖2。由圖2 看出，373 K開始出現(xiàn)質(zhì)量損失，即氯化銨開始分解。

反應(yīng)機(jī)理②第二步重復(fù)上述計算可得反應(yīng)的吉布斯自由能Δφ′T=53.19 J/K； 標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng)19.059 kJ； 標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能由于反應(yīng)在500 K 時能自發(fā)進(jìn)行，這與實驗所得結(jié)果相符，故固體氯化銨和碳酸鎂的反應(yīng)機(jī)理②成立。反應(yīng)機(jī)理②驗證過程中可知故反應(yīng)過程吸熱，升高溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。氣體氯化氫和固體碳酸鎂體系反應(yīng)的吉布斯自由能隨溫度的變化見圖3。由圖3 可知，氣相氯化氫和固相碳酸鎂反應(yīng)的吉布斯自由能隨溫度的升高而降低，360 K左右時反應(yīng)的吉布斯自由能小于0，氣體氯化氫和固相碳酸鎂的反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，而固體氯化銨開始分解的溫度為373 K，可知在有氣體氯化氫生成時即可與固體碳酸鎂發(fā)生反應(yīng)，該工藝反應(yīng)即可發(fā)生。

圖2 工藝反應(yīng)的熱 重測試結(jié)果

圖3 反應(yīng)吉布斯自由 能變化圖

綜上所述，在固體氯化銨和碳酸鎂的反應(yīng)過程中，固體氯化銨轉(zhuǎn)化制得氯化鎂的過程實際分為兩步，第一步固體氯化銨分解為氨氣和氯化氫，第二步氯化氫和碳酸鎂反應(yīng)制得氯化鎂、二氧化碳和水。

2.2 氯化銨轉(zhuǎn)化率影響因素的單因素變量分析

1）反應(yīng)溫度對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響。取碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.2∶2.0、反應(yīng)時間為120 min，探究反應(yīng)溫度對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響，實驗結(jié)果見圖4a。由圖4a 看出，氯化銨轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。溫度過低時氯化銨分解率低，生成的氯化氫氣體量少，與碳酸鎂反應(yīng)生成的氯化鎂量少，因此氯化銨轉(zhuǎn)化率低；隨著溫度的升高氯化銨分解率提高，生成的氯化氫氣體量大，與碳酸鎂反應(yīng)生成的氯化鎂量大，因此氯化銨轉(zhuǎn)化率高；在溫度超過一定值時氯化銨大量分解，但是由于溫度升高導(dǎo)致分子擴(kuò)散加快，生成的氯化氫氣體來不及與碳酸鎂反應(yīng)就已經(jīng)逸出，反應(yīng)效率下降，使得氯化銨轉(zhuǎn)化率下降。由圖4a 可知最佳反應(yīng)溫度為498 K，在此條件下氯化銨轉(zhuǎn)化率為88.5%。

2）反應(yīng)配料比對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響。設(shè)置反應(yīng)溫度為523 K、反應(yīng)時間為120 min，改變氯化銨和碳酸鎂物質(zhì)的量比（配料比），探究配料比對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響，實驗結(jié)果見圖4b。由圖4b 可知，隨著碳酸鎂比例增加氯化銨轉(zhuǎn)化率不斷升高，在碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的比為1.8∶2.0 時氯化銨轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大（94.85%），之后繼續(xù)增加碳酸鎂的比例氯化銨轉(zhuǎn)化率下降。這可能是由于過多的碳酸鎂覆蓋影響了氯化銨的受熱分解，使得氯化銨轉(zhuǎn)化率降低。最佳配料比為1.8∶2.0。

3）反應(yīng)時間對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響。在反應(yīng)溫度為498 K、 碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比為1.4∶2.0條件下探究了反應(yīng)時間對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響，實驗結(jié)果見圖4c。由圖4c 可知，氯化銨轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。反應(yīng)剛開始時，由于反應(yīng)時間較短，碳酸鎂和氯化銨反應(yīng)不充分，氯化銨轉(zhuǎn)化率低；隨著反應(yīng)時間延長氯化銨轉(zhuǎn)化率不斷增大，到120 min 時達(dá)到最大值；之后隨著反應(yīng)時間繼續(xù)延長氯化銨轉(zhuǎn)化率開始下降。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的可能原因為：氯化鎂吸濕能力較強(qiáng)，該反應(yīng)有水生成，在這樣的潮濕環(huán)境中氯化鎂的吸潮返鹵現(xiàn)象較為突出［18］，返鹵現(xiàn)象會導(dǎo)致氯化鎂產(chǎn)率降低，即氯化銨轉(zhuǎn)化率降低。在氯化鎂的返鹵反應(yīng)及碳酸鎂與氯化銨反應(yīng)的綜合作用下，總的結(jié)果使得氯化鎂生成率降低，即使得氯化銨的轉(zhuǎn)化率降低。實驗表明最佳反應(yīng)時間為120 min，在此條件下氯化銨轉(zhuǎn)化率為91.05%。

圖4 各因素對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響

2.3 正交實驗

2.3.1 正交實驗方案及結(jié)果

以氯化銨轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)，以反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和配料比為影響因素，每個因素選擇3 個水平，設(shè)計3 因素3 水平正交實驗。正交實驗因素及水平見表2，實驗方案及結(jié)果見表3。

表2 正交實驗因素與水平

表3 正交實驗方案及結(jié)果

由正交實驗結(jié)果看出，在合適的轉(zhuǎn)化條件下氯化銨的轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%以上。表3 的9 組實驗氯化鎂純度均可達(dá)到QB/T 2605—2003《工業(yè)氯化鎂》（氯化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥44.5%）的要求。氯化銨轉(zhuǎn)化率與氯化鎂純度的峰值出現(xiàn)在不同的條件，由于所得氯化鎂純度均符合工業(yè)氯化鎂標(biāo)準(zhǔn)，且純度差異不大，所以將氯化銨轉(zhuǎn)化率作為選擇最佳反應(yīng)條件的主要指標(biāo)。由表3 可知，轉(zhuǎn)化率最高的一組實驗為實驗7，操作條件為碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比為1.8∶2.0、反應(yīng)溫度為523 K、反應(yīng)時間為120 min，氯化銨轉(zhuǎn)化率為97.42%；其次是實驗4，操作條件為碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比為1.6∶2.0、反應(yīng)溫度為498 K、反應(yīng)時間為120 min，氯化銨轉(zhuǎn)化率為96.82%。由氯化銨轉(zhuǎn)化率的極差分析可知，對氯化銨轉(zhuǎn)化率的影響由強(qiáng)到弱的因素分別為反應(yīng)時間、 碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度。

2.3.2 驗證實驗結(jié)果

由表3 所得兩組轉(zhuǎn)化率較高的實驗進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果見表4。由表4 可知，兩組實驗氯化銨轉(zhuǎn)化率和氯化鎂純度差別不大，均對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

表4 驗證實驗結(jié)果

2.4 結(jié)果表征

2.4.1 XRD 分析

分別將5 種不同反應(yīng)條件制備的產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖5。5 種反應(yīng)條件：a）反應(yīng)溫度為523 K，碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.4∶2.0，反應(yīng)時間為120 min；b）反應(yīng)溫度為523 K，碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.6∶2.0，反應(yīng)時間為120 min；c）反應(yīng)溫度為498 K，碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.4∶2.0，反應(yīng)時間為120 min；d）反應(yīng)溫度為523 K，碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.8∶2.0，反應(yīng)時間為120 min；e）反應(yīng)溫度為498 K，碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.4∶2.0，反應(yīng)時間為150 min。從圖5 看出，5 組產(chǎn)物均表現(xiàn)出峰位一致的衍射峰，說明5 組樣品所含物質(zhì)基本相同，均為六水氯化鎂，殘存部分為未反應(yīng)的氯化銨。

圖5 不同反應(yīng)條件制備的產(chǎn)物XRD 譜圖

2.4.2 表面形貌分析

圖6a、b 為反應(yīng)溫度為523 K、碳酸鎂與氯化銨物質(zhì)的量比為1.4∶2.0、 反應(yīng)時間為120 min 制備產(chǎn)物的SEM 照片；圖6c 為反應(yīng)溫度523 K、碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比為1.8∶2.0、 反應(yīng)時間為120 min制備產(chǎn)物的SEM 照片。由圖6a、b 看出反應(yīng)產(chǎn)物為疏松片狀結(jié)構(gòu)；由圖6c 看出產(chǎn)物有部分吸水，表面發(fā)生了潮解，有輕微的結(jié)塊現(xiàn)象。產(chǎn)物的疏松片狀結(jié)構(gòu)使其具有易吸水潮解的特性，應(yīng)盡快密封儲存，保持干燥。

圖6 反應(yīng)產(chǎn)物的SEM 照片

2.4.3 EDS 分析

圖7 是對圖6a 產(chǎn)物的EDS 分析。由圖7 看出產(chǎn)物主要有Si、Mg、Cl、C、O 元素，C、O 為基本元素。由于在EDS 測試過程中以硅片作為樣品載體，因此能譜分析中出現(xiàn)了Si 的信號峰； 無N 元素的特征峰，可能是由于氯化銨含量較少，導(dǎo)致在所選區(qū)域的表面掃描中未檢測出。產(chǎn)物中元素主要為Mg 和Cl。

3 結(jié)論

實驗先從探究固體氯化銨和碳酸鎂的反應(yīng)機(jī)理角度出發(fā)，而后進(jìn)行反復(fù)多次實驗來獲得最佳反應(yīng)條件。從工藝的探究過程和實驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：1）從節(jié)能減排和綠色化工的角度而言，該工藝合理地解決了目前純堿產(chǎn)業(yè)氯化銨產(chǎn)能過剩的問題，解決了目前純堿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。另外，該工藝得到了一種更高附加值的氯化鎂產(chǎn)物，同時氨氣和二氧化碳可回收用于純堿生產(chǎn)，整個生產(chǎn)過程無廢液、廢氣排放。除此之外，該工藝采用固相加熱反應(yīng)，具有填充性好、操作簡單、不易團(tuán)聚等優(yōu)點。2）從熱力學(xué)角度分析了固體氯化銨和碳酸鎂的反應(yīng)機(jī)理，該反應(yīng)實際反應(yīng)途徑分為兩步，第一步固體氯化銨分解為氨氣和氯化氫，第二步氯化氫和碳酸鎂反應(yīng)制得氯化鎂、二氧化碳和水蒸氣，為探索最佳反應(yīng)條件提供了理論指導(dǎo)。3）實驗確定了最佳反應(yīng)條件：碳酸鎂和氯化銨物質(zhì)的量比為1.8∶2.0，反應(yīng)溫度為523 K，反應(yīng)時間為120 min，為其實現(xiàn)工業(yè)化推廣打下了堅實基礎(chǔ)。在實驗室探究結(jié)果基礎(chǔ)上，研究的下一步方向?qū)すに嚁?shù)據(jù)進(jìn)行計算，并對工藝裝備進(jìn)行分析選型，對該實驗方法進(jìn)行工藝設(shè)計。

致謝：天津大學(xué)馬沛生教授、南京工業(yè)大學(xué)馮新教授在本文研究過程中提出了寶貴建議，在此特別感謝。