撞擊流反應-沉淀法制備氫氧化鎂超細粉體

張忠闖，馮穎，董鑫，閆宇航，張建偉

科學研究

撞擊流反應-沉淀法制備氫氧化鎂超細粉體

張忠闖，馮穎，董鑫*，閆宇航，張建偉

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

以六水合氯化鎂和氫氧化鈉為原料，利用撞擊流反應器采用反應-沉淀法制備超細氫氧化鎂粉體。采用單因素分析方法考察了鎂離子濃度、進料流量、循環撞擊時間、溫度和攪拌時間等對粉體平均粒徑的影響。結果表明：物料濃度和進料流量以及循環撞擊時間對氫氧化鎂粉體平均粒徑影響較大，在氯化鎂濃度為0.75 mol·L-1、進料流量為300 L·h-1、循環撞擊時間為60 min的最優條件下，制得的超細氫氧化鎂粉體粒徑分布均勻，其平均粒徑為1.152 μm。

撞擊流；反應沉淀法；氫氧化鎂；超細粉體；結晶

撞擊流混合原理是利用兩股流體高速相向撞擊增強撞擊區湍動程度進而強化傳質傳熱，經過幾十年的發展已經成功應用于干燥、萃取、吸收、氣化等化工過程[1-5]。研究表明，撞擊流反應器可以強化相間傳遞促進快速反應，適合制備超細粉體材 料[6-8]。目前的對于制備研究主要集中在攪拌器攪拌、研磨和直接沉淀等方法。較于傳統攪拌方式，撞擊方式能使物料快速形成過飽和區[9]，因此撞擊流反應器在制備超細粉體方面具有明顯的優勢。本文利用浸沒撞擊流反應器（SCISR）制取超細氫氧化鎂粉體，分析反應器內瞬時濃度場，考察氯化鎂濃度、進料流量、循環撞擊時間、溫度和攪拌時間等因素對粉體粒徑大小及其分布規律的影響，并對制備的粉體物相及形貌進行表征，其得出的最優工藝條件能為撞擊流反應器制取超細粉體的工業應用提供一定的依據。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

六水合氯化鎂，分析純，天津永大化學試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津大茂化學試劑有限公司；羅丹明6G，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；蒸餾水。

1.2 實驗設備與分析儀器

浸沒撞擊流反應器裝置如圖1所示。平面激光誘導熒光系統（PLIF），丹麥DANTEC公司；超聲振蕩器，小美超聲儀器有限公司；S-3500激光粒度分析儀，美國麥奇克公司；D8 Advance型X射線衍射儀（XRD），德國布魯克公司；JCM-7000型掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子株式會社；智能溫度調節器，江蘇奕鑫電器有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；EURO-ST 60CS25 攪拌器，德國艾卡儀器設備有限公司；電子秤，上海凱士電子有限公司。

圖1 浸沒撞擊流反應器循環裝置圖

2 結果與討論

2.1 Mg2+濃度對粒徑的影響

在進料流量為500 L·h-1、循環撞擊時間為 60 min、溫度為45 ℃條件下，考察不同Mg2+濃度（0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 mol·L-1）對粒徑的影響，結果如圖2所示。

通過對不同Mg2+濃度下粒徑分布進行擬合后，得到標準差（）分布。可以看出隨著Mg2+濃度增高，平均粒徑和呈先減小后增大的趨勢。當Mg2+濃度為0.75 mol·L-1時，粒徑及其分布分別達到最小值，=1.509 μm，=0.73。當Mg2+濃度小于 0.75 mol·L-1時，較低的過飽和度導致晶核生長速率大于成核速率，此時粒徑較大且不均勻，粒徑分布較差。當Mg2+濃度大于0.75 mol·L-1時，較高的過飽和度又會導致成核速率大于晶核生長速率，從而抑制了晶核生長，使晶核增多且生長速度較慢。但由于單位體積內晶核數量較多，粉體間碰撞概率增大，粉體易發生團聚現象[10]，導致粒徑分布較差，由此可見粒徑受濃度影響較大。

圖2 不同濃度下平均粒徑、標準差分布

2.2 進料流量對粒徑的影響

在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、循環撞擊時間為 60 min、溫度為45 ℃條件下，考察不同進料流量（300、400、500、600、700 L·h-1）對粒徑影響，結果如圖3所示。

圖3 不同流量下粒徑、標準差分布

由圖3可知，隨著進料流量增大，和呈現先增大后減小的趨勢。當進料流量為300 L·h-1時粒徑及其分布達到最小值，=1.466 μm，=0.76。原因為隨進料流量的逐漸升高，局部區域過飽和度和整體過飽和度差值變大，局部區域晶核開始生長，導致粒徑分布范圍變大；當進料流量為300 L·h-1時，撞擊區過飽和且均勻，此時粉體平均粒徑較小；當流量為700 L·h-1時，較高的流速導致局部過飽和區域增大，其與整體過飽和度差值較小，從而使平均粒徑變小，分布較好。

2.3 循環撞擊時間對粒徑的影響

為考察不同循環撞擊時間對粒徑的影響，在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、進料流量為500 L·h-1、溫度為45 ℃條件下，每10 min取樣一次，得到其粒徑分布如圖4所示。

圖4 不同循環撞擊時間下粒徑、標準差分布

由圖4可知，和隨循環撞擊時間的增加而減小。在循環撞擊時間為60 min時取得最小平均粒徑和方差，分別為=1.777 μm，=0.45。隨著循環撞擊時間的延長，溶液中Mg2+和OH-離子濃度逐漸降低，反應達到動態平衡，成核速率變得緩慢，由于延長了撞擊時間導致顆粒間的碰撞概率增大，從而產生較小直徑的顆粒。但是隨著時間的延長，粉體間易發生團聚，此時增加撞擊時間對顆粒粒徑的影響不再顯著。

2.4 溫度對粒徑的影響

在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、進料流量為500 L·h-1、循環撞擊時間為60 min條件下，考察不同溫度（25、35、45、55、65 ℃）對粒徑的影響，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，粉體粒徑隨反應溫度的升高而先減小后增大，而值為先增加后減小的趨勢，當溫度為55 ℃時平均粒徑及方差取得極小值，=1.675 μm，=0.93。當溫度較低時，成核速率和晶核生長速率較小，粉體易生成線狀或針狀晶體，使粒徑不均勻且分布較差。當溫度較高時，分子活化能增高，反應速率增加，成核速率較高，抑制了晶核生長速率，因此粒徑不斷減小，但過高的溫度會加快晶核生長速率[11]，從而導致粒徑增加。此外溫度的升高，也會導致溶度積變化，部分粒子溶解再結晶[12]，從而影響粒徑及其分布。

圖5 不同溫度下粒徑期望、標準差分布

2.5 攪拌時間對粒徑的影響

在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、撞擊流反應器進料流量為500 L·h-1、攪拌速度為800 r·min-1、溫度為45 ℃條件下，改變攪拌時間（10、20、30、40、50、60 min），考察不同反應時間對粒徑的影響，結果如圖6所示。

圖6 攪拌時間與循環撞擊時間對粒徑的影響

由圖6可知，平均粒徑隨攪拌時間的增加先減小后增大，當攪拌時間為50 min時，平均粒徑達到最小值4.85 μm。在同等條件下，用循環撞擊代替攪拌過程，可以看出平均粒徑隨著循環撞擊時間的增加而減小，且粒徑減小幅度較大，當循環撞擊時間為60 min時取得最小平均粒徑1.509 μm，約為攪拌過程取得的最小平均粒徑的1/3，可見在同等條件下制備超細氫氧化鎂粉體，循環撞擊方式要優于攪拌方式。

3 結 論

實驗利用浸沒撞擊流反應器制備超細氫氧化鎂粉體，研究了鎂離子濃度、進料流量、循環撞擊時間、溫度和攪拌時間對粉體粒徑的影響，得出以下結論：

1）氯化鎂濃度、進料流量和循環撞擊時間對粒徑影響顯著，粉體粒徑隨著鎂離子濃度的增加而先減小后增大，隨進料流量和循環撞擊時間的增加呈先增大后減小的趨勢。

2）由實驗得出最佳參數條件為氯化鎂濃度為0.75 mol·L-1，進料流量為300 L·h-1，循環撞擊時間為60 min，此工況下制得的平均粒徑為1.152 μm。

［1］YUE S, LIU X. Study of the drying characteristics in an asymmetric impinging stream reactor[J]., 2021,75(8):1-16.

［2］BAI J, XIE G, LI L, et al. Kinetics investigation of carbon dioxide hydrate formation process in a new impinging stream reactor[J]., 2019, 18(1):20190132.

［3］LI P, DU L, JING J, et al. Preparation of FeOOH nanoparticles using an impinging stream-rotating packed bed and their catalytic activity for ozonation of nitrobenzene[J]., 2021,127:102-108.

［4］LIU Y, WANG Y, XU W, et al. Simultaneous absorption–oxidation of nitric oxide and sulfur dioxide using ammonium persulfate synergistically activated by UV-light and heat[J].&, 2018,130: 321-333.

［5］張建偉，閆宇航，沙新力，等. 撞擊流強化混合特性及用于制備超細粉體研究進展[J]. 化工進展，2020，39（3）：824-833.

［6］劉洋，賈慶明，蔣麗紅，等.超聲霧化法制備超細粉體的研究進展[J].化工新型材料，2019，47（5）：213-217..

［7］劉迪，蔡衛濱，韓雪，等.直接沉淀法制備五氧化二鈮超細粉體[J].無機鹽工業，2018，50（7）：48-50.

［8］SUN J H, YI J F, QING P L, et al. Preparation of ultrafine flake aluminum oxide powder by carbonation[J]., 2019, 48(1):122-126.

［9］WU G H, ZHOU H Z, ZHU S L. Precipitation of barium sulfate nanoparticles via impinging streams[J]., 2006, 61(1): 168-170.

［10］劉英莉，朱文超，鄒志云，等. 超細粉體團聚性表征技術研究[J]. 中國粉體技術，2020，26（6）：45-50.

［11］高本征，萬舒晨.不同表面處理方式氧化鋁粉體/硅橡膠復合材料性能研究[J].當代化工，2022，51（3）：615-618.

［12］LUO Y, ZHOU J Q, GUO Z, et al. Theoretical analysis of fluid mixing time in liquid-continuous impinging streams reactor[J]., 2015, 22(8): 3217-3222.

Preparation of Magnesium Hydroxide Ultrafine Powder by Impinging Stream Reaction-Precipitation Method

, DONG Xin

（School of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China）

Ultrafine magnesium hydroxide powder was prepared by reaction precipitation method using magnesium chloride hexahydrate and sodium hydroxide as raw materials in an impinging stream reactor. The single factor analysis method was used to investigate the effects of magnesium ion concentration, feed flow rate, cycle impact time, temperature and stirring time on the average particle size of the powder. The results showed that compared with the traditional stirring method, the complete mixing time of the impinging stream reactor was shorter. The material concentration, feed flow rate and cycle impact time had great influence on the average particle size of magnesium hydroxide powder. Under the optimal conditions of magnesium chloride concentration of 0.75 mol·L-1, feed flow of 300 L·h-1and cycle impact time of 60 min, the particle size distribution of superfine magnesium hydroxide powder was uniform, and the average particle size was 1.152 μm.

Impinging stream; Reactive precipitation; Magnesium hydroxide; Ultrafine powder; Crystallization

TK124

A

1004-0935（2023）09-1241-04

國家自然科學基金項目（項目編號：21476141）；遼寧省“興遼英才計劃”高水平創新創業團隊項目（項目編號：XLYC1808025）；中央引導地方科技發展專項（項目編號：2020JH6/10500051）。

2022-09-19

張忠闖（1998-），男，吉林省德惠市人，碩士研究生，研究方向：新型高效節能過程裝備的開發研究。

董鑫（1990-），女，講師，博士，研究方向：環境流體多相流傳遞理論與技術。