張忠闖，馮穎，董鑫，閆宇航，張建偉

科學(xué)研究

撞擊流反應(yīng)-沉淀法制備氫氧化鎂超細(xì)粉體

張忠闖，馮穎，董鑫*，閆宇航，張建偉

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

以六水合氯化鎂和氫氧化鈉為原料，利用撞擊流反應(yīng)器采用反應(yīng)-沉淀法制備超細(xì)氫氧化鎂粉體。采用單因素分析方法考察了鎂離子濃度、進(jìn)料流量、循環(huán)撞擊時(shí)間、溫度和攪拌時(shí)間等對(duì)粉體平均粒徑的影響。結(jié)果表明：物料濃度和進(jìn)料流量以及循環(huán)撞擊時(shí)間對(duì)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(jìn)料流量為300 L·h-1、循環(huán)撞擊時(shí)間為60 min的最優(yōu)條件下，制得的超細(xì)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(yīng)沉淀法；氫氧化鎂；超細(xì)粉體；結(jié)晶

撞擊流混合原理是利用兩股流體高速相向撞擊增強(qiáng)撞擊區(qū)湍動(dòng)程度進(jìn)而強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)成功應(yīng)用于干燥、萃取、吸收、氣化等化工過(guò)程[1-5]。研究表明，撞擊流反應(yīng)器可以強(qiáng)化相間傳遞促進(jìn)快速反應(yīng)，適合制備超細(xì)粉體材 料[6-8]。目前的對(duì)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(tǒng)攪拌方式，撞擊方式能使物料快速形成過(guò)飽和區(qū)[9]，因此撞擊流反應(yīng)器在制備超細(xì)粉體方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文利用浸沒(méi)撞擊流反應(yīng)器（SCISR）制取超細(xì)氫氧化鎂粉體，分析反應(yīng)器內(nèi)瞬時(shí)濃度場(chǎng)，考察氯化鎂濃度、進(jìn)料流量、循環(huán)撞擊時(shí)間、溫度和攪拌時(shí)間等因素對(duì)粉體粒徑大小及其分布規(guī)律的影響，并對(duì)制備的粉體物相及形貌進(jìn)行表征，其得出的最優(yōu)工藝條件能為撞擊流反應(yīng)器制取超細(xì)粉體的工業(yè)應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

六水合氯化鎂，分析純，天津永大化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津大茂化學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)備與分析儀器

浸沒(méi)撞擊流反應(yīng)器裝置如圖1所示。平面激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)（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(guó)麥奇克公司；D8 Advance型X射線衍射儀（XRD），德國(guó)布魯克公司；JCM-7000型掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子株式會(huì)社；智能溫度調(diào)節(jié)器，江蘇奕鑫電器有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；EURO-ST 60CS25 攪拌器，德國(guó)艾卡儀器設(shè)備有限公司；電子秤，上海凱士電子有限公司。

圖1 浸沒(méi)撞擊流反應(yīng)器循環(huán)裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 Mg2+濃度對(duì)粒徑的影響

在進(jìn)料流量為500 L·h-1、循環(huán)撞擊時(shí)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(duì)粒徑的影響，結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)對(duì)不同Mg2+濃度下粒徑分布進(jìn)行擬合后，得到標(biāo)準(zhǔn)差（）分布?？梢钥闯鲭S著Mg2+濃度增高，平均粒徑和呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)Mg2+濃度為0.75 mol·L-1時(shí)，粒徑及其分布分別達(dá)到最小值，=1.509 μm，=0.73。當(dāng)Mg2+濃度小于 0.75 mol·L-1時(shí)，較低的過(guò)飽和度導(dǎo)致晶核生長(zhǎng)速率大于成核速率，此時(shí)粒徑較大且不均勻，粒徑分布較差。當(dāng)Mg2+濃度大于0.75 mol·L-1時(shí)，較高的過(guò)飽和度又會(huì)導(dǎo)致成核速率大于晶核生長(zhǎng)速率，從而抑制了晶核生長(zhǎng)，使晶核增多且生長(zhǎng)速度較慢。但由于單位體積內(nèi)晶核數(shù)量較多，粉體間碰撞概率增大，粉體易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[10]，導(dǎo)致粒徑分布較差，由此可見(jiàn)粒徑受濃度影響較大。

圖2 不同濃度下平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差分布

2.2 進(jìn)料流量對(duì)粒徑的影響

在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、循環(huán)撞擊時(shí)間為 60 min、溫度為45 ℃條件下，考察不同進(jìn)料流量（300、400、500、600、700 L·h-1）對(duì)粒徑影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同流量下粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差分布

由圖3可知，隨著進(jìn)料流量增大，和呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)料流量為300 L·h-1時(shí)粒徑及其分布達(dá)到最小值，=1.466 μm，=0.76。原因?yàn)殡S進(jìn)料流量的逐漸升高，局部區(qū)域過(guò)飽和度和整體過(guò)飽和度差值變大，局部區(qū)域晶核開(kāi)始生長(zhǎng)，導(dǎo)致粒徑分布范圍變大；當(dāng)進(jìn)料流量為300 L·h-1時(shí)，撞擊區(qū)過(guò)飽和且均勻，此時(shí)粉體平均粒徑較??；當(dāng)流量為700 L·h-1時(shí)，較高的流速導(dǎo)致局部過(guò)飽和區(qū)域增大，其與整體過(guò)飽和度差值較小，從而使平均粒徑變小，分布較好。

2.3 循環(huán)撞擊時(shí)間對(duì)粒徑的影響

為考察不同循環(huán)撞擊時(shí)間對(duì)粒徑的影響，在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、進(jìn)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(huán)撞擊時(shí)間下粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差分布

由圖4可知，和隨循環(huán)撞擊時(shí)間的增加而減小。在循環(huán)撞擊時(shí)間為60 min時(shí)取得最小平均粒徑和方差，分別為=1.777 μm，=0.45。隨著循環(huán)撞擊時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液中Mg2+和OH-離子濃度逐漸降低，反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，成核速率變得緩慢，由于延長(zhǎng)了撞擊時(shí)間導(dǎo)致顆粒間的碰撞概率增大，從而產(chǎn)生較小直徑的顆粒。但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，粉體間易發(fā)生團(tuán)聚，此時(shí)增加撞擊時(shí)間對(duì)顆粒粒徑的影響不再顯著。

2.4 溫度對(duì)粒徑的影響

在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、進(jìn)料流量為500 L·h-1、循環(huán)撞擊時(shí)間為60 min條件下，考察不同溫度（25、35、45、55、65 ℃）對(duì)粒徑的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，粉體粒徑隨反應(yīng)溫度的升高而先減小后增大，而值為先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為55 ℃時(shí)平均粒徑及方差取得極小值，=1.675 μm，=0.93。當(dāng)溫度較低時(shí)，成核速率和晶核生長(zhǎng)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(dāng)溫度較高時(shí)，分子活化能增高，反應(yīng)速率增加，成核速率較高，抑制了晶核生長(zhǎng)速率，因此粒徑不斷減小，但過(guò)高的溫度會(huì)加快晶核生長(zhǎng)速率[11]，從而導(dǎo)致粒徑增加。此外溫度的升高，也會(huì)導(dǎo)致溶度積變化，部分粒子溶解再結(jié)晶[12]，從而影響粒徑及其分布。

圖5 不同溫度下粒徑期望、標(biāo)準(zhǔn)差分布

2.5 攪拌時(shí)間對(duì)粒徑的影響

在Mg2+濃度為0.5 mol·L-1、撞擊流反應(yīng)器進(jìn)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(shí)間（10、20、30、40、50、60 min），考察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)粒徑的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 攪拌時(shí)間與循環(huán)撞擊時(shí)間對(duì)粒徑的影響

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

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)利用浸沒(méi)撞擊流反應(yīng)器制備超細(xì)氫氧化鎂粉體，研究了鎂離子濃度、進(jìn)料流量、循環(huán)撞擊時(shí)間、溫度和攪拌時(shí)間對(duì)粉體粒徑的影響，得出以下結(jié)論：

1）氯化鎂濃度、進(jìn)料流量和循環(huán)撞擊時(shí)間對(duì)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(jìn)料流量和循環(huán)撞擊時(shí)間的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。

2）由實(shí)驗(yàn)得出最佳參數(shù)條件為氯化鎂濃度為0.75 mol·L-1，進(jìn)料流量為300 L·h-1，循環(huán)撞擊時(shí)間為60 min，此工況下制得的平均粒徑為1.152 μm。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：21476141）；遼寧省“興遼英才計(jì)劃”高水平創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XLYC1808025）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：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(jié)能過(guò)程裝備的開(kāi)發(fā)研究。

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