CN102424409A - 一种制备轻质碳酸镁的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备轻质碳酸镁的方法，属于超细颗粒制备领域。首先，将氯化镁溶液加热到50-90℃，然后加入超重力反应器中，然后同时通入含NH₃和CO₂气体的混合气体，溶液在反应器中与混合气体逆流接触，溶液循环进料，在超重力反应器中进行NH₃和CO₂的循环混合吸收反应，反应完毕后过滤，用去离子水洗涤掉氨离子和氯离子；在110℃下烘干制成轻质碳酸镁；其中氯化镁浓度为0.1～1mol/L；操作压力为常压，1atm；超重力水平118～600g。本发明能够实快速微观均匀混合，达到制备轻质碳酸镁所需要的均相成核条件，工艺容易控制，无需陈化。本发明的方法工艺简便，效率高，易于规模放大。

Description

一种制备轻质碳酸镁的方法

技术领域

本发明涉及一种轻质碳酸镁的制备方法，具体是采用气液快速混合反应沉淀制备轻质碳酸镁，属于超细颗粒制备领域。

背景技术

轻质碳酸镁是由MgCO₃、Mg(OH)₂和H₂O按一定摩尔比组成的，是一种白色结晶或无定形粉末，无毒，无味，在空气中稳定。其分子式为xMgCO₃·yMg(OH)₂·zH₂O(其中x＝1～4，y＝0～1，z＝0～8)。轻质碳酸镁微溶于水，能使水呈弱碱性，在水中长时间煮沸，有部分分解为氢氧化镁。易溶于酸和铵盐溶液，遇稀酸即起泡分解，放出CO₂。加热至300℃以上即分解出水和二氧化碳，生成氧化镁。其流动性好，分散性和填充性优良。

生产轻质碳酸镁的主要原料包括如下几种：一是矿物原料如菱镁矿、白云石、水镁石等；二是卤水；三是初级制品镁化合物，如工业级硫酸镁、氢氧化镁等。

轻质碳酸镁的生产方法很多，根据原料来源和生产方式可分为如下几类。

(1)以矿石为主要原料的制备方法

地球上含镁矿种主要有菱镁矿、溢晶石及白云石等。在传统工业中生产轻质碳酸镁主要以这些矿石为原料来制取。其主要制法为：白云石-碳化法、菱镁矿-碳铵法、苦土粉-硫酸-碳酸氢铵法等。

白云石碳化法反应原理如下：

白云石煅烧  MgCO₃·CaCO₃→MgO·CaO+2CO₂

消化        MgO·CaO+2H₂O→Mg(OH)₂+Ca(OH)₂

碳化        Mg(OH)₂+Ca(OH)₂+3CO₂→Mg(HCO₃)₂+CaCO₃+H₂O

热解    5Mg(HCO₃)₂→4MgCO₃·Mg(OH)₂·4H₂O+4H₂O+6CO₂

其具体化学过程为将含MgO17％以上的白云石与无烟煤按[(8～10)∶1]比例混合，置于窑内，在1000～1200℃锻烧，获得白云石熟料；消化槽中在搅拌情况下，用反应中的废液直接将块状的白云石消化成灰乳，达一定浓度后送入碳酸化塔，用来自石灰窑经洗涤净化后的二氧化碳进行碳酸化；塔下部安一个布气装置可使气体均匀进入塔内；碳酸化液进入澄清池澄清，获得重镁水清液，余泥加适量清水洗涤，回收其中有效镁(MgO)，后送至板框过滤机过滤，滤饼碳酸钙弃去；澄清的重镁水和滤液送至重镁水贮槽经泵送入管式热解器，直接通蒸汽加热使热解生成轻质碳酸镁。

苦土粉-硫酸-碳酸氢铵法：

将苦土粉等含镁矿物经硫酸酸解、过滤、精制得硫酸镁溶液，同碳酸氢铵进行复分解反应，反应完成浆料经热解、分离、干燥等程序制得药用碳酸镁。具体过程如下：

酸解

将苦土粉过100目筛后，置于溶解槽中，在不低于70℃搅拌下缓慢加入一定浓度的硫酸溶解，按比例渐渐加入硫酸后，槽中发生：

MgO+H₂SO₄→MgSO₄+H₂O

反应过滤得清液后。

精制

在硫酸镁中引入的主要杂质离子为Fe³⁺，Fe²⁺，Ca²⁺，Al³⁺等，在常温下，加入适量氧化剂(如H₂O₂)，调pH＝7.5～8.5，将杂质离子除去。

复分解

将碳酸氢铵制成饱和溶液，加入硫酸镁中，其反应为

MgSO₄+2NH₄HCO₃→Mg(HCO₃)₂+(NH4)₂SO₄

热解

将含碳酸氢镁的溶液用蒸汽加热、控温，使其转化为药用碳酸镁沉淀。具体反应如下：

Mg(HCO₃)₂+2H₂O→MgCO₃·3H₂O+CO₂

4(MgCO₃·3H₂O)→3MgCO₃·Mg(OH)₂·4H₂O+CO₂+7H₂O

分离干燥

将悬浮液离心分离，烘干得产品。

以上两种方法是目前国内生产轻质碳酸镁常用的工艺方法，但是这些传统方法，生产成本较高，工艺流程长，设备庞大，工序繁杂，投资大，产品质量较难控制，并且在生产过程中造成的工业“三废”污染严重，且得到的产品杂质含量较高，并且还涉及到矿石的采集及加工等一系列问题。

(2)以卤水为主要原料的制备方法

以海水、卤水等液态镁资源生产高纯及超高纯的镁产品有很多优点。海水、卤水中含有的杂质相对较少，以此为原料除杂工序比镁矿中除杂简单，并且除杂的成本也可大大降低。其制备方法主要有卤水纯碱法、卤水碳铵法、卤水碳化法等等。

卤水-纯碱法

原料为老卤(氯化镁的饱和溶液，氯化钠含量不宜过高)。将老卤加水稀释至20Be左右，纯碱在温水中溶化澄清后，亦加水稀释至20Be左右，分别预热至55℃左右。

反应原理为：

5MgCl₂+5Na₂CO₃+5H₂O→4MgCO₃·Mg(OH)₂·4H₂O+CO₂+10NaCl

5MgSO₄+5Na₂CO₃+7H₂O→4MgCO₃·3Mg(OH)₂·6H₂O+CO₂+5Na₂SO₄

将老卤放入反应器中，在搅拌条件下，徐徐加入纯碱溶液，进行计量反应或反应至溶液中镁离子稍有剩余，停止加入纯碱溶液，继续搅拌料浆5min，反应温度维持在55℃，反应完成后，再将反应后的混合物在90～100℃下热解一定的时间，沉淀经两次真空过滤，洗涂，破碎，干燥，粉碎，风选，得产品。

卤水-碳铵法

盐场来的卤水除掉杂质后，放入反应锅中，定量地加入碳化氨水，卤水∶碳化氨水＝1∶0.4～0.5，不断搅拌，生成的沉淀经陈化，离心分离，洗涤，烘干，可得产品。具体反应如下：

MgCl₂+2NH₄HCO₃→Mg(HCO₃)₂+2NH₄Cl

Mg(HCO₃)₂→MgCO₃+H₂O+CO₂

5MgCO₃+5H₂O→4MgCO₃·Mg(OH)₂·4H₂O+CO₂

(3)以工业级硫酸镁为原料的制备方法

将工业级粗制硫酸镁加到反应釜中，加水至质量分数为35％～40％，搅拌至完全溶解，加精制Na₂S溶液，调pH为1～2，加热到90℃，冷却后过滤，再调节pH到7～8，加热，过滤得精制硫酸镁溶液，分别加热硫酸镁溶液与纯碱溶液至60℃，然后搅拌混合升温至100℃，恒温2h，冷却，过滤，离心分离，并将滤饼烘干，粉碎得产品，母液中蒸发浓缩得Na₂SO₄。

(4)以氢氧化镁为原料的制备方法

将一定量的氢氧化镁按比例溶解在去离子水中，控制溶液温度，向其中喷射CO₂气体，喷射速度为190mL/min，控制反应终点pH值在7.5～9.0之间，以去离子水洗涤几次后，在100～120℃之间将产品烘干，粉碎，得到产品轻质碳酸镁。

此方法可得到纯度很高的轻质碳酸镁，并且产品晶形易于控制，是制备特殊用轻质碳酸镁的一种有效方法，但是，此方法需要控制反应中pH值、CO₂的喷入量，并且要先制备原料氢氧化镁，其操作工艺较为复杂，生产成本较高。

上述方法都存在着纯度不高，经济性低，环境效益低等缺点。此法与卤水-碳铵法以及其他方法相比，其优势在于，此法不需要制备出碳铵溶液，可直接由工厂排出的废NH₃和CO₂经超重力机由MgCl₂溶液耦合吸收反应后制得。采用超重力机作为反应装置，用MgCl₂溶液耦合吸收NH₃和CO₂制备轻质碳酸镁，既可以节约设备费，又可以强化NH₃和CO₂的吸收效果。且该工艺简单容易控制，制备过程不需要陈化，直接过滤干燥既得产品轻质碳酸镁。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种工艺简单、产品收率高、生产成本低、无污染物产生的轻质碳酸镁的生产方法。

本发明是方法，其特征在于，包括以下步骤：以工业氯化镁、含CO₂和NH₃的废气为原料，以超重力反应器为反应装置，NH₃和CO₂的体积比为(1.8～2.2)∶1；首先，将氯化镁溶液加热到50-90℃，然后加入超重力反应器中，然后同时通入含NH₃和CO₂气体的混合气体，溶液在反应器中与混合气体逆流接触，溶液循环进料，在超重力反应器中进行NH₃和CO₂的循环混合吸收反应，反应完毕后过滤，用去离子水洗涤掉氨离子和氯离子；在110℃下烘干制成轻质碳酸镁。母液送纯碱厂回收利用。其反应方程式如下：

5Mg²⁺+4CO₂+10NH₃+10H₂O→4MgCO₃·Mg(OH)₂·4H₂O+10NH₄ ⁺

氯化镁浓度为0.1～1mol/L，优选0.2～0.5mol/L。操作压力为常压，1atm。超重力水平优选118～600g。反应温度保持在50～90℃范围，优选70～80℃。

氯化镁溶液与混合气体逆流接触反应后的反应混合液体经过排料口进入搅拌釜，然后由泵继续泵入超重力反应器进行NH₃和CO₂的循环吸收反应，反应系统通过控温装置控温，反应达到终点后过滤，用去离子水洗涤掉氨离子和氯离子；在110℃下烘干制成轻质碳酸镁。

本发明所述的氯化镁溶液按照通常的配置方法，原料采用工业氯化镁，溶解介质采用自来水。

本发明所述的超重力反应器是已经公开的超重力旋转床装置，包括填料床、折流式、螺旋通道等形式的超重力旋转床反应器(参考申请号91109255.2、91111028.3、01268009.5、200520100685.3、02114174.6和200510032296.6)，优选超重力旋转填料床。

本发明所述的超重力水平是指超重力旋转床装置中转子旋转产生的离心加速度的大小，通常用重力加速度g的倍数表示，主要和转子的转速及转子的内外径有关。超重力水平g_r可以用下式表示：

式中：n为转子每分钟的转速

r₁、r₂分别为转子的内、外径

本发明的超重力水平根据制备的需要控制在一定范围，以保证反应诱导期结束之前完成氯化镁溶液和混合气体的充分均匀混合，从而达到制备轻质碳酸镁所需要的均相成核条件，超重力水平过低无法实现反应物的充分混合，而达到一定的超重力水平之后，超重力水平的提高对反应亦已无太大影响。一般的实验结果是：在限定的范围内超重力水平越高，就会在越短的时间内达到越理想的均相成核条件，得到形貌均匀的轻质碳酸镁，超重力水平优选118～600g。

本发明的反应溶液中氯化镁浓度在一定范围，氯化镁浓度低，虽产物形貌均匀，但产量太少；若浓度过高，易产生团聚堵塞，导致不能在诱导期结束之前达到均相成核的条件，无法得到形貌均匀的轻质碳酸镁。本发明反应溶液中

本发明所述的反应温度保持在50～90℃范围，优选70～80℃。如果反应温度低，所得产物不纯；反应温度过高，则不易操作。

本发明所述的分离、过滤、洗涤和干燥等后处理工序为常规的处理方法。

本发明可采用用卤水和工业废气为原料，产品收率高、生产成本低，无污染物产生，收率达85％～95％，并且生产工艺简单。产品为具有纳米片结构的棒状或鸟巢状轻质碳酸镁，同时该产品的质量指标达到国标公布的轻质碳酸镁质量标准。

本发明制备的碱式碳酸镁为轻质碳酸镁，产品指标符合HG/T2959-2000标准优等品指标，如表1所示。

表1轻质碳酸镁化工行业标准HG/T2959-2000标准

本发明制备的轻质碳酸镁为具有纳米片结构的鸟巢状或棒状纳微结构的轻质碳酸镁。主要用做橡胶制品的填充剂和补强剂，除此以外，可用作油漆、油墨和涂料的添加剂，也可用于牙膏、医药和化妆品工业以及生产活性氧化镁的原料。

本发明的有益效果：本发明把超重力技术应用于氯化镁溶液耦合吸收NH₃和CO₂制备轻质碳酸镁，利用超重力反应器高度强化微观混合的能力并控制相应的工艺条件，达到常规釜式反应器无法达到的气液快速混合的要求，使得在反应溶液溶质浓度较高、处理量大的条件下，能够实现快速微观均匀混合，达到制备轻质碳酸镁所需要的均相成核条件，且工艺容易控制，无需陈化。本发明的方法工艺简便，效率高，易于规模放大。

附图说明

图1是本发明实施方案的反应工艺的示意图；

1搅拌釜，2泵，3液体流量计，4超重力反应器，5、6、7流量计，8气体混合罐，9气体流量计，10液体分布器，11控温装置；

图2是实施例1所制备的轻质碳酸镁的扫描电镜照片；

图3是实施例2所制备的轻质碳酸镁的扫描电镜照片；

图4是实施例3所制备的轻质碳酸镁的扫描电镜照片；

图5是实施例4所制备的轻质碳酸镁的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

以下实施例采用间歇反应操作方式，即：将配置好的氯化镁溶液在搅拌釜中先加热到指定温度，然后经泵泵入超重力反应器，并在反应器中与混合气体逆流接触，混合反应，反应达到终点后，经过滤，洗涤，干燥等处理工艺得到轻质碳酸镁。

通过如图1所示的一种实施工艺对本发明的实施方式进一步说明：

将按需要配制好的氯化镁溶液在搅拌釜(1)中搅拌均匀加热到指定温度，由泵(2)经液体流量计(3)泵入超重力反应器(4)中，N₂(加入N₂是为了模拟工业废气，也可以为空气等)、NH₃和CO₂经流量计(5，6，7)在气体混合罐(8)混合后由气体流量计(9)输送至超重力反应器。启动反应器后，在转子旋转过程中，将氯化镁溶液经液体分布器(10)，喷向填料层的内缘，在离心力的作用下由内缘向外缘流动，待系统稳定后通入气体，在填料层中，气体和液体进行充分的微观混合，反应混合液体经过排料口进入搅拌釜，然后由泵继续泵入旋转床进行吸收反应，反应系统通过控温装置(11)控温，反应达到终点后对反应物料后处理，间歇操作制备轻质碳酸镁。

本发明旋转床超重力反应器优选超重力旋转填料床，填料层中的填料包括，但不限于：金属材料和非金属材料的丝网、多孔板、波纹板、泡沫材料或规整填料。超重力反应器的超重力水平为118～600g，反应时间为20～30min。

实施例1

配制浓度为0.2mol/L的氯化镁溶液3L，反应温度75℃，调节液体流量100L/h，气体流量550L/h，NH₃和CO₂的体积含量分别为14％和7.8％，操作压力一个大气压，转速600rpm，转子外径10cm，内径5cm(超重力水平为150g)，反应达到终点，冷却过滤，用热的去离子水洗涤，在110℃烘干10h，产品为具有纳米片结构的棒状轻质碳酸镁(如图2)，颗粒长度分别为25um，宽度都为4um，纳米片厚度20nm左右，得产品77g，产率90％。

实施例2

配制浓度为0.3mol/L的氯化镁溶液3L，反应温度70℃，调节液体流量100L/h，气体流量550L/h，NH₃和CO₂的体积含量分别为14％和7％，操作压力一个大气压，转速800rpm，转子外径10cm，内径5cm(超重力水平为266g)，循环反应达到终点，冷却过滤，用热的去离子水洗涤，在110℃烘干10h，产品为具有纳米片结构的棒状轻质碳酸镁(如图3)，颗粒长度分别为15um，宽度都为4um，纳米片厚度20nm左右，得产品72.8g，产率85％。

实施例3

配制浓度为0.4mol/L的氯化镁溶液3L，反应温度76℃，调节液体流量100L/h，气体流量550L/h，NH₃和CO₂的体积含量分别为12.6％和7％，操作压力一个大气压，转速1000rpm，转子外径10cm，内径5cm(超重力水平为416g)，循环反应达到终点，冷却过滤，用热的去离子水洗涤，在110℃烘干10h，产品为具有纳米片结构的鸟巢状轻质碳酸镁(如图4)，颗粒平均粒径为8um，纳米片厚度20nm左右，得产品74.5g，产率87％。

实施例4

配制浓度为0.5mol/L的氯化镁溶液3L，反应温度80℃，调节液体流量100L/h，气体流量550L/h，NH₃和CO₂的体积含量分别为15.4％和7％，操作压力一个大气压，转速1200rpm，转子外径10cm，内径5cm(超重力水平为600g)，循环反应达到终点，冷却过滤，用热的去离子水洗涤，在110℃烘干10h，产品为具有纳米片结构的鸟巢状轻质碳酸镁(如图5)，颗粒平均粒径为5.5um，得产品83.4g，纳米片厚度20nm左右，产率95％。

Claims (3)

1.一种制备轻质碳酸镁的方法，其特征在于，包括以下步骤，以工业氯化镁、含CO₂和NH₃的废气为原料，以超重力反应器为反应装置，NH₃和CO₂的体积比为(1.8～2.2)∶1；首先，将氯化镁溶液加热到50-90℃，然后加入超重力反应器中，然后同时通入含NH₃和CO₂气体的混合气体，溶液在反应器中与混合气体逆流接触，溶液循环进料，在超重力反应器中进行NH₃和CO₂的循环混合吸收反应，反应完毕后过滤，用去离子水洗涤掉氨离子和氯离子；在110℃下烘干制成轻质碳酸镁；其中氯化镁浓度为0.1～1mol/L；操作压力为常压，1atm；超重力水平118～600g；反应温度50～90℃。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，氯化镁浓度为0.2～0.5mol/L。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，反应温度为70～80℃。

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