盐湖水氯镁石合成三方硼镁石的结晶机理及动力学研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0734

摘要/Abstract

摘要：

硼酸镁是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、陶瓷和塑料高分子等行业中。针对活性MgO合成三方硼镁石成本高等缺点，以盐湖水氯镁石为镁源、五硼酸钠（或硼酸和氢氧化钠）为硼源，开展了水热法快速合成三方硼镁石的实验研究。采用动力学方法和拉曼光谱技术对其结晶机理及动力学进行了探讨。结果表明，温度、原料物质的量比对合成三方硼镁石影响较大，当温度为25 ℃或室温、五硼酸钠和氯化镁物质的量比为1:8时，三方硼镁石的合成时间短、纯度高。水氯镁石的加入可促进五硼酸钠碱金属溶液中的B₃O₃（OH）₄^-缩聚反应生成B₆O₇（OH）₆^2-，对应溶液则转化为碱土金属硼酸镁过饱和溶液，有利于六硼酸镁盐难溶化合物（三方硼镁石）的结晶析出，晶体生长机制为多核表面反应控制。该研究提供了一种三方硼镁石快速合成的方法，工艺简单且成本低，同时对盐湖镁资源综合利用也具有一定的指导意义。

关键词: 水氯镁石, 五硼酸钠, 三方硼镁石, 结晶机理, 动力学

Abstract:

Magnesium borates are important industrial chemicals which are widely used in glass，ceramics and plastic polymers，etc.Being aimed at improving the production cost of macallisterite from magnesium oxide，the synthesis of the macallisterite by hydrothermal method was investigated by using the salt lake bischofite as the magnesium source，and the sodium pentaborate（or boric acid and sodium hydroxide） as the boron source.The crystallization mechanism and kinetics of the macallisterite were also investigated by Raman spectroscopy and kinetics method.The results showed that the crystalline solid phases were dependent with the temperature and material mole ratios.The optimum temperature condition was 25 ℃ or room temperature and the corresponding mole ratio of sodium pentaborate and bischofite was 1:8，in which could precipitate a high purity crystalline solid phase with shorter time.The Raman results indicated that the addition of bischofite facilitated the polymerization of the B₃O₃（OH）₄^- anion into the B₆O₇（OH）₆^2- anion and the alkali metal sodium pentaborate solution transferred into the supersaturation of alkaline-earth metal magnesium borate，which was favorable for the crystallization of insoluble magnesium hexaborate（macallisterite）.The crystal growth mechanism was controlled by the multi-nucleus surface reaction.This study could give a rapid synthetic method for macallisterite with simple process and low cost and also provide useful information for the comprehensive utilization of magnesium resources.

Key words: bischofite, sodium pentaborate, macallisterite, crystallization mechanism, kinetics

中图分类号:

TQ132.2

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图/表 11

表1

表2

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表3

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参考文献 26

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温度/ ℃	n（NaB₅O₈）:n（MgCl₂）	XRD鉴定
25	1:4	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
	1:12	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O+MgCl₂·6H₂O+H₃BO₃（少量）
	1:16	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O+MgCl₂·6H₂O+H₃BO₃（少量）
40	1:4	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
	1:12	MgO·2B₂O₃·9H₂O+MgCl₂·6H₂O+NaCl（少量）
	1:16	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O+MgO·3B₂O₃·6H₂O+H₃BO₃ （少量）
60	1:4	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
60	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O

原料组成	温度/ ℃	n（NaB₅O₈）:n（MgCl₂）	XRD鉴定
水氯镁石+五硼酸钠固体	25	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
水氯镁石+五硼酸钠溶液*	25	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
水氯镁石+五硼酸钠溶液*	25	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
氯化镁饱和老卤+五硼酸钠溶液*	25	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O
氯化镁饱和老卤+五硼酸钠溶液*	25	1:8	MgO·3B₂O₃·7.5H₂O

项目	w（MgO）	w（B₂O₃）	w（H₂O）
实验值	10.48	54.44	35.66
理论值	10.49	54.35	35.16

动力学模型	残差平方和S	速率常数k	拟合优度R²
MA-1	0.080 1	0.141 3	0.986 7
MA-2	0.308 7	0.110 3	0.948 3
MA-3	1.022 7	0.091 9	0.831 4
MA-4	1.786 7	0.086 2	0.707 4

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