一种利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法

本发明属于无机微纳米材料的制备，具体涉及一种利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法。

背景技术：

1、无水碳酸镁(mgco3)是碳酸镁正盐的单晶体，自然界中以菱镁矿形式存在，具有绝热、耐高温、高导热等综合性能，是一种重要的无机化工材料，可被用作高分子材料、功能陶瓷和玻璃、摩擦材料、炭阳极等材料及食品的添加剂、合成多孔碳等分级结构材料的模板、药物和吸附材料的优良载体、轻金属合金的细化剂等。此外，无水碳酸镁以其绿色环保的特性展现出其在无卤阻燃剂、光学、水处理方面的应用价值，在新材料领域倍受关注。

2、然而，市场上所谓的无水碳酸镁产品实则是机械粉磨后的天然菱镁矿粉，存在粒径不均匀、形貌不规则且无法控制等不足，严重限制了其使用范围。因此，国内外研究者对无水碳酸镁晶体制备及形貌调控等方面进行了诸多研究。在国外，markus等利用氯化镁和碳酸钠为原料，于120℃、0.3mpa的二氧化碳气氛中反应15h合成了粒径较粗的块状无水碳酸镁，并初步探究了中间产物的种类。kristian等利用碱式碳酸镁为原料，乙二醇为溶剂，于150℃合成了无水碳酸镁晶体，研究发现乙二醇能够降低水的活度，加速相转化进程。edward等在高温高压下，以氢氧化镁为镁源，二氧化碳为碳源，菱镁矿和三氧化二铝为晶种，合成了平均粒径为10μm的块状无水碳酸镁晶体，发现菱镁矿可以促进无水碳酸镁的析出。国内研究者邢政等利用不同镁源与尿素在160℃下水热反应30h获得了平均粒径为10μm的块状无水碳酸镁微晶。杨学林等以乙酸镁、硫酸钠、六亚甲基四胺为原料，160℃反应24h水热合成了平均粒径约为30μm的无水碳酸镁微粒，并发现其在室温下具有良好的致光特性。王英伟等以菱镁矿煅烧所得工业级轻烧镁粉为原料，采用定-转子反应器制备前驱体三水碳酸镁，并以碳酸氢钠为添加剂，于160℃水热反应1h获得平均粒度为1.267μm的菱面体块状无水碳酸镁颗粒。

3、综上可知，无水碳酸镁晶体主要是以可溶性镁盐和碳酸盐等分析纯化学试剂为原料，存在合成成本高、经济性不强、副产物易引发环境污染等问题；而以天然水镁石/水氯镁石为原料制备无水碳酸镁晶体，存在工艺流程复杂、耗能高、不具备工业放大生产等问题。此外，大部分无水碳酸镁晶体粒径分布不均、形貌多为单一块状。因此制备出粒径分布均匀、分散性好、形貌多样的无水碳酸镁晶体可以拓宽其在实际工业生产中的应用领域。

技术实现思路

1、针对当前现有技术的不足，本发明提供了一种水热法制备多形貌无水碳酸镁晶体的方法。该方法以未经特殊处理的天然水镁石或水氯镁石为原料，水溶性维生素或脂溶性维生素为添加剂，采用水热法制备无水碳酸镁晶体，具有工艺流程简单、生产成本低，且制备的无水碳酸镁粒径分布均一、分散性良好、形貌规整、多样。此外，本方法不仅无任何污染副产物产生，还获得了高附加值碳球材料，广泛应用于储能、吸附、生物医学、催化等领域。

2、为实现上述目的而采用的技术方案是：

3、本发明的一种利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，包括以下步骤：

4、制备添加剂溶液，调整ph值后加入镁源，搅拌混合均匀后，置于水热釜中反应，反应完成后，经过滤干燥后获得纯相无水碳酸镁晶体，联产碳球。

5、进一步地，所述添加剂为水溶性维生素和脂溶性维生素中的一种。

6、更进一步地，所述的水溶性维生素为维生素c或维生素b9，所述的脂溶性维生素为维生素a或维生素d；当添加剂为水溶性维生素时，添加剂溶液的溶剂为水；当添加剂为脂溶性维生素时，添加剂溶液的溶剂为无水乙醇。

7、进一步地，所述添加剂溶液的浓度为0.1～1.0mol/l，ph值为2.0～5.0，使用氢氧化钠溶液调节添加剂溶液ph值。

8、进一步地，所述镁源为天然水镁石和水氯镁石中的一种。

9、进一步地，所述反应温度为110～240℃，反应时间为2～14h，搅拌速率为100～600r/min。

10、更进一步地，所述镁源用量为5～120mg/ml。

11、更进一步地，所述反应温度为150～210℃。

12、更进一步地，所述反应时间为4～12h。

13、更进一步地，所述搅拌速率为200～500r/min。

14、本发明与现有技术相比，其有益效果为:

15、第一：本发明首次利用以水镁石/水氯镁石原矿为原料直接合成纯相无水碳酸镁晶体，原料来源丰富且价格低廉，是一种极佳的原料选择，可代替硫酸镁、氯化镁、硝酸镁、氢氧化镁等纯化学试剂，产物合成成本显著降低。

16、第二：本发明可操作性强，制作周期短，工艺流程简单，仅需一步即可得到粒径分布均匀、形貌规整、分散性良好的多形貌无水碳酸镁晶体，反应不仅无任何废物产生，还获得了高附加值碳球，且实现了原料的高值化利用，具有良好的工业应用前景。

技术特征：

1.一种利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述的水溶性维生素为维生素c或维生素b9，所述的脂溶性维生素为维生素a或维生素d。

3.根据权利要求2述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，当添加剂为水溶性维生素时，添加剂溶液的溶剂为水；当添加剂为脂溶性维生素时，添加剂溶液的溶剂为无水乙醇。

4.根据权利要求3所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述添加剂溶液的浓度为0.1～1.0mol/l，ph值为2.0～5.0。

5.根据权利要求1所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述镁源为天然水镁石和水氯镁石中的一种。

6.根据权利要求1所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述反应温度为110～240℃，反应时间为2～14h，搅拌速率为100～600r/min。

7.根据权利要求1所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述镁源用量为5～120mg/ml。

8.根据权利要求6所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述反应温度为150～210℃。

9.根据权利要求6所述的利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，其特征在于，所述反应时间为4～12h。

技术总结
一种利用水镁石或水氯镁石一步合成无水碳酸镁晶体及碳球的方法，涉及无机微纳米材料的制备技术领域。该方法以天然矿物为原料，以水溶性维生素或脂溶性维生素中的一种为添加剂，经水热反应获得多形貌无水碳酸镁晶体及碳球。其特征在于采用以下方案：配置pH值为2.0～5.0的添加剂溶液，加入水镁石、水氯镁石中的一种，反应温度为110～240℃，反应时间为2～14h，搅拌速率为100～600r/min，反应后固液分离，上层为碳球，下层疏松粉末状为无水碳酸镁晶体，干燥后获得物相单一的碳球以及粒径分布均一、分散性良好不同形貌无水碳酸镁晶体。本发明工艺流程简单，生产成本低，高效节能，具有良好的工业应用前景，实现了天然矿物的高值化利用和废液的零排放。

技术研发人员：王余莲,刘珈伊,印万忠,孙浩然,韩会丽,张一帆,李克卿,于航欢
受保护的技术使用者：沈阳理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29