表面改性剂在超细氢氧化镁过滤中的应用*

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(青海大学化工学院，青海西宁 810016)

中国是镁资源大国，西部的盐湖镁资源尤为丰富，是生产高端氢氧化镁产品的绝佳原料。采用液相化学法制备氢氧化镁时，随着氢氧化镁颗粒的超细化会使料浆的过滤和洗涤变得十分困难[1-4]，由于应用性能的要求又需要生产具有有机化表面改性的氢氧化镁[5]。同时固液分离、有机化表面改性又是工程放大、简化工艺过程和降低生产成本所不可回避的关键性技术问题。提高固液分离效果的传统方法，是制备过程中对氢氧化镁颗粒进行水热处理和在固液分离前加入絮凝剂聚丙烯酰胺[6-7]。笔者在超细氢氧化镁的制备过程中，利用表面改性剂硬脂酸钠、水溶性钛磷酸脂偶联剂，在表面有机化改性的同时，对提高氢氧化镁浆料的过滤性能进行了实验研究。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

实验用氢氧化镁浆料由实验室自制,由氯化镁溶液和氨水溶液在控制工艺条件并加入粒度控制助剂的条件下制得。氢氧化镁为纳米级，团聚后为微米级颗粒，粒径分布较窄，平均直径为2.730 μm，形貌为不规则的团聚的片状晶形。硬脂酸钠(分析纯)、钛磷酸脂为水溶性螯合钛磷酸脂偶联剂季铵盐[D25≥1.008 g/cm3；黏度μ25=1 450%±20%，闪点(开口)≥100 ℃，折光率1.487±0.002，pH为7±0.5，水溶性≥1∶3]、邻苯二甲酸正二辛脂(DOP，分析纯)。

1.2 实验方法

将固含率为15%的待改性的超细氢氧化镁悬浮液 100 mL置于250 mL三角瓶中,在搅拌条件(470 r/min)下缓慢加入一定组成的改性剂，反应至特定时间后取出样品烘干,并测定样品的吸油值。待样品制备一定量后，进行过滤实验。

1.3 分析方法及样品表征

吸油值的测定[8]:称取1～5 g试样放入磁蒸发皿,将DOP自微量滴定管中滴入试样内,每次加入0.2 mL并充分研磨,至粉末已能以松散的小粒黏成一密实的大团并且不会破碎,又能黏附在磁蒸发皿上时即为终点。吸油量以每100 g质量试样所吸油的体积X(mL)表示,按下式计算:

X=V/m×100

(1)

式中，V为消耗的DOP的体积，mL；m为试样的质量，g。

过滤性能的分析方法[9]：对制备的表面改性超细氢氧化镁按照体积比加入一定量水充分搅拌配制悬浮液，然后进行恒压过滤实验。记录过滤时间及单位面积滤液体积，直接计算滤饼的过滤常数来考察过滤的难易，并与空白样进行对比。

用JSM—5610LV/INCA型系列低真空扫描电子显微镜观察样品的形貌；用X′pert pro型X射线衍射仪对样品物相及结构进行表征；用MS—2000型激光粒度仪分析样品的粒度分布。

2 结果与讨论

2.1 表面改性效果比较

图1为吸油值与改性剂加入量的关系。由图1可知，无论使用硬脂酸钠还是钛磷酸脂改性剂,超细氢氧化镁的吸油值均随改性剂用量的增加而逐渐减少。未改性的超细氢氧化镁吸油值高达65 mL[100 g Mg(OH)2],经硬脂酸钠改性后吸油值略降低，每100 g Mg(OH)2加入量为3 g时的吸油值仍高达53 mL，而使用少量的钛磷酸脂即可显著降低超细氢氧化镁的吸油值，每100 g Mg(OH)2中加入钛磷酸2.0 g时吸油值即可降至46 mL，进一步增加钛磷酸脂偶联剂用量还可使吸油值进一步降低，但降幅有所减缓。由于吸油值在一定程度上综合体现

图1 吸油值与改性剂加入量的关系[以100 g Mg(OH)2计]

了相对降黏值和浸润角这2项指标，因此可用来间接评判超细氢氧化镁与有机介质的亲和性。吸油值越低，亲和性越高[8]。上述结果表明，与用硬脂酸钠相比，采用钛磷酸脂可使改性后的超细氢氧化镁具有与有机介质更高的亲和性。

2.2 过滤性能实验

2.2.1 过滤性能常数的测定

在过滤面积A(m2)上对待测的悬浮料浆进行恒压过滤实验，测出一系列时刻θ(s)上的累积滤液量V(m3)，并在此计算出一系列q=(V/A)值(m3/m2)，从而得到一系列相互对应的Δθ与Δq之值。在直角坐标系中标绘Δθ/Δq-q间的函数关系，可得一系列的直线。在此基础上，氢氧化镁悬浮料浆在特定的改性剂及压强差条件下的过滤常数即可获得[9]。

分别用改性剂钛磷酸脂、硬脂酸钠进行恒压过滤实验，在改性剂加入量不同的条件下，考察对Δθ/Δq-q关系的影响，见图2、图3及表1。由图2、图3可见，两种改性剂添加与否对实验点的拟合直线的斜率影响较大，且随着改性剂添加量的增加斜率都进一步减小，但当表面改性剂的添加量为氢氧化镁粉体质量的2.00%时，随着改性剂添加量的增加斜率减小的趋势明显减缓，同时所有实验点的拟合直线的截距也都呈现下降趋势。由图2、表1还可看到，添加量由1.00%增至2.00%时，实验点的拟合直线斜率由200 120减小到105 280，且添加量继续增加斜率几乎不变，而由图3、表1可见，添加量由1.00%增至2.00%时，实验点的拟合直线斜率由159 270减小到44 900，继续添加量增加斜率仍呈现减小趋势，但趋势明显减小。因为滤饼的比阻与实验点的拟合直线的斜率成正比，故改性剂的添加可以显著减小滤饼的比阻，但改性剂的添加量超过2.00%后，其添加量对滤饼的比阻的影响不大。在同样改性剂添加量的条件下，用硬脂酸钠改性氢氧化镁所形成滤饼比阻明显小于钛磷酸脂。

图2钛磷酸脂的添加量对Δθ/Δq-q关系的影响图3硬脂酸钠的添加量对Δθ/Δq-q关系的影响

表1 改性剂用量对Δθ/Δq-q直线的影响

实验表明，改性后的滤饼避免了穿滤现象。这是因为当加入表面改性剂后, 由于有机高分子具有长链, 它可通过“架桥”的方式同时吸附两个或更多的微粒, 生成较大的絮团, 由于小的超细氢氧化镁微粒在过滤前已被转化为大的絮团, 故能大大降低穿滤现象, 也不会产生小颗粒堵塞介质孔道的现象，加速了过滤速度，减小了滤饼的比阻,得到过滤常数如表2所示。

表2 改性剂的加入量对过滤常数影响

2.2.2 密度及含水量测定

表3为改性剂对滤饼的密度及含水量影响。由表3可以看出，随表面改性剂用量的增加，滤饼的密度逐渐减小，当改性剂用量在2.00%左右时减小趋势显著减缓，而滤饼的含水量却有逐渐升高的趋势。这主要是因为：在堆积的滤饼中,固体颗粒表面有附着水和粒与粒之间有粒间水, 粒间水可随着过滤时间延长除去一部分, 但经过表面改性后的附着水不能随过滤时间延长而除去。随着表面改性剂用量的增大,在颗粒表面上形成黏散结构增大,必使颗粒的位阻和间距增大，团聚趋势减弱，表观体积增大，导致滤饼的表观密度渐小，同时使得这种黏散结构带有附着水量增大, 故滤饼含水量上升。两种改性剂之间比较指标的差异，主要源于它们的分子结构不同，以及氢氧化镁表面被不同改性剂改性后电性的差异。

表3 改性剂对滤饼的密度及含水量影响

2.2.3 操作及生产能力讨论

以54框的BM70-800/25的板框式压滤机为例。设过滤机入口处滤浆的表压及滤布与实验相同，每次过滤完毕用清水洗涤滤饼，洗水的温度及表压与滤浆相同，而洗水的体积为滤液体积的8%(体积分数)。辅助操作时间为15 min。

通过生产的操作性分析可知，改性剂的加入可以显著提高过滤速率，缩短洗涤时间。图4为过滤速率与改性剂加入量的关系。由图4可见，当未添加改性剂时，滤饼的过滤终了时的速率为0.802×10-3m3/s，随着添加量的增大添加硬脂酸钠比添加钛磷酸脂过滤速率提高更快，当改性剂的添加量为2.00%时，改性剂为钛磷酸脂过滤速率为3.10×10-3m3/s，而硬脂酸钠的为5.71×10-3m3/s,此后随着改性剂添加量的增大两者过滤速率仍有提高，但明显减缓。图5为洗涤时间与改性剂加入量之间的关系。由图5可见，当未添加改性剂时，滤饼的洗涤时间为2 697.3 s，两种改性剂随着添加量的增大添加硬脂酸钠比添加钛磷酸脂洗涤时间降低更快，当改性剂的添加量2.00%时，改性剂为硬脂酸钠的滤饼的洗涤时间为336 s，而钛磷酸脂的为623 s，此后随着改性剂添加量的增大两者洗涤时间降低都有所减缓。

图4过滤速率与改性剂加入量的关系图5洗涤时间与改性剂加入量的关系

表4为改性剂对板框式压滤机生产能力的影响。由表4可见，未改性时其生产能力仅为2.92 m3/h，而当改性剂的添加量为2.00%时改性剂为硬脂酸钠时板框式压滤机生产能力为11.03 m3/h，而改性剂为钛磷酸脂时为8.05 m3/h。所以，改性剂的加入可以显著提高板框式压滤机的生产能力，且不同的改性剂其对生产能力的提高效果不同，疏水性强的效果更明显。但它们都有一个相对的较合理的添加量，这主要和被改性粉体的比表面积有关。

表4 改性剂对板框压滤机生产能力的影响

3 结论与展望

通过对表面改性剂在超细氢氧化镁过滤中的应用，得出以下结论：1)在液相化学法制备氢氧化镁的过程中，同时进行表面有机化改性处理，在不引入絮凝剂的同时提高了固液分离效果，简化工艺过程。2)表面有机化改性后的氢氧化镁料浆过滤时避免了穿滤现象，过滤性能和生产能力都得到显著提高。这不仅有利于对滤饼的洗涤，而且在滤饼含水量一定的条件下，势必显著降低压滤机的操作压力。3)可进一步研究两种改性剂复合包覆后的“协同效应”，不仅可使试样的吸油值下降，明显增加与有机介质的亲和性和相容性，而且可使试样的疏水性增强、过滤比阻下降，显著提高试样的过滤性能。4)在研究颗粒比表面积、堆积方式等的变化对过滤性能影响的同时，探索改性前后颗粒表面的特性的变化，是揭示提高无机超细粉体过滤性能共性的方向。

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