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氯化镁热解法制备高纯氧化镁：工艺、机理与性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

氧化镁（MgO）作为一种重要的无机化合物，凭借其高熔点（2852^{\circ}C）、良好的热稳定性、优异的电绝缘性以及独特的化学稳定性等特点，在众多领域展现出广泛且不可或缺的应用价值。

在耐火材料领域，氧化镁的高熔点和出色的抗热震性能使其成为关键原料。例如，在钢铁冶炼的高温炉衬中，氧化镁耐火材料能够承受高达1600^{\circ}C以上的高温，有效保护炉体结构，确保冶炼过程的稳定进行；在玻璃制造的熔炉中，氧化镁耐火材料可以抵抗玻璃液的侵蚀，提高熔炉的使用寿命。在电子工业中，氧化镁因其良好的电绝缘性和热导性，被广泛应用于制造电子陶瓷、集成电路基板等。以电子陶瓷为例，氧化镁的添加能够显著改善陶瓷的电学性能和机械性能，使其满足高频、高温等苛刻工作条件的要求。在医药领域，氧化镁常被用作抗酸剂和轻泻剂。它能够中和胃酸，缓解胃酸过多引起的胃痛、烧心等症状，同时其温和的轻泻作用有助于调节肠道功能。此外，在化工、环保、航空航天等领域，氧化镁也都发挥着重要作用。

随着现代工业的迅猛发展以及科学技术的不断进步，各行业对氧化镁的纯度提出了更高的要求。高纯氧化镁，通常指纯度达到97\%以上的氧化镁产品，其在高端领域的应用愈发广泛。在高性能陶瓷领域，高纯氧化镁是制备高温超导陶瓷、透明陶瓷的关键原料。例如，在高温超导陶瓷中，高纯氧化镁的精确控制能够保证陶瓷的超导性能，使其在强磁场、低温等极端条件下稳定工作；在透明陶瓷中，高纯氧化镁的高纯度和均匀的微观结构有助于提高陶瓷的透光率和机械强度。在催化剂领域，高纯氧化镁作为催化剂载体，能够提供更大的比表面积和更稳定的化学环境，有效提高催化剂的活性和选择性。例如，在石油炼制的催化裂化过程中，以高纯氧化镁为载体的催化剂能够显著提高轻质油的收率。然而，目前我国对高纯氧化镁的需求量每年缺口在9万吨左右，占总需求量的90\%以上，这表明开发高效、低成本的高纯氧化镁生产技术已成为当务之急。

当前，制备氧化镁的方法主要包括卤水纯碱法、卤水碳铵法、碳化法、镁盐直接热解法等。卤水纯碱法是将卤水加水稀释后与纯碱溶液反应生成碱式碳酸镁，再经煅烧得到氧化镁。该方法适用于卤水、纯碱资源丰富的地区，但成本较高，且反应过程中会引入较多杂质，影响产品纯度。卤水碳铵法是将海水制盐后的母液与碳酸氢铵混合沉淀，经多道工序后得到氧化镁，其主要缺点是能耗高，能耗费用约占总生产成本的75\%左右，同时副产品氯化铵的处理难度较大。碳化法以菱镁矿或白云石为原料，经过多步复杂工序制备氧化镁，产品纯度较低，难以满足高端应用的需求。镁盐直接热解法虽能制备出纯度较高的氧化镁，且工序相对简单，但产物氯化氢在有水蒸汽存在时对设备腐蚀性强，限制了其大规模应用。

氯化镁热解法作为一种备受关注的制备高纯氧化镁的方法，具有独特的优势。该方法以氯化镁为原料，在高温下氯化镁发生热解反应生成氧化镁，无需添加其他化学试剂，避免了杂质的引入。同时，其生产成本相对较低，工艺流程简单，符合绿色化学和可持续发展的理念，为解决高纯氧化镁的生产难题提供了新的思路。通过深入研究氯化镁热解法制备高纯氧化镁的工艺参数、热解机理及动力学等，可以为该方法的工业化应用提供坚实的理论基础和技术支持，对于填补我国高纯氧化镁的市场缺口、满足各行业对高纯氧化镁的需求具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在国外，对氯化镁热解法制备高纯氧化镁的研究开展较早且较为深入。美国、日本等国家的科研团队在热解工艺优化和热解机理研究方面取得了一系列成果。他们通过改进热解设备，采用先进的温度控制技术和气体氛围调控手段，有效提高了氯化镁的热解效率和氧化镁的纯度。例如，美国某研究团队利用流化床反应器进行氯化镁热解实验，在优化的反应条件下，实现了氯化镁热解率达到95\%以上，制备出的氧化镁纯度高达99.5\%。在热解机理研究方面，国外学者运用先进的光谱分析技术和量子化学计算方法，深入探究了氯化镁热解过程中的化学键断裂与重组机制，为热解工艺的进一步优化提供了理论依据。

国内对于氯化镁热解法制备高纯氧化镁的研究也在不断推进。近年来，东北大学等科研机构针对海绵钛生产过程中副产物熔融氯化镁的综合利用问题，开展了熔融氯化镁热解制备高纯氧化镁的研究。通过考察热解温度、氧气分压、反应时间等关键因素对热解效率的影响，发现随着热解温度升高，氯化镁的热解率明显提高；在一定时间区间内，延长反应时间有利于热解率的提高。在热解温度为1000^{\circ}C，氧分压为0.8atm，热解时间为50min条件下，氯化镁的热解率可达93.5\%，气相反应获得的氧化镁颗粒平均粒径在80-100nm，粒度分布均匀，分散性好，纯度很高。此外，国内学者