Hebei Messi Biology Co., Ltd. beschreibt ein Verfahren, bei dem leicht gebranntes Magnesiumpulver als Ausgangsmaterial dient. Das Pulver durchläuft zunächst einen Reinigungsprozess zur Entfernung von Verunreinigungen, um eine reine Magnesiumsulfatlösung zu erhalten. Anschließend wird ein Fällungsmittel zugesetzt, um ein basisches Magnesiumcarbonat als Vorstufe zu bilden; diese Vorstufe wird dann durch Kalzinierung zersetzt, wodurch hochreines, ultrafeines Magnesiumoxid entsteht.
Es wurden Versuche durchgeführt, um ein geeignetes Fällungsmittel auszuwählen und den Einfluss verschiedener Parameter – wie Reaktionstemperatur, Trocknungstemperatur, Trocknungsdauer, Kalziniertemperatur und Kalzinierdauer – auf die Partikelgröße des resultierenden Magnesiumoxids zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass bei Verwendung von (NH₄)₂CO₃ als Fällungsmittel – unter den Bedingungen einer Reaktionstemperatur von 40 °C, einer Trocknung bei 100 °C für 3 Stunden und einer Kalzinierung bei 700 °C für 3 Stunden – eine Magnesium-Umwandlungsrate von 90 % erreicht wurde. Das resultierende Magnesiumoxidpulver wies eine Partikelgröße von etwa 1,0 μm und eine Reinheit von über 98 % auf.
China verfügt über reiche Magnesitvorkommen, aus denen durch Kalzinierung verschiedene Produkte gewonnen werden. Leicht gebranntes Magnesiumpulver ist eines dieser Produkte; es handelt sich um ein hochreaktives basisches Oxid, das durch leichtes Kalzinieren von Magnesit bei spezifischen Temperaturen gewonnen wird. Es wird üblicherweise als Feinpulver (mit einer Feinheit von 100 oder 200 Mesh) verarbeitet und vertrieben; es besteht hauptsächlich aus Magnesiumoxid, enthält jedoch häufig Oxidverunreinigungen wie Eisen, Mangan, Aluminium, Calcium und Silicium. Aufgrund des einfachen Herstellungsverfahrens, der niedrigen Kosten und der hohen Produktionsmenge wird es häufig als Primärrohstoff mit geringer Wertschöpfung exportiert. Die Umwandlung des leicht gebrannten Pulvers in hochreines, ultrafeines Magnesiumoxid durch fortschrittliche Weiterverarbeitung kann die wirtschaftlichen Erträge erheblich steigern und den Mehrwert des Produkts erhöhen. 1. Experimentelle Methode:
1.1 Entfernung von Verunreinigungen: Eine bestimmte Menge leicht gebranntes Pulver (mit einem Massenanteil von 90 % Magnesiumoxid) wurde eingewogen und in einen Rührreaktor gegeben; dort wurde Wasser zugesetzt und das Gemisch gerührt. Anschließend wurde eine bestimmte Menge eines Additivs hinzugefügt und das Gemisch 5 bis 10 Minuten lang gründlich gerührt, bevor es einer Druckfiltration unterzogen wurde, um die im leicht gebrannten Pulver enthaltenen Calciumoxid-Verunreinigungen zu entfernen. Der Filterrückstand wurde 30 Minuten lang in einer 10-prozentigen Schwefelsäurelösung gelöst, wobei der pH-Wert der Lösung zwischen 2,0 und 3,0 und die Magnesiumoxid-Konzentration bei etwa 60 g/L (entspricht 1,5 mol/L) gehalten wurden. Unter Rühren wurde der pH-Wert auf 8,0–8,5 eingestellt und das Gemisch 10 Minuten lang stehen gelassen. Danach erfolgte eine Filtration zur Entfernung von Verunreinigungen wie Fe, Al und Mn²⁺; der Filterrückstand wurde verworfen.
1.2 Auswahl des Fällungsmittels: Nachdem die oben genannte Lösung die Qualitätsprüfung bestanden hatte, wurden verschiedene Fällungsmittel – darunter Ammoniumcarbonat, Ammoniumhydrogencarbonat, Natriumcarbonat, wässriges Ammoniak und Oxalsäure – in einem Molverhältnis von 1:1,2 zugesetzt, um das Magnesium auszufällen. Das resultierende Produkt wurde Druckfiltration, Waschen, Trocknen und Kalzinieren unterzogen, um hochreines Magnesiumoxid zu erhalten. Die Ausbeute wurde durch Wägung bestimmt und die Partikelgröße mittels Laser-Partikelgrößenanalyse gemessen. Das am besten geeignete Fällungsmittel wurde auf der Grundlage einer umfassenden Bewertung von Umsetzungsgrad und Partikelgröße ausgewählt.
2. Ergebnisse und Diskussion:
2.1 Einfluss der Art des Fällungsmittels auf die Partikelgröße des Produkts: Bei Raumtemperatur (10 °C) verliefen die Reaktionen von Oxalsäure und Ammoniumhydrogencarbonat mit der Magnesiumsulfatlösung langsam, während Natriumcarbonat, Ammoniumcarbonat und wässriges Ammoniak rasch unter Bildung von Niederschlägen reagierten. Unter diesen lieferten Natriumcarbonat und Ammoniumcarbonat die höchsten Mengen, wobei Ammoniumcarbonat die geringste Partikelgröße ergab; Natriumcarbonat neigte jedoch zur Bildung eines gelartigen Niederschlags, der schwer zu filtrieren war. Bei einer Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 50 °C bildeten auch Oxalsäure und Ammoniumhydrogencarbonat rasch Niederschläge; im Vergleich zu Ammoniumcarbonat führten sie jedoch zu geringeren Ausbeuten und größeren Partikelgrößen. Daher wurde Ammoniumcarbonat als das am besten geeignete Fällungsmittel ausgewählt.
2.2 Einfluss des Molverhältnisses von Metallionen zu Fällungsmittel auf die Partikelgröße des Produkts: Die Menge des zugesetzten Fällungsmittels ist ein entscheidender Parameter, da sie die Kristallmorphologie des Niederschlags und die Qualität des Endprodukts direkt beeinflusst; folglich wurde die Wirkung der Fällungsmitteldosierung untersucht. Unter Konstanthaltung der übrigen Versuchsbedingungen wurde Ammoniumcarbonat in Molverhältnissen von 1:1, 1:1,5, 1:2 und 1:2,5 zu einer Magnesiumsulfatlösung gegeben. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung des Verhältnisses der Reaktanden zu einem entsprechenden Anstieg des Umsatzgrades führte; bei Annäherung an ein Verhältnis von 1:2 blieb die Produktausbeute jedoch im Wesentlichen konstant. Zudem wurde die Partikelgröße des Produkts bei einem Verhältnis von 1:2 minimiert; daher wurde dieses Verhältnis als optimal für die Produktion ausgewählt.
2.3 Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Partikelgröße des Produkts: Die Reaktionstemperatur wurde variiert, während das Molverhältnis von 1:2 und die übrigen Bedingungen konstant gehalten wurden. Die Reaktionen wurden bei Temperaturen von 20 °C, 40 °C, 60 °C und 80 °C durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Reaktionstemperatur von etwa 40 °C optimal war. Bei dieser Temperatur wurde die Rohstoffausnutzung maximiert und ein Niederschlag mit guter Kristallform erzeugt, der sich leicht filtrieren und waschen ließ (was die Entfernung von Sulfationen erleichterte und die Qualität des Magnesiumoxids verbesserte), wobei gleichzeitig die geringste Partikelgröße erzielt wurde. Folglich wurde 40 °C als optimale Reaktionstemperatur festgelegt.
2.4 Einfluss der Trocknungstemperatur auf die Partikelgröße des Produkts: Die Trocknungstemperatur wurde variiert, während die übrigen Versuchsbedingungen denen in Abschnitt 2.3 entsprachen. Die Filterkuchen wurden bei Temperaturen von 80 °C, 100 °C und 120 °C getrocknet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Partikelgröße des Produkts bei einer Trocknungstemperatur von 100 °C minimiert wurde; daher wurde 100 °C als optimale Trocknungstemperatur gewählt.
2.5 Einfluss der Trocknungszeit auf die Partikelgröße des Produkts: Die Trocknungszeit wurde unter den zuvor genannten Versuchsbedingungen variiert. Filterkuchen wurden bei 100 °C über Zeiträume von 1, 2, 3 und 4 Stunden getrocknet. Die Partikelgröße des Produkts nahm mit zunehmender Trocknungszeit ab und erreichte nach 3 Stunden ein Minimum. Die Änderungsrate der Partikelgröße verlangsamte sich, je mehr sich die Dauer der 3-Stunden-Marke näherte, während die Partikelgröße nach 3 Stunden wieder anstieg. Somit wurde eine Trocknungszeit von 3 Stunden als optimal bestimmt.
2.6 Einfluss der Kalzinierungstemperatur auf die Partikelgröße des Produkts: Die Kalzinierungstemperatur wurde variiert, während die übrigen Bedingungen konstant gehalten wurden, um deren Einfluss auf die Partikelgröße des Produkts zu untersuchen. Die Zwischenprodukte wurden bei Temperaturen von 400 °C, 500 °C, 600 °C bzw. 700 °C kalziniert. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass das Produkt bei einer Kalzinierungstemperatur von 600 °C die geringste Partikelgröße aufwies; bei dieser Temperatur stabilisierte sich der Masseverlust des Produkts, wohingegen übermäßig hohe Temperaturen zu Agglomeration führten. Daher wurde 600 °C als optimale Kalzinierungstemperatur gewählt.
2.7 Einfluss der Kalzinierungsdauer auf die Partikelgröße des Produkts: Unter Beibehaltung der übrigen Bedingungen wurde die Kalzinierungsdauer variiert und das Zwischenprodukt bei 600 °C für 1, 2, 3 bzw. 4 Stunden kalziniert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Partikelgröße mit zunehmender Kalzinierungsdauer abnahm und nach etwa 3 Stunden ein Minimum erreichte; somit wurde eine Kalzinierungsdauer von 3 Stunden als optimal festgelegt. 2.8 Optimierungsexperimente: Die Ergebnisse zeigten, dass die optimalen Prozessbedingungen für die Herstellung von hochreinem, ultrafeinem Magnesiumoxid aus leicht kalziniertem Magnesiapulver wie folgt lauteten: (NH₄)₂CO₃ als Fällungsmittel, eine Reaktionstemperatur von 40 °C, Trocknung bei 100 °C für 3 Stunden sowie Kalzinierung bei 600 °C für 3 Stunden. Unter diesen Bedingungen hergestelltes Magnesiumoxid war hochrein und ultrafein, mit einem Reinheitsgrad von 98,3 % und einer mittleren Partikelgröße von etwa 1,0 μm; dabei wurde ein Magnesium-Umwandlungsgrad von 86 % erzielt.
3. Fazit: Hochreines, ultrafeines Magnesiumoxidpulver – gekennzeichnet durch einen Magnesium-Umwandlungsgrad von 86 %, eine Partikelgröße von 1,0 μm und einen Reinheitsgrad von 98,3 % – lässt sich unter Verwendung von leicht kalziniertem Magnesiapulver als Ausgangsmaterial, Ammoniumcarbonat als Fällungsmittel und einem direkten Fällungsverfahren gewinnen. Dieses Verfahren bietet Vorteile wie einen kurzen Prozessablauf, einfache Handhabung, geringe Investitionskosten, leicht verfügbare Rohstoffe, niedrige Produktionskosten sowie eine günstige Wirtschaftlichkeit.