基于微化工技术高品质氢氧化镁阻燃剂可控制备及过程强化

The transformation from disused magnesium salts to high-quality magnesium hydroxide (MH) fire retardant is one of the most promising solutions to the problems caused by the exploitation of potash fertilizer from the salt lake in our country. Generally, MH fire retardant can be prepared through wet precipitation followed by hydrothermally treatment. Conventionally, the wet precipitation process is carried out in a stirred batch reactor. Unfortunately, the as-prepared MH fire retardant always exhibits a wide particle size distribution and poor reproducibility due to the inefficient micromixing. Thus, the corresponding quality is much worse than that of MH fire retardant prepared by foreign countries. As an efficient technology of process intensification, microreaction technology shows great potential for solving the aforementioned problems. The research objective of this application is the controllable synthesis of high-quality MH fire retardant via microreaction technology. This application focuses on the coupling principle between the hydrodynamics, mixing, transfer and nucleation, growth and aggregation of precipitate under microscale. Through the establishment of the relationship between the microreactor configuration, process parameters and MH properties, the development and optimization of matched hydrothermal process, the development of the theory involved in the numbering-up methodology, the efficient intensification and control of high-quality MH fire retardant synthesis via microreaction technology will be achieved. At last, a microreaction system with a throughput of 100 t/a of high-quality MH fire retardant will be designed and fabricated. This application will provide theoretical guidance and technical support for high value-added utilization of disused magnesium salts.

将废弃镁盐转化为高品质氢氧化镁阻燃剂是解决我国盐湖地区“镁害”问题的有效途径之一。氢氧化镁阻燃剂生产工艺主要包括液相沉淀与水热处理两个过程。工业上沉淀过程通常于间歇搅拌釜内进行。由于微观混合速率限制，所得产品粒度分布宽且批次间重复性差，质量明显劣于国外同类产品。微化工技术作为过程强化的有效手段，为克服上述缺点提供了新的契机。本项目拟以基于微化工技术高品质氢氧化镁阻燃剂可控制备为研究目标，重点研究微尺度下流体流动、混合、传质与沉淀成核、生长、团聚的耦合规律及调控策略。建立微反应器构型、操作条件与氢氧化镁粒度及其分布等相关参数间的构效关系，开发并优化配套水热工艺，发展针对沉淀过程单通道微反应器并行放大方法，最终实现对高品质氢氧化镁阻燃剂制备过程的调控与强化，完成百吨/年高品质氢氧化镁阻燃剂微反应系统的设计与制造，以期为提钾副产镁盐的高附加值转化提供理论依据与技术支持。

氢氧化镁因分解温度高、抑烟效果好、安全无毒等优点，作为一种绿色无机阻燃剂已成为阻燃领域研发的重点。目前高品质氢氧化镁阻燃剂多为国外公司产品，价格昂贵。本项目基于微化工技术开发了高品质氢氧化镁阻燃剂的先进制备工艺，发展自主创新技术。主要研究成果如下：（1）开发了“一次水热工艺”，即微反应器出口处浆料先经离心得到滤饼，所得滤饼与NaOH溶液混合制浆后进行水热处理，制备得到氢氧化镁阻燃剂。系统研究了操作条件对氢氧化镁阻燃剂形貌、粒径及比表面积的影响规律，发现Mg2+与OH-的摩尔比为关键控制参数。当Mg2+与OH-的摩尔比为0.6时，在优化的水热处理条件下可制备得到高品质产品。在此基础上，设计并制造了用于高品质氢氧化镁阻燃剂生产的微反应系统。（2）为提高微反应器出口处所得浆料的可过滤性，开发了“二次水热工艺”。与“一次水热工艺”相比浆料可过滤性显著提升，在相同水热浆料固含量下，“二次水热工艺”所得氢氧化镁阻燃剂的平均粒径显著大于“一次水热工艺”。研究发现在“二次水热工艺”中氢氧化镁阻燃剂的形貌受反应物摩尔比及第一次水热温度影响显著，矿化剂浓度、第二次水热时间、温度及固含量主要影响氢氧化镁阻燃剂得平均粒径，反应物浓度与反应流速对氢氧化镁阻燃剂的形貌及平均粒径无明显影响。（3）设计了矿化剂NaOH的回用方案，通过合理的工艺条件选择，矿化剂回用率可达100%，且实验结果表明矿化剂溶液中累积的NaCl对“一次水热”及“二次水热”工艺均无影响。（4）以γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）为改性剂，利用湿法改性对基于微化工技术制备的氢氧化镁阻燃剂进行表面修饰。改性后氢氧化镁阻燃剂在高分子材料中的分散性能得到提升。在此基础上与BASF合作，研究了氢氧化镁阻燃剂形貌与粒度对尼龙6的力学性能和阻燃性能的影响，发现基于微化工技术制备的特定形貌与粒径的氢氧化镁阻燃剂性能优于商业产品。（5）此外，还发展了基于分段流的金属/还原氧化石墨烯、金属/TiO2复合材料的连续可控制备方法。