一種高溫直接法製備氘化鎂的方法
2023-10-18 05:42:19 1
一種高溫直接法製備氘化鎂的方法
【專利摘要】本發明涉及一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，屬於材料科學與核技術交叉領域。本發明在高溫下讓金屬鎂與氘氣反應生成氘化鎂。本發明解決了氘化鎂工業化規模製備技術和製備純度問題，無複雜生產裝置，所需製備裝置簡單易購，在現有工廠條件下即可實現氘化鎂生產線的安全搭建；製備工藝簡單易操作，製備過程有惰性氣體保護，安全可靠；產品產量和純度較好，產品穩定性好，可以長期貯存；生產過程無「三廢」產出，對人體和環境無害，環保綠色，這對工業化大規模安全製備高純度氘化鎂及其規模應用具有重大意義。
【專利說明】一種高溫直接法製備氘化鎂的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，屬於材料科學與核技術交叉領域。
【背景技術】
[0002]當今世界，能源依舊是世界各國努力爭奪的資源，隨著化石燃料的越來越緊缺，各國間的能源問題與能源矛盾越發突出，直接關係到世界和平穩定。可以說，能源是國家綜合國力和世界競爭力決定因素。當今世界對於能源的爭奪多集中在化石燃料上，而化石燃料是不可再生資源，要想實現能源的長久富足以及可持續供給，關鍵在於開發新能源。
[0003]氣是氫的穩定同位素,也被稱為重氫,符號為D或2H,由一個質子和一個中子構成，在自然界中天然存在，常溫下為無色無味無毒可燃氣體，化學性質與氫完全相同。氘有很多特殊用途，在特種燈泡、核研究、氘核加速器的轟擊粒子、示蹤劑等領域均有應用，但其最巨前景的用途在於提供能源方面。眾所周知，在一定條件下，氘氘之間可以發生聚變反應釋放出巨大的原子能量，聚變反應能量釋放水平遠超化學燃燒反應，被稱為是「未來的燃料」，可作為能源供體被大規模使用。然而，使用氘作為熱核燃料來獲取能量，也存在著很多困難，其中一個就是氘很難被液化，很難實現高密度的存儲，同時也存在著安全儲存和運輸的難題。因此，解決氘的高密度存儲和運輸問題，是未來能夠大規模使用氘作為能源物質的關鍵。
[0004]鎂是一種輕質金屬，密度只有1.74g/cm3，在自然界廣泛分布。鎂和氘氣反應可生成氘化鎂。氘化鎂化學性質穩定，儲氘量豐富，Ikg鎂可反應吸收約166g氘氣(標準狀態下折合約922L)。氘化鎂研究價值大，應用前景廣闊，在未來將會有很大的需求量。氘化鎂的製備方法在目前的公開文獻資料中沒有提及，根據氘化鎂的物理化學性質，可以預測其合成製備方法有多種，最為經濟有效的方法是氘氣和鎂直接合成，例如氘氣與鎂在一定溫度壓力下直接反應合成氘化鎂，在氘氣氛圍下進行機械球磨金屬鎂，在球磨驅動下實現氘化鎂的合成。這兩種製備方法理論上都可以製備出高純度的氘化鎂，但由於各自存在的特點使得在工業化生產中存在很大的困難。比如第一種方法對溫度和壓力的調控要求很高，製備出高純度氘化鎂比較困難，目前在氫化鎂的製備中也有很多類似方法的報導，但是其採用原料多為微米級鎂粉，活性很高，在生產過程中也存在著很大安全隱患；第二種製備方法也多採用微米級鎂粉作為原料在高純氫氣氛圍下進行球磨反應，對原料和設備要求都很高，設備複雜，成本高，難以實現工業化規模生產。
[0005]因此，發明一種能夠低成本簡單高效安全大規模製備氘化鎂的方法，對於氘化鎂的研究及應用，是十分必要並且極為有意義的。
【發明內容】
[0006]本發明目的是提供的一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，該方法工藝簡單，該方法製得的產品產量高、純度較好。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0008]一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，具體步驟如下:
[0009]步驟一、在惰性氣體的保護下，將金屬鎂加工成小塊，得到塊狀金屬鎂；
[0010]步驟二、在惰性氣體保護下，將步驟一的塊狀金屬鎂裝入耐高溫反應器中；然後再整體放入高壓釜艙內，迅速關閉釜艙；通過抽真空與通入惰性氣體，使高壓釜艙內的空氣完全排出；
[0011]步驟三、通過抽真空與通入氘氣，置換出高壓釜艙內的惰性氣體，同時使高壓釜艙內處於負壓狀態；
[0012]步驟四、保持步驟三的負壓狀態，以10~50°C /min的升溫速率將溫度升至100~3500C ;然後通入氘氣；同時將輸入艙內氘氣壓力調至50~500大氣壓；持續通入氘氣，同時以2~20°C /min的速度升溫至250~750°C，停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與高壓釜內的壓力完全處於平衡；
[0013]步驟五、將高壓釜艙溫度、壓力降至常溫、常壓，然後用惰性氣體置換出艙內的氘氣，得到氘化鎂；
[0014]步驟一所述金屬鎂還可進行預處理，處理方法為:方法一、在惰性氣體的保護下，將金屬鎂表面氧化層打磨至金屬光澤，然後再切割；方法二、用質量分數為0.1~15%的鹽酸溶液在O~50°C下浸泡2~20min後,室溫下去離子水衝洗2~8次,真空乾燥。
[0015]所述步驟四結束後通過再次升溫能夠對氘化鎂的反應程度進行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與高壓釜艙內的壓力完全處於平衡後，再次升溫5~50°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爸內氣化反應達到終點；
[0016]有益效果
[0017]1、本發明的一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，首次採用高溫直接法製備氘化鎂，無複雜生產裝置，操作工藝簡單，解決了氘化鎂的規模製備問題，為氘化鎂的工業化生產製備提供了完善的工藝。
[0018] 2、本發明的一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，產品產量高、純度較好；該方法製備氘化鎂的轉化率為99.00~99.99%，純度為99.00~99.99%。
[0019]3、本發明的一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，該方法製備氘化鎂所使用原料為塊狀鎂，活性較低，製備過程有惰性氣體保護，安全可靠；生產過程無有機溶劑等的使用，對人體和環境無危害，無「三廢」產出，環保綠色。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為高溫直接法製備氘化鎂裝置示意圖
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明的內容作進一步描述:
[0022]實施例1:
[0023]在氬氣保護下，稱取粒徑為8mm、純度為99.99%的鎂塊603g，裝入耐高溫高壓反應器中，將反應器置於高壓反應釜艙內，如圖1所示；用氬氣置換釜艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.023MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負壓為0.018MPa，反覆操作2次；以10°C /min快速將溫度升至266°C，通入高純氘氣，將釜艙內氘氣壓力加至100大氣壓，反應50min ;以10°C /min的速度升溫38min至422°C停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，繼續反應70min，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡；此時再次升溫28°C，氘氣壓力表出現波動，繼續在該溫度下通入氘氣，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡後，再次升溫40°C，此時氘氣壓力表無波動，表明釜內氘化反應達到終點，共通入104.42g氘氣；將釜艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出釜艙內氘氣，在氬氣保護下將產物取出，即得到704.44g製備好的氘化鎂(鎂塊表面裂口縱橫交錯，質地脆硬)；在氬氣下將氘化鎂研磨成細粉，過300目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法製備氘化鎂的轉化率為99.05%，氘化鎂純度為99.19%。
[0024]實施例2:
[0025]在氬氣氛圍下，將純度為99.99%的鎂塊切割成粒徑為1mm的小塊，稱取2512g，裝入耐高溫高壓反應器中，將反應器置於高壓反應釜艙內；用氬氣置換釜艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.019MPa，通入99.999 %高純氘氣，再次抽至負壓為0.015MPa，反覆操作4次；以20°C /min的升溫速率快速將溫度升至296°C，通入高純氘氣，將釜艙內氘氣壓力加至150大氣壓；反應72min後，同時以12°C /min的速度升溫34min至533°C停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，繼續反應85min，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡；此時再次升溫10°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明釜內氘化反應達到終點，共通入425.82g氘氣；將釜艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出釜艙內氘氣，在氬氣保護下將產物取出，即得到 2934.86g製備好的氘化鎂；在氬氣下將氘化鎂研磨成細粉，過300目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法製備氘化鎂的轉化率為99.11%，氘化鎂純度為99.24%。
[0026]實施例3:
[0027]在氬氣保護下，用細砂紙將純度為99.99%的鎂塊表面氧化層打磨至金屬光澤，切割成粒徑為14mm的小塊，稱取408g，裝入耐高溫高壓反應器中，將反應器置於高壓反應釜艙內，如圖1所示；用氬氣置換釜艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.020MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負壓為0.015MPa，反覆操作3次；以30°C /min快速將溫度升至245°C，通入高純氘氣，將釜艙內氘氣壓力加至200大氣壓；控制流速為2041ml/min不變，同時以8V /min的速度升溫55min至537°C停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，繼續反應98min，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡；此時再次升溫13°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明釜內氘化反應達到終點，共通入72.16g氘氣；將釜艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出釜艙內氘氣，在氬氣保護下將產物取出，即得到477.17g製備好的氘化鎂(鎂塊表面裂口縱橫交錯，質地脆硬)；在氬氣下將氘化鎂研磨成細粉，過200目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法製備氘化鎂的轉化率為99.82 %，氘化鎂純度為99.85 %。
[0028]實施例4:
[0029]在氬氣保護下，用細砂紙將純度為99.99%的鎂塊表面氧化層打磨至金屬光澤，切割成粒徑為22mm的小塊，稱取3006g，裝入耐高溫高壓反應器中，將反應器置於高壓反應釜艙內，如圖1所示；用氬氣置換釜艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.020MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負壓為0.013MPa,反覆操作4次；以40°C /min快速將溫度升至283°C，通入高純氘氣，將釜艙內氘氣壓力加至400大氣壓，反應75min ;繼續通入氘氣，同時以5°C /min的速度升溫69min至586°C停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，繼續反應80min，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡；此時再次升溫15°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明釜內氘化反應達到終點，共通入513.50g氘氣；將釜艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出釜艙內氘氣，在氬氣保護下將產物取出，即得到3518.53g製備好的氘化鎂(鎂塊表面裂口縱橫交錯，質地脆硬)；在氬氣下將氘化鎂研磨成細粉，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法製備氘化鎂的轉化率為99.93 %，氘化鎂純度為99.94 %。
[0030]實施例5:
[0031]在IJ氣氛圍下，將純度為99.99%的鎂塊切割成粒徑為20mm的小塊,用質量分數為0.5%的鹽酸溶液在5°C下浸泡5min後，室溫下去離子水衝洗3次，真空乾燥；稱取1121g，裝入耐高溫高壓反應器中，將反應器置於高壓反應釜艙內；用氬氣置換釜艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.021MPa，通入99.999 %高純氘氣，再次抽至負壓為0.014MPa，反覆操作3次；以38°C /min快速將溫度升至314°C，通入高純氘氣，將釜艙內氘氣壓力加至450大氣壓，反應48min ;然後以15°C/min的速度升溫30min至635°C停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，繼續反應75min，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡；此時再次升溫5°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明釜內氘化反應達到終點，共通入193.30g氘氣；將釜艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出釜艙內氘氣，在氬氣保護下將產物取出，即得到1311.32g製備好的氘化鎂；該方法製備氘化鎂的轉化率為99.96%，氘化鎂純度為99.97%。
[0032]實施例6:
[0033]在IJ氣氛圍下，將純度為99.99%的鎂塊加工成粒徑為35mm的小塊,用質量分數為0.3%的鹽酸溶液在10°C下浸泡6min後，室溫下去離子水衝洗3次，真空乾燥；稱取2403g，裝入耐高溫高壓反應器中，將反應器置於高壓反應釜艙內；用氬氣置換釜艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.018MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負壓為0.014MPa,反覆操作4次；以10~50°C /min快速將溫度升至321°C，通入高純氘氣，將釜艙內氘氣壓力加至500大氣壓，反應50min,然後以3°C /min的速度升溫45min至454°C停止加熱,恆定溫度和氘氣流速，繼續反應71min，直至氘氣壓力表與高壓反應釜的壓力完全處於平衡；此時再次升溫36°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明釜內氘化反應達到終點，共通入411.0Og氘氣；將釜艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出釜艙內氘氣，在氬氣保護下將產物取出，即得到2811.0lg製備好的氘化鎂；在氬氣下將氘化鎂研磨成細粉，過300目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法製備氘化鎂的轉化率為99.97 %，氘化鎂純度為99.97 %。
【權利要求】
1.一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，其特徵在於:具體步驟如下: 步驟一、在惰性氣體的保護下，將金屬鎂加工成小塊，得到塊狀金屬鎂； 步驟二、在惰性氣體保護下，將步驟一的塊狀金屬鎂裝入耐高溫反應器中；然後再整體放入高壓釜艙內，迅速關閉釜艙；通過抽真空與通入惰性氣體，使高壓釜艙內的空氣完全排出； 步驟三、通過抽真空與通入氘氣，置換出高壓釜艙內的惰性氣體，同時使高壓釜艙內處於負壓狀態； 步驟四、保持步驟三的負壓狀態，以10~50°C /min的升溫速率將溫度升至100~3500C ;然後通入氘氣；同時將輸入艙內氘氣壓力調至50~500大氣壓；持續通入氘氣，同時以2~20°C /min的速度升溫至250~750°C，停止加熱，恆定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與高壓釜內的壓力完全處於平衡； 步驟五、將高壓釜艙溫度、壓力降至常溫、常壓，然後用惰性氣體置換出艙內的氘氣，得到氘化鎂。
2.如權利要求1所述的一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，其特徵在於:步驟一所述金屬鎂還可進行預處理，處理方法為:方法一、在惰性氣體的保護下，將金屬鎂表面氧化層打磨至金屬光澤，然後再切割；方法二、用質量分數為0.1~15%的鹽酸溶液在O~50°C下浸泡2~20min後,室溫下去離子水衝洗2~8次,真空乾燥。
3.如權利要求1所述的一種高溫直接法製備氘化鎂的方法，其特徵在於:所述步驟四結束後通過再次升溫能夠對氘化鎂的反應程度進行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與高壓釜艙內的壓力完全處於平衡後，再次升溫5~50°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明釜內氘化反應達到終點。
【文檔編號】C01F5/00GK104176750SQ201410459023
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】劉吉平, 劉曉波 申請人:北京理工大學