一種高溫直接法制備氘化鎂的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，屬于材料科學(xué)與核技術(shù)交叉領(lǐng)域。本發(fā)明在高溫下讓金屬鎂與氘氣反應(yīng)生成氘化鎂。本發(fā)明解決了氘化鎂工業(yè)化規(guī)模制備技術(shù)和制備純度問(wèn)題，無(wú)復(fù)雜生產(chǎn)裝置，所需制備裝置簡(jiǎn)單易購(gòu)，在現(xiàn)有工廠條件下即可實(shí)現(xiàn)氘化鎂生產(chǎn)線的安全搭建；制備工藝簡(jiǎn)單易操作，制備過(guò)程有惰性氣體保護(hù)，安全可靠；產(chǎn)品產(chǎn)量和純度較好，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，可以長(zhǎng)期貯存；生產(chǎn)過(guò)程無(wú)“三廢”產(chǎn)出，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，環(huán)保綠色，這對(duì)工業(yè)化大規(guī)模安全制備高純度氘化鎂及其規(guī)模應(yīng)用具有重大意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高溫直接法制備氘化鎂的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，屬于材料科學(xué)與核技術(shù)交叉領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界，能源依舊是世界各國(guó)努力爭(zhēng)奪的資源，隨著化石燃料的越來(lái)越緊缺，各國(guó)間的能源問(wèn)題與能源矛盾越發(fā)突出，直接關(guān)系到世界和平穩(wěn)定。可以說(shuō)，能源是國(guó)家綜合國(guó)力和世界競(jìng)爭(zhēng)力決定因素。當(dāng)今世界對(duì)于能源的爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)能源的長(zhǎng)久富足以及可持續(xù)供給，關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)新能源。
[0003]氣是氫的穩(wěn)定同位素,也被稱(chēng)為重氫,符號(hào)為D或2H,由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子構(gòu)成，在自然界中天然存在，常溫下為無(wú)色無(wú)味無(wú)毒可燃?xì)怏w，化學(xué)性質(zhì)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(lǐng)域均有應(yīng)用，但其最巨前景的用途在于提供能源方面。眾所周知，在一定條件下，氘氘之間可以發(fā)生聚變反應(yīng)釋放出巨大的原子能量，聚變反應(yīng)能量釋放水平遠(yuǎn)超化學(xué)燃燒反應(yīng)，被稱(chēng)為是“未來(lái)的燃料”，可作為能源供體被大規(guī)模使用。然而，使用氘作為熱核燃料來(lái)獲取能量，也存在著很多困難，其中一個(gè)就是氘很難被液化，很難實(shí)現(xiàn)高密度的存儲(chǔ)，同時(shí)也存在著安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)碾y題。因此，解決氘的高密度存儲(chǔ)和運(yùn)輸問(wèn)題，是未來(lái)能夠大規(guī)模使用氘作為能源物質(zhì)的關(guān)鍵。
[0004]鎂是一種輕質(zhì)金屬，密度只有1.74g/cm3，在自然界廣泛分布。鎂和氘氣反應(yīng)可生成氘化鎂。氘化鎂化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，儲(chǔ)氘量豐富，Ikg鎂可反應(yīng)吸收約166g氘氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下折合約922L)。氘化鎂研究?jī)r(jià)值大，應(yīng)用前景廣闊，在未來(lái)將會(huì)有很大的需求量。氘化鎂的制備方法在目前的公開(kāi)文獻(xiàn)資料中沒(méi)有提及，根據(jù)氘化鎂的物理化學(xué)性質(zhì)，可以預(yù)測(cè)其合成制備方法有多種，最為經(jīng)濟(jì)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(yīng)合成氘化鎂，在氘氣氛圍下進(jìn)行機(jī)械球磨金屬鎂，在球磨驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)氘化鎂的合成。這兩種制備方法理論上都可以制備出高純度的氘化鎂，但由于各自存在的特點(diǎn)使得在工業(yè)化生產(chǎn)中存在很大的困難。比如第一種方法對(duì)溫度和壓力的調(diào)控要求很高，制備出高純度氘化鎂比較困難，目前在氫化鎂的制備中也有很多類(lèi)似方法的報(bào)道，但是其采用原料多為微米級(jí)鎂粉，活性很高，在生產(chǎn)過(guò)程中也存在著很大安全隱患；第二種制備方法也多采用微米級(jí)鎂粉作為原料在高純氫氣氛圍下進(jìn)行球磨反應(yīng)，對(duì)原料和設(shè)備要求都很高，設(shè)備復(fù)雜，成本高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
[0005]因此，發(fā)明一種能夠低成本簡(jiǎn)單高效安全大規(guī)模制備氘化鎂的方法，對(duì)于氘化鎂的研究及應(yīng)用，是十分必要并且極為有意義的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供的一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，該方法制得的產(chǎn)品產(chǎn)量高、純度較好。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008]一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，具體步驟如下:
[0009]步驟一、在惰性氣體的保護(hù)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(hù)下，將步驟一的塊狀金屬鎂裝入耐高溫反應(yīng)器中；然后再整體放入高壓釜艙內(nèi)，迅速關(guān)閉釜艙；通過(guò)抽真空與通入惰性氣體，使高壓釜艙內(nèi)的空氣完全排出；
[0011]步驟三、通過(guò)抽真空與通入氘氣，置換出高壓釜艙內(nèi)的惰性氣體，同時(shí)使高壓釜艙內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)；
[0012]步驟四、保持步驟三的負(fù)壓狀態(tài)，以10~50°C /min的升溫速率將溫度升至100~3500C ;然后通入氘氣；同時(shí)將輸入艙內(nèi)氘氣壓力調(diào)至50~500大氣壓；持續(xù)通入氘氣，同時(shí)以2~20°C /min的速度升溫至250~750°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與高壓釜內(nèi)的壓力完全處于平衡；
[0013]步驟五、將高壓釜艙溫度、壓力降至常溫、常壓，然后用惰性氣體置換出艙內(nèi)的氘氣，得到氘化鎂；
[0014]步驟一所述金屬鎂還可進(jìn)行預(yù)處理，處理方法為:方法一、在惰性氣體的保護(hù)下，將金屬鎂表面氧化層打磨至金屬光澤，然后再切割；方法二、用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1~15%的鹽酸溶液在O~50°C下浸泡2~20min后,室溫下去離子水沖洗2~8次,真空干燥。
[0015]所述步驟四結(jié)束后通過(guò)再次升溫能夠?qū)﹄V的反應(yīng)程度進(jìn)行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與高壓釜艙內(nèi)的壓力完全處于平衡后，再次升溫5~50°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明爸內(nèi)氣化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)；
[0016]有益效果
[0017]1、本發(fā)明的一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，首次采用高溫直接法制備氘化鎂，無(wú)復(fù)雜生產(chǎn)裝置，操作工藝簡(jiǎn)單，解決了氘化鎂的規(guī)模制備問(wèn)題，為氘化鎂的工業(yè)化生產(chǎn)制備提供了完善的工藝。
[0018] 2、本發(fā)明的一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，產(chǎn)品產(chǎn)量高、純度較好；該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.00~99.99%，純度為99.00~99.99%。
[0019]3、本發(fā)明的一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，該方法制備氘化鎂所使用原料為塊狀鎂，活性較低，制備過(guò)程有惰性氣體保護(hù)，安全可靠；生產(chǎn)過(guò)程無(wú)有機(jī)溶劑等的使用，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)危害，無(wú)“三廢”產(chǎn)出，環(huán)保綠色。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為高溫直接法制備氘化鎂裝置示意圖

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步描述:
[0022]實(shí)施例1:
[0023]在氬氣保護(hù)下，稱(chēng)取粒徑為8mm、純度為99.99%的鎂塊603g，裝入耐高溫高壓反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于高壓反應(yīng)釜艙內(nèi)，如圖1所示；用氬氣置換釜艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.023MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負(fù)壓為0.018MPa，反復(fù)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(nèi)氘氣壓力加至100大氣壓，反應(yīng)50min ;以10°C /min的速度升溫38min至422°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)70min，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫28°C，氘氣壓力表出現(xiàn)波動(dòng)，繼續(xù)在該溫度下通入氘氣，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡后，再次升溫40°C，此時(shí)氘氣壓力表無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，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(nèi)氘氣，在氬氣保護(hù)下將產(chǎn)物取出，即得到704.44g制備好的氘化鎂(鎂塊表面裂口縱橫交錯(cuò)，質(zhì)地脆硬)；在氬氣下將氘化鎂研磨成細(xì)粉，過(guò)300目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品，該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.05%，氘化鎂純度為99.19%。
[0024]實(shí)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(chēng)取2512g，裝入耐高溫高壓反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于高壓反應(yīng)釜艙內(nèi)；用氬氣置換釜艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.019MPa，通入99.999 %高純氘氣，再次抽至負(fù)壓為0.015MPa，反復(fù)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(nèi)氘氣壓力加至150大氣壓；反應(yīng)72min后，同時(shí)以12°C /min的速度升溫34min至533°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)85min，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫10°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，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(nèi)氘氣，在氬氣保護(hù)下將產(chǎn)物取出，即得到 2934.86g制備好的氘化鎂；在氬氣下將氘化鎂研磨成細(xì)粉，過(guò)300目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品，該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.11%，氘化鎂純度為99.24%。
[0026]實(shí)施例3:
[0027]在氬氣保護(hù)下，用細(xì)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(chēng)取408g，裝入耐高溫高壓反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于高壓反應(yīng)釜艙內(nèi)，如圖1所示；用氬氣置換釜艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.020MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負(fù)壓為0.015MPa，反復(fù)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(nèi)氘氣壓力加至200大氣壓；控制流速為2041ml/min不變，同時(shí)以8V /min的速度升溫55min至537°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)98min，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫13°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，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(nèi)氘氣，在氬氣保護(hù)下將產(chǎn)物取出，即得到477.17g制備好的氘化鎂(鎂塊表面裂口縱橫交錯(cuò)，質(zhì)地脆硬)；在氬氣下將氘化鎂研磨成細(xì)粉，過(guò)200目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品，該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.82 %，氘化鎂純度為99.85 %。
[0028]實(shí)施例4:
[0029]在氬氣保護(hù)下，用細(xì)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(chēng)取3006g，裝入耐高溫高壓反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于高壓反應(yīng)釜艙內(nèi)，如圖1所示；用氬氣置換釜艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.020MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負(fù)壓為0.013MPa,反復(fù)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(nèi)氘氣壓力加至400大氣壓，反應(yīng)75min ;繼續(xù)通入氘氣，同時(shí)以5°C /min的速度升溫69min至586°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)80min，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫15°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，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(nèi)氘氣，在氬氣保護(hù)下將產(chǎn)物取出，即得到3518.53g制備好的氘化鎂(鎂塊表面裂口縱橫交錯(cuò)，質(zhì)地脆硬)；在氬氣下將氘化鎂研磨成細(xì)粉，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品，該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.93 %，氘化鎂純度為99.94 %。
[0030]實(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的鹽酸溶液在5°C下浸泡5min后，室溫下去離子水沖洗3次，真空干燥；稱(chēng)取1121g，裝入耐高溫高壓反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于高壓反應(yīng)釜艙內(nèi)；用氬氣置換釜艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.021MPa，通入99.999 %高純氘氣，再次抽至負(fù)壓為0.014MPa，反復(fù)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(nèi)氘氣壓力加至450大氣壓，反應(yīng)48min ;然后以15°C/min的速度升溫30min至635°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)75min，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫5°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，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(nèi)氘氣，在氬氣保護(hù)下將產(chǎn)物取出，即得到1311.32g制備好的氘化鎂；該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.96%，氘化鎂純度為99.97%。
[0032]實(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的鹽酸溶液在10°C下浸泡6min后，室溫下去離子水沖洗3次，真空干燥；稱(chēng)取2403g，裝入耐高溫高壓反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于高壓反應(yīng)釜艙內(nèi)；用氬氣置換釜艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.018MPa，通入99.999%高純氘氣，再次抽至負(fù)壓為0.014MPa,反復(fù)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(nèi)氘氣壓力加至500大氣壓，反應(yīng)50min,然后以3°C /min的速度升溫45min至454°C停止加熱,恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)71min，直至氘氣壓力表與高壓反應(yīng)釜的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫36°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，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(nèi)氘氣，在氬氣保護(hù)下將產(chǎn)物取出，即得到2811.0lg制備好的氘化鎂；在氬氣下將氘化鎂研磨成細(xì)粉，過(guò)300目篩，即得所需粒徑的氘化鎂粉，將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品，該方法制備氘化鎂的轉(zhuǎn)化率為99.97 %，氘化鎂純度為99.97 %。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、在惰性氣體的保護(hù)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(hù)下，將步驟一的塊狀金屬鎂裝入耐高溫反應(yīng)器中；然后再整體放入高壓釜艙內(nèi)，迅速關(guān)閉釜艙；通過(guò)抽真空與通入惰性氣體，使高壓釜艙內(nèi)的空氣完全排出； 步驟三、通過(guò)抽真空與通入氘氣，置換出高壓釜艙內(nèi)的惰性氣體，同時(shí)使高壓釜艙內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)； 步驟四、保持步驟三的負(fù)壓狀態(tài)，以10~50°C /min的升溫速率將溫度升至100~3500C ;然后通入氘氣；同時(shí)將輸入艙內(nèi)氘氣壓力調(diào)至50~500大氣壓；持續(xù)通入氘氣，同時(shí)以2~20°C /min的速度升溫至250~750°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與高壓釜內(nèi)的壓力完全處于平衡； 步驟五、將高壓釜艙溫度、壓力降至常溫、常壓，然后用惰性氣體置換出艙內(nèi)的氘氣，得到氘化鎂。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，其特征在于:步驟一所述金屬鎂還可進(jìn)行預(yù)處理，處理方法為:方法一、在惰性氣體的保護(hù)下，將金屬鎂表面氧化層打磨至金屬光澤，然后再切割；方法二、用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1~15%的鹽酸溶液在O~50°C下浸泡2~20min后,室溫下去離子水沖洗2~8次,真空干燥。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鎂的方法，其特征在于:所述步驟四結(jié)束后通過(guò)再次升溫能夠?qū)﹄V的反應(yīng)程度進(jìn)行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與高壓釜艙內(nèi)的壓力完全處于平衡后，再次升溫5~50°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明釜內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】C01F5/00GK104176750SQ201410459023
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】劉吉平, 劉曉波 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)