氧化镁

氧化镁（英语：Magnesium Oxide），无机化合物，属于镁的氧化物。氧化镁也属于离子化合物，由镁离子和氧离子以1:1的比例构成，化学式表示为MgO，摩尔质量为40.304 g/mol，在自然界中作为矿物周长石出现。氧化镁是碱性氧化物的一种，常温下表现为白色或米黄色粉末，无臭无味无毒，密度为3.58 g/cm³。氧化镁难溶于纯水，但是由于CO₂的存在，水中的溶解度增大到9 mg/100 mL(30 °C)，能溶于酸和铵盐溶液。氧化镁在常温下能与水、二氧化碳、强还原性单质等发生作用。氧化镁产品种类非常丰富，根据密度的不同可以分为两类：重质氧化镁和轻质氧化镁。许多新式氧化镁产品如纳米氧化镁等被开发并进入市场中。制备氧化镁的方法主要有白云石碳化法、老卤——碳铵法、菱镁矿煅烧法、盐泥制取法和水氯镁石热解法等。氧化镁广泛应用于陶瓷、耐火制品、各种粘合剂、油漆填料、橡胶促成剂与活化剂以及医药、建筑、食品等行业。^{[4][5][1][2][6]}

氧化镁的主要自然来源之一是菱镁矿。菱镁矿是一种含镁的碳酸盐矿物，主要成分为MgCO₃、MgO等，其主要脉石矿物包括滑石、石英和白云石。中国是全球菱镁矿消费量最多的国家，消费总量占全球总消费量的66％～70％。^[7][8]

白云石矿也是氧化镁的来源矿产之一，常存在于裸露的高地，有利于大规模开采。白云石矿的主要成分为MgO、CaO、SiO2、Fe2O3，其中MgO平均含量占比21.29%、CaO占比30.42%，属储量大、品质好的矿产资源，潜在价值巨大。^[9]

蛇纹石[Mg₆Si₄O₁₀(OH)₈]因其富含镁的特点也被用于作为氧化镁的来源矿产。蛇纹石是辉石和橄榄石在热液变质过程中的典型蚀变产物，镁含量占比一般为43.6%。^[10]

氧化镁的化学式为MgO，属于离子化合物，属于立方晶系，晶体结构如图所示。MgO晶体结构属于NaCl型，空间群为Fm̅3m，晶格常数为4.212 Å，禁带宽度为7.8 eV。该晶胞共含有4个 Mg²⁺离子和4个O²⁻离子，其中每个Mg²⁺离子与相邻的六个O²⁻离子组成一个八面体结构，O²⁻离子位于晶胞的顶点和面心处。主要晶面取向为（111）、（200）、（220）。^[11]

随着煅烧温度的升高，氧化镁的结构会被改变。开始时，氧化镁由大小不均匀的球状结构变为规则的立方结构。随着温度越来越高，扩散、传质等作用增大导致了小颗粒聚集成大颗粒。等到1500℃后，氧化镁颗粒大小趋于一致且表面显得非常致密光滑。^[12]

氧化镁是碱性氧化物的一种，拥有常规碱性氧化物的共同性质。氧化镁为固体白色粉末，无臭无味无毒。氧化镁分子式为MgO，摩尔质量为40.304 g/mol，密度为3.58 g/cm³，熔点为2800 °C，沸点为3600 °C，蒸气压约为0 mm Hg。氧化镁难溶于纯水，但是由于CO₂的存在，水中的溶解度增大到9 mg/100 mL(30 °C)，能溶于酸和铵盐溶液。^{[1][2][13][3]}

氧化镁与水缓慢作用生成氢氧化镁。^[14]

氧化镁能溶于二氧化碳水溶液中，生成碳酸氢镁；氧化镁在空气中也能逐渐吸收水分和二氧化碳。^[14]

在高温条件下，氧化镁能被氢气或强还原性单质、合金还原成金属镁。^[14]

氧化镁能与各种酸发生反应，生成相应的盐和水。^[14]

氧化镁与盐类化合物和酸性氧化物也能发生反应。^[14]

制备氧化镁的方法主要有白云石碳化法、老卤——碳铵法、菱镁矿煅烧法、盐泥制取法和水氯镁石热解法等。

白云石碳化法制备氧化镁主要包括五个步骤：（1）煅烧、（2）消化、（3）碳化、（4）热解和（5）煅烧等。白云石碳化法工艺简单、成本较低，在工艺上比较成熟，但存在生产条件难以控制、钙镁分离困难等问题。此外，白云石碳化法还可用来制备纳米氧化镁，得到的纳米氧化镁产品分散性良好、粒度分布均匀、平均粒径≤100nm。^[15][16]

老卤——碳铵ǎn法制备氧化镁的方法与传统工艺相比，具有过程易于控制、产品质量稳定、纯度高、高镁低钙低氯的显著优点。其中，老卤为生产硫酸钾的卤水，主要成分是MgCl₂和MgSO₄，还含有少量的KCl、NaCl等杂质。^[17]

该方法的反应方程式如下：

世界已探明的菱镁矿储量约为130亿吨，因此菱镁矿煅烧法制备氧化镁拥有非常充裕的原料。利用菱镁矿为原料制备活性氧化镁的方法目前主要有两大类：化学反应法（包括酸浸法、铵浸法、碳化法等）和煅烧处理法。而煅烧是菱镁矿深加工的必需步骤，直接影响氧化镁的活性。^[18]

菱镁矿煅烧法制备氧化镁的工艺中，影响工艺的主要因素分别是煅烧温度、保温时间、升温速率、菱镁矿的粒径、添加剂的加入等。^[18]

盐泥是氯碱工业产生的废弃物，如何对其合理利用是氯碱行业中重要的问题之一。由于盐泥中含有氢氧化镁，可以借助二氧化碳与氢氧化镁的反应使得盐泥中的镁得以分离。由于经过氧化镁提取过程后的盐泥中含盐量很低，可直接用于建筑材料如制砖、水泥等的原料。这种用废弃物制备高附加值产品氧化镁的工艺方法简单、易操作，可实现规模化生产。^[19]

在低于240 ℃条件下主要为六水氯化镁的脱水反应。在高于240 ℃条件下为热分解反应，氯化镁开始分解，生成氧化镁。六水氯化镁脱水分解的温度一般为95～900 ℃，工业上一般控制范围为600～800 ℃。^[20]

氯化镁热解法总反应式如下：^[20]

氧化镁根据密度可分为重质氧化镁和轻质氧化镁。^[21][22]

轻质氧化镁，又被称为工业氧化镁、活性氧化镁等。其主要特点是视比容大，质轻而疏松。在微观状态下，轻质氧化镁由很小的微晶组成而成，其结构为近似球形颗粒或片状晶体，平均粒径小于2 μm。轻质氧化镁的质量标准应符合HG/T2573-2012工业轻质氧化镁的要求。轻质氧化镁在陶瓷、耐火制品、各种粘合剂、油漆填料、橡胶促成剂与活化剂，以及医药、建筑、食品等行业用途较广。^[23][24]

（1）在建筑材料领域：

以轻质氧化镁为原料，可以制备氯氧镁水泥。轻质氧化镁可作为新型土壤固化剂，按一定比例加入波特兰水泥中后又被称为活性氧化镁水泥。此外，轻质氧化镁固化技术可以有效提高红黏土抗剪强度，实现了粉土以及粉质黏土的固化。轻质氧化镁还可用于控制红黏土的收缩性。^[25][26]

（2）在环保领域：

氧化镁溶于水可形成氢氧化镁胶体，可以来吸附水中的重金属离子和有机染料、降低饮用水中的氟离子的浓度和处理含铬废水中的Cr⁶⁺等，从而达到净化水的目的。氧化镁水处理剂具有无毒无害、便于操作、易于运输、吸附能力大和不易形成结垢等优点。此外，氧化镁作为碱性氧化物，能中和酸性物质和处理酸性废气。^[27]

（3）在食品医药领域：

在医药中，轻质氧化镁可以用于生产抗酸剂、缓泻剂，并中和胃酸。^[24]

在食品行业，轻质氧化镁可用作食品添加剂、色泽稳定剂、pH调节剂、保健品和食品中镁元素的添加成分等。在一些粉状食品中如小麦粉、牛奶巧克力等，轻质氧化镁还可充当抗结块剂和抗酸剂使用。^[24]

（4）在化工生产：

轻质氧化镁常用于高品质氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈jīng橡胶和氟橡胶的促进剂和活化剂。^[28]

（5）在农业：

在种植业中，氧化镁常用于促进植物叶绿素合成，增强植物的光合作用，提高作物的产量和质量。

在养殖业中，氧化镁经常被当作饲料添加剂来使用，尤其是作畜牧类动物牛、羊和马的饲料，防止放牧牲畜产生低镁牧草眩晕症状。^[24]

（6）其他：

轻质氧化镁可以作为陶瓷的原料，加入一定量的添加剂后，可使得氧化镁陶瓷的抗热震性能提高。^[29]

重质氧化镁常温下呈现为白色或米黄色粉末。一般地，重质氧化镁的表观密度应大于0.5 g/mL。由于重质氧化镁拥有较小的比表面积（约35 m²/g），通常活性较低。HG/T 2679-2006工业重质氧化镁规定了重质氧化镁的质量标准。^[30]

重质氧化镁应用范围较轻质氧化镁较小，但由于价格低廉而发展较快，已经在铁氧体软磁性材料、饲料、玻璃、陶瓷、工业催化剂、环保等方面被广泛应用。^[30]

（1）耐火材料：

重质氧化镁作为镁铬耐火材料的添加剂，能增强镁铬耐火材料的烧结性能和致密化程度。^[31]

（2）催化剂

重质氧化镁在化工生产行业中作为一种固体碱催化剂经常被使用，它的优点包括选择性高，催化活性高，使反应工艺过程连续化，提高设备的生产能力等。^[32]

（3）其他

在磁性材料行业中，重质氧化镁可用于制作彩色电视机的偏转线圈和其他铁氧体磁性材料。在钢球抛光行业中，氧化镁可充当抛光剂，在电器行业也作为酚醛树脂的原料。^[24]

纳米氧化镁是一种新型功能无机材料，应用前景广阔，尤其是抗菌材料领域。纳米氧化镁释放的活性氧（ROS）能破坏细菌细胞膜壁蛋白肽链，其表面存在的大量晶格局限羟基、游离羟基以及离子空穴等多种活性位点也可以对微生物造成机械损伤。因此纳米氧化镁具有持久和广谱的抗菌活性，具有成本低、稳定性好、生物毒性低的优势，是一种安全无毒、环境友好、应用潜力巨大的抗菌材料。^[22]

此外，纳米氧化镁的优点还包括：高热导率、优良的热稳定性、抑制空间电荷积聚等。因此其被广泛地用于提高环氧树脂的热导率及耐电痕化性能。^[33]

纳米氧化镁作为膨胀剂能有效控制混凝土结构的收缩和变形。纳米氧化镁在生产水泥的过程中可以继续水合产生氢氧化镁，从而能提高高性能混凝土的结构紧凑度和强度。^[34]

随着产业化升级及高新技术功能材料市场的需求和科技发展，具有不同结构和功能的氧化镁不断被开发出来，如高纯氧化镁——可用于节能灯及等离子体显示、多孔氧化镁——用于催化和生物基因修复、氧化镁单晶——用于低温光学器件、高温超导器件等。^[22]

氧化镁熔点为2800 °C，沸点为3600 °C，为不可燃固体，但是会与强酸剧烈反应。因此氯化镁禁止与强酸存放在一起。如果周围发生火灾：允许使用包括雾状水灭火器、泡沫灭火器、粉末灭火器、二氧化碳灭火器在内的所有灭火剂。^[35]

允许暴露限值：15 mg/m³。^[1]

立即危及生命或健康的限值：750 mg/m³。^[1]

氧化镁可能导致金属烟雾病并刺激眼部及呼吸系统，导致咳嗽、胸痛、流感样发热等症状。^[1]

吸入：导致咳嗽；建议使用局部排气装置和呼吸保护装置（如佩戴微粒过滤式呼吸器以防止氧化镁的吸入），将溢出的氧化镁扫入有盖的容器中，润湿空气以防止氧化镁产生扬尘，并且到空气清新的区域休息。^[35]

皮肤：及时佩戴防护手套、脱掉被氧化镁污染的衣服。用水和肥皂清洗皮肤。^[35]

眼睛：眼睛会受氧化镁刺激变红；应佩戴护目镜和呼吸防护装置，用大量水冲洗眼睛。^[35]

摄入：在含有氧化镁的环境中工作期间不要进食、吸烟或漱口。^[35]