王 倩 林冠豪 孫明明 于海琴

(1.北京交通大學(xué)土建學(xué)院，北京 100044; 2.北京交通大學(xué)土木工程國家級實驗教學(xué)示范中心,北京 100044)

1 概述

當(dāng)今社會，鎂鹽作為功能性材料的性能越來越受到重視[1]，但鎂元素的開發(fā)卻一直以來依賴的是礦石類資源，并沒有充分利用海水中的鎂元素。海水中含有大量的鎂元素，其含量僅次于鈉元素，淡化后的濃鹽水更是將海水里面的元素濃縮了近2倍，因此在海水淡化濃鹽水中實現(xiàn)鎂元素的提取利用擁有很好的經(jīng)濟(jì)前景。

目前海水提鎂的原理主要是向海水中投加堿，使其中的鎂元素以Mg(OH)2的形式沉淀下來[2-5]，主要方法有氨法、鈣法以及燒堿法三大類，其中鈣法又包括清燒白云石法和石灰法。氨法指用氨氣或氨水作為沉淀劑，去沉淀海水中的鎂元素的方法，此法合成的氫氧化鎂雖純度高，但原料氨水利用率低，產(chǎn)品收率也低，并易對環(huán)境造成污染[6]；鈣法使用石灰乳做沉淀劑，雖然原料廉價易得，但產(chǎn)品雜質(zhì)含量高、過濾工序動力、材料消耗大[7]；而燒堿法使用氫氧化鈉沉淀鎂元素，不僅工藝簡單，原料來源廣泛，價格低廉，而且不引入新的雜質(zhì)[8]。因此，本試驗選用NaOH與Mg2+反應(yīng)，提取氫氧化鎂后產(chǎn)生的副產(chǎn)品，可在后續(xù)生產(chǎn)NaCl中被利用。

2 試驗內(nèi)容和方法

2.1 濃水成分

試驗所用濃水取自某公司海水淡化工程一期項目，水質(zhì)狀況見表1。

表1 濃鹽水組成(20 ℃)

2.2 試驗方法

依據(jù)溶度積原理[9]，采用Na2CO3做脫鈣劑，制備脫鈣母液。設(shè)計正交實驗[10]，通過改變Na2CO3的加入量與溶液中Ca2+的物質(zhì)的量之比，反應(yīng)溫度，攪拌反應(yīng)時間以及反應(yīng)后靜置時間對Ca2+去除率及Mg2+損失率的影響，從而確定最佳的脫鈣條件。

利用在最佳脫鈣條件下制備得到的脫鈣母液，向其中滴加NaOH溶液，改變其物質(zhì)的量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間及靜置時間，考察其對Mg(OH)2產(chǎn)率及純度的影響，從而得出氫氧化鈉法提鎂的最佳工藝方案。

2.3 分析測試方法

各成分分析監(jiān)測方法見表2。

表2 成分監(jiān)測方法

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 脫鈣影響因素分析

3.1.1反應(yīng)物物質(zhì)的量比、溫度、靜置時間的影響

考慮成本及Mg2+的影響，Na2CO3的添加量不宜過多，且反應(yīng)時間不宜過長。因此設(shè)計了三組水平對照試驗，實驗結(jié)果如表3，表4所示。

表3 正交實驗設(shè)計及結(jié)果分析

表4 Ca2+,Mg2+的方差分析

因此，在進(jìn)行脫鈣反應(yīng)時，在保證Ca2+的去除率的條件下應(yīng)控制Na2CO3的投加量，靜置時間，增加反應(yīng)(攪拌)時間。從實驗結(jié)果看，制備脫鈣母液的最佳反應(yīng)條件是：Na2CO3與Ca2+的物質(zhì)的量之比為1.2∶1，反應(yīng)時間為6 min，反應(yīng)溫度為25 ℃，靜置時間為30 min，可保證Ca2+去除率達(dá)90%，Mg2+損失率在12.5%左右。

3.1.2反應(yīng)時間的影響

在Na2CO3與Ca2+的物質(zhì)的量之比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為25 ℃，靜置時間為30 min，攪拌器轉(zhuǎn)速為600 rpm的條件下，研究不同反應(yīng)時間對Ca2+的去除率及Mg2+的損失率的影響。

在Na2CO3與Ca2+的物質(zhì)的量之比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為25 ℃，攪拌器轉(zhuǎn)速為600 rpm的條件下，反應(yīng)時間為5 min～6 min，靜置時間為30 min時脫鈣效果最好。

3.2 沉淀Mg(OH)2影響因素分析

3.2.1反應(yīng)物物質(zhì)的量比、溫度、反應(yīng)時間的影響

利用最佳脫鈣條件下制備得的脫鈣母液(Ca2+濃度約為5.50 mmol/L，Mg2+濃度約為235 mmol/L),按照上述實驗方法設(shè)計正交實驗，實驗結(jié)果以及方差分析見表5,表6。

表5 正交實驗設(shè)計及結(jié)果分析

表6 Mg(OH)2產(chǎn)率方差分析

影響Mg(OH)2產(chǎn)率主要因素為NaOH與Mg2+物質(zhì)的量之比，其次是靜置時間。反應(yīng)溫度跟攪拌反應(yīng)時間對Mg(OH)2的沉淀幾乎無影響。隨NaOH量的增加，Ca2+開始析出，其析出率僅與NaOH的投加量有關(guān)。NaOH的量對Mg(OH)2的影響最大，但隨著NaOH的增加，Ca2+析出率增加，在NaOH與Mg2+物質(zhì)的量之比為1.1∶1，析出率約為3.3%，NaOH于Mg2+物質(zhì)的量之比為1.2∶1時，析出率增加到5.6%，故選擇NaOH與Mg2+物質(zhì)的量之比為1.1∶1最合適。

3.2.2反應(yīng)靜置時間的影響

靜置時間為影響Mg(OH)2產(chǎn)量的一個重要因素，且靜置時間的增加不會影響Ca2+析出量，故有必要控制NaOH與Mg2+物質(zhì)的量之比為1.1∶1，探究不同靜置時間對Mg(OH)2產(chǎn)量的影響。實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知在NaOH于Mg2+物質(zhì)的量之比為1.1∶1的條件下，Mg(OH)2產(chǎn)率隨靜置時間的增加而增加。靜置時間在6 h～24 h內(nèi)，Mg(OH)2產(chǎn)率的增長速率基本不變，超過24 h，Mg(OH)2產(chǎn)率的增長速率減緩。由此可見當(dāng)靜置時間超過24 h后，延長靜置時間的收益將大大減少。因此，選擇24 h為該工藝的靜置時間最合適。

4 結(jié)語

1)采用Na2CO3為脫鈣劑，來去除濃海水中的Ca2+不引入雜質(zhì)，能提高M(jìn)g(OH)2的純度。在投加比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為25 ℃，攪拌時間為5 min～6 min，靜置時間為30 min的條件下，脫鈣率可達(dá)90%，鎂損失率為12.5%。

2)采用NaOH為沉淀劑，Mg(OH)2的產(chǎn)率隨OH-的增加而增加，隨靜置時間的增加而增加，與反應(yīng)溫度、攪拌時間無明顯關(guān)系，控制NaOH與Mg(OH)2物質(zhì)的量之比為1.1∶1；靜置時間為24 h時，氫氧化鎂產(chǎn)率可達(dá)60%，而繼續(xù)增加NaOH的量及增加靜置時間對產(chǎn)率影響逐漸減少，在實際工程中易造成資源浪費。故NaOH與Mg(OH)2物質(zhì)的量之比為1.1∶1；靜置時間為24 h為最佳工藝條件。

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