氫氧化鈉法提取鎂元素的資源化利用研究★

王 倩 林冠豪 孫明明 于海琴

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

1 概述

當今社會，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鎂元素的提取利用擁有很好的經濟前景。

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，產品收率也低，并易對環境造成污染[6]；鈣法使用石灰乳做沉淀劑，雖然原料廉價易得，但產品雜質含量高、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[8]。因此，本試驗選用NaOH與Mg2+反應，提取氫氧化鎂后產生的副產品，可在后續生產NaCl中被利用。

2 試驗內容和方法

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，水質狀況見表1。

表1 濃鹽水組成(20 ℃)

2.2 試驗方法

依據溶度積原理[9]，采用Na2CO3做脫鈣劑，制備脫鈣母液。設計正交實驗[10]，通過改變Na2CO3的加入量與溶液中Ca2+的物質的量之比，反應溫度，攪拌反應時間以及反應后靜置時間對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，改變其物質的量、反應溫度、反應時間及靜置時間，考察其對Mg(OH)2產率及純度的影響，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

各成分分析監測方法見表2。

表2 成分監測方法

3 實驗結果與討論

3.1 脫鈣影響因素分析

3.1.1反應物物質的量比、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，且反應時間不宜過長。因此設計了三組水平對照試驗，實驗結果如表3，表4所示。

表3 正交實驗設計及結果分析

表4 Ca2+,Mg2+的方差分析

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

3.1.2反應時間的影響

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

在Na2CO3與Ca2+的物質的量之比為1.2∶1，反應溫度為25 ℃，攪拌器轉速為600 rpm的條件下，反應時間為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反應物物質的量比、溫度、反應時間的影響

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計正交實驗，實驗結果以及方差分析見表5,表6。

表5 正交實驗設計及結果分析

表6 Mg(OH)2產率方差分析

影響Mg(OH)2產率主要因素為NaOH與Mg2+物質的量之比，其次是靜置時間。反應溫度跟攪拌反應時間對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。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+物質的量之比為1.1∶1，析出率約為3.3%，NaOH于Mg2+物質的量之比為1.2∶1時，析出率增加到5.6%，故選擇NaOH與Mg2+物質的量之比為1.1∶1最合適。

3.2.2反應靜置時間的影響

靜置時間為影響Mg(OH)2產量的一個重要因素，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+物質的量之比為1.1∶1，探究不同靜置時間對Mg(OH)2產量的影響。實驗結果如圖2所示。

由圖2可知在NaOH于Mg2+物質的量之比為1.1∶1的條件下，Mg(OH)2產率隨靜置時間的增加而增加。靜置時間在6 h～24 h內，Mg(OH)2產率的增長速率基本不變，超過24 h，Mg(OH)2產率的增長速率減緩。由此可見當靜置時間超過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 結語

1)采用Na2CO3為脫鈣劑，來去除濃海水中的Ca2+不引入雜質，能提高Mg(OH)2的純度。在投加比為1.2∶1，反應溫度為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90%，鎂損失率為12.5%。

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

參考文獻:

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