CO₂和N₂混合氣氛下低品位菱鎂礦輕燒產物活性的研究

摘 """""要：以低品位菱鎂礦原料為研究對象，利用管式高溫爐，通過改變混合氣中CO₂的體積分數，得到在800～1"000"℃下進行煅燒后的產物，并通過水合法測定產物的活性。研究結果表明：在相同的溫度和原料完全分解的條件下，增加CO₂體積分數會導致煅燒產物活性逐漸降低，說明煅燒氣氛中CO₂的存在降低了產物活性。而當煅燒氣氛成分相同時，產物活性隨著煅燒溫度的升高而增加，在900"℃時達到峰值，之后隨著溫度的升高而降低。在實驗條件下，當溫度為900"℃且CO₂體積分數為0時，煅燒菱鎂礦產物表現出最好的活性。

關 "鍵 "詞：管式爐；菱鎂礦；活性；水合法；CO₂氣氛

中圖分類號：TQ132.2 """"""文獻標志碼：A """"""文章編號： 1004-0935（2024）12-1857-04

我國菱鎂礦資源豐富，儲備量巨大。遼寧省擁有世界罕見的優質菱鎂礦資源，具有較大的開發前景和價值^[1-2]。輕燒MgO又稱為活性MgO，是菱鎂礦在700～1 000 ℃經過煅燒制得的產物^[3]，活性MgO是一種具有廣泛用途的功能材料^[4]，其獨特的化學性質和結構使其在多個領域發揮著重要的作用。它可以作為催化劑、吸附劑和催化劑載體等。活性MgO還可以用于土壤修復和固體廢物處理等方面，對環境的改善具有積極的作用^[5]。此外，活性MgO在醫藥領域中也具有重要意義。通過進一步研究和開發，相信活性MgO將發揮更大的作用，為人類社會的可持續發展做出積極貢獻^[6]。不同活性的MgO用途不同，因此如何準確、高效、快速地測得在不同工況下MgO的活性至關重要。依據MgO自身的物理化學性質以及自身的晶體結構，可通過比表面積法、檸檬酸法、物相分析法、熱分析法、水合法、吸碘值法等測定MgO的活性^[7]。

菱鎂礦輕燒產物活性的影響因素很多：①原料產地。遼寧海城菱鎂礦在800～1 000 ℃輕燒產物活性最高^[8]，山東掖縣菱鎂礦在600 ℃輕燒產物活性最高^[9]。②輕燒溫度。錢海燕等^[10]研究了煅燒溫度對菱鎂礦輕燒產物活性的影響，結果表明，隨著煅燒溫度的升高，活性逐漸提高達到最高，之后隨著煅燒溫度和保溫時間的增加，輕燒產物的活性逐漸降低。③保溫時間。任慶利等^[11]研究保溫時間對MgO活性的影響時，發現在確保菱鎂礦基本分解的前提下，保溫時間以較短為宜。④升溫速率和原料粒徑，對于菱鎂礦輕燒產物的活性均有一定的影響，但影響程度沒有其他因素影響效果明顯^[12]。關于CO₂氣氛對菱鎂礦輕燒產物的影響研究較少，王櫻澈等^[13]研究了含CO₂氣氛中菱鎂礦分解反應動力學，發現CO₂的存在會抑制菱鎂礦粉的分解，使其表觀活化能顯著增大。王剛等^[14]研究了輕燒氣氛中CO₂、H₂O含量對產物活性的影響，得出CO₂、H₂O的存在降低了輕燒產物的活性。上述研究以及相關論述主要集中于純氣氛中熱分解反應動力學研究。在生產過程中，菱鎂礦煅燒多在混合氣氛中進行，而混合氣氛中CO₂含量對于菱鎂礦活性的影響研究鮮有報道。

利用管式高溫爐，對低品位菱鎂礦在不同體積分數的CO₂氣氛下制備輕燒MgO，通過水合法測定輕燒產物活性，為實際工業生產應用提供了理論依據。

1 "實驗部分

1.1 "實驗原料及裝置

選取遼寧省海城市質量分數低于38%的低品位天然菱鎂礦為原料，經破碎機破碎后，篩選出粒徑小于120 μm菱鎂礦顆粒作為實驗的研究對象，將篩好的菱鎂礦顆粒放入干燥器中備用。

管式爐裝置流程示意圖如圖1所示。OTF系列管式高溫爐（OTF-1200X，合肥科晶材料技術有限公司），由控制系統與爐膛相結合。爐襯采用高純氧化鋁聚輕材料，電阻絲作為加熱元件。石英玻璃管貫穿于爐膛，爐管進出口用不銹鋼法蘭密封，加熱元件與爐膛平行，均勻地分布在爐管周圍，有效地保證了溫度場的均勻性，使用長壽命的“K”型熱電偶與爐管接觸，來提高控制溫度的精確性，有利于對金屬、非金屬及其他化合物材料在CO₂氣氛下進行快速燒結、熔化、分解和反應。OTF系列管式爐能夠快速開啟，快速升降溫，對于實驗能做到迅速加熱到指定溫度，能夠判斷出反應溫度及不同體積分數的CO₂氣氛對菱鎂礦輕燒產物的影響效果。

1.2 "實驗過程及表征手段

首先，管式爐左端進氣口連接好法蘭，并通入不同體積分數的CO₂氣體，以N₂作為載氣，以N₂和CO₂作為混合氣，N₂與CO₂體積比分別為100∶0、80∶20、60∶40、40∶60，并控制混合氣體總流量為400"mL·min^-1。將管式爐按照10"℃·min^-1升溫速率，分別升至指定輕燒溫度800、850、900、950、1"000"℃。在此過程，稱取菱鎂礦顆粒原料10.00"g置于剛玉方舟中，鋪展均勻。然后，當達到目標溫度時，在管式爐出口處，將裝有原料的剛玉方舟放在出口停留10～15"s，用爐鉤將剛玉方舟勻速推入到管式爐中央位置，推入的同時，開始計時30"min，保持菱鎂礦原料在目標溫度持續熱解30"min。加熱30"min后，迅速用爐鉤將裝有原料的剛玉方舟鉤出，并用坩堝鉗將其夾出，幾分鐘后，將溫度驟降的剛玉方舟放入干燥箱內繼續冷卻至室溫，再進行稱量保存及測其活性。

測定MgO的活性的方法很多，在實驗過程中，分別采取了檸檬酸法以及水合法。首先，檸檬酸法具有操作簡單、反應時間短等優點，但同時主觀因素大、重復性及誤差因素多，輕燒后的菱鎂礦產物顏色偏粉，與酚酞滴定后的變色現象粉紅色有一定的接近，對MgO活性測定造成一定的時間偏差。最后，采用了水合法對MgO活性進行測定^[15]。

首先，稱取1.00 g試樣，精確至0.000 1 g。然后，測定時稱取3份試樣進行平行測定，將試樣置于35 mm×70 mm玻璃稱量瓶中，加入40 mL蒸餾水，蓋上蓋子并留有縫隙，在溫度（20±2） ℃、相對濕度70%±5%條件下靜置水化24 h，放入恒溫干燥箱中，于100 ℃烘1 h。然后升溫至（150±5） ℃烘干，并在此溫度下烘干至恒量，置于干燥器中冷卻至室溫，稱量。

輕燒產物中活性MgO含量用質量分數ω計，由式（1）計算得出。

式中：W₁—試樣水化前的質量，g；

W₂—試樣水化后的質量，g；

0.45—MgO水化反應生成的質量增加換算成MgO的系數的倒數。

2 "結果與討論

2.1 "菱鎂礦的失重率

不同CO₂氣氛下不同溫度菱鎂礦輕燒產物失重率如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度的升高，失重率增加。800 ℃和900 ℃菱鎂礦的失重率隨著CO₂體積分數的增加而降低，CO₂起到明顯的抑制作用；當溫度達到900 ℃時，不同體積分數的CO₂氣氛下的失重率穩定保持在43%左右。

2.2 "不同體積分數CO₂氣氛對輕燒產物的影響

不同體積分數CO₂氣氛下的輕燒產物活性如圖3所示。由圖3可知，隨著溫度的升高，MgO活性逐漸增加。900 ℃時，產物活性最好，隨著溫度的繼續升高活性逐漸下降。在相同溫度下，CO₂體積分數從0升至60%時，MgO的活性也在逐漸降低，可知CO₂對活性起到明顯的抑制作用。溫度為900 ℃、CO₂體積分數為0時，MgO活性為62%，在研究所有工況中的活性最好。

2.3 "CO₂氣氛對實際煙氣氣氛的應用

掌握不同體積分數的CO₂氣氛對菱鎂礦輕燒產物的影響，可以為后續處理提供基礎數據，對實際煙氣的工況應用具有指導意義。將CO₂氣氛與燃料混合，在燃燒過程中可以實現高效、低污染的能源轉換，減少有害氣體的排放，提高工廠的環境友好性。CO₂氣氛可以用于調節、控制工廠生產過程中的壓力，通過調整CO₂氣氛的壓力與其他氣體的比例，可以實現對各種工藝參數的控制，確保生產過程的穩定性和一致性，提高產品的質量和可靠性。CO₂氣氛的應用可以減少對環境的污染。相比于其他一些常用氣體，如氧氣、氮氣等，CO₂是一種相對較為環保的氣體，使用CO₂氣氛能夠降低工廠對環境的負荷，并符合可持續發展的要求^[16]。總之，了解CO₂氣氛的特性和變化，可以指導實際工況的設計和運行，促進輕燒產物活性的控制，同時也有助于提高MgO的活性，最終得到高品質的產品。CO₂氣氛在工業生產過程中的應用，有助于提高產品質量和生產效率，減少不必要的能源消耗和環境污染，其在節能減排和可持續發展方面有著重要的作用^[17]。因此，無論從環保還是經濟角度看，CO₂氣氛對實際煙氣氣氛的應用都具有重要的應用前景和意義。

3 "結 論

本文利用管式爐對低品位的菱鎂礦（粒徑小于"""120 μm）進行了輕燒實驗，研究了CO₂氣體氣氛的不同比例對輕燒產物活性的影響，得出以下結論：

1）在管式爐的輕燒條件下，煅燒溫度900 ℃、CO₂體積分數為0時，MgO質量分數為62%，活性最好。

2）在不同混合氣氛下，隨著CO₂體積分數的不斷增加，對輕燒產物活性起到明顯的抑制作用。可以通過調節控制溫度、保溫時間、不同體積分數CO₂氣氛，提高產品質量，增加產品的價值，為今后的生產實際提供理論依據。

參考文獻：

［[1］]"魏炳舉，張萬峰．一種極具發展前景的鎂系產品——氫氧化鎂[J]．海湖鹽與化工，2003，（（01））：26-29+33．

［[2］]"張國棟，史大業，龐寶貴．遼寧省菱鎂礦現狀及耐火材料產業的發展[C]．中國耐火材料行業協會．新形勢下全國耐火原料發展戰略研討會論文集，中國耐火材料行業協會：中國耐火材料行業協會，2014：125-133．

［[3］]"PEHLIVAN E，，"OZKAN A M，，"DIN? S， et al，Adsorption of Cu²⁺"and Pb²⁺"ion on dolomite powder[J]．Journal of Hazardous Materials，，"2009，，"167（1/2/3）：1044-1049.

［[4］]"王倩倩，陳中航，李曉安，等．熱處理菱鎂礦制備氧化鎂的國內研究進展[J]．礦產綜合利用，2019，（（02））：9-15．

［[5］]"田露，TAHMASEBI Arash Tahmasebi，李先春，等．氧化鎂活性及用于煙氣脫硫的實驗研究[J]．化工礦物與加工，2015，44（（04））：22-24+28．

［[6］]"李東亮，王康軍，李運甲，等．中低品位菱鎂礦煅燒產物硫化氫脫除性能研究[J]．金屬礦山，2022，（（09））：223-229．

［[7］]"汪衢，白麗梅，馬玉新，等．菱鎂礦煅燒制備氧化鎂及其活性檢測的研究進展[J]．有色金屬（（冶煉部分）），2022，（（01））：36-44．

［[8］]"崔崇，彭長琪，崔可浩，等．影響菱鎂礦燃燒氧化鎂粉活性的因素[J]．武漢理工大學學報，1993，（（03））：42-48．

［[9］]"肖學英，何榮昌，孫慶國，等．肅北菱鎂礦焙燒條件與鎂水泥性能的關系[J]．鹽湖研究，1999，（（04））：49-54．

［[10］] 錢海燕，鄧敏，張少明．菱鎂礦煅燒活性氧化鎂實驗研究[J]．非金屬礦，2004（（06））：1-2．

［[11］] 任慶利，劉斌，陳維，等．燒制工藝對氧化鎂活性的影響[J]．絕緣材料，2003，（（03））：16-18+15．

［[12］] 薛原，閻富生，胡賢忠，等．菱鎂礦煅燒制備輕燒鎂正交試驗[J]．材料與冶金學報，2021，20（（01））：64-67．

［[13］] 王櫻澈，劉雪景，許光文．含CO₂抑制性氣氛中菱鎂礦分解反應動力學研究[J]．遼寧化工，2020，49（（12））：1475-1478．

［[14］] 王剛，夏志豪，李希艷，等．不同氣氛下流化床菱鎂礦輕燒產物特性研究[J]．化工學報，2022，73（（08））：3699-3707．

［[15］] 關巖，畢萬利，張玲．低品位菱鎂礦煅燒制備活性氧化鎂試驗[J]．冶金能源，2015，34（（04））：33-36．

［[16］] 江梅，郭敏，程華，等．燒結煙氣超低排放全過程控制優化技術探討[J]．燒結球團，2023，48（（02））：115-121．

［[17］] 鄧靖，吳銀登，黃強．生活垃圾焚燒煙氣再循環技術分析與試驗探討[J]．節能與環保，2022，（（12））：70-71．

Study on the Activity of Light-Burned Product of Low-Grade

Magnesite in the Mixed Atmosphere of CO₂"and N₂

SUN Rui-ze， ZHANG Yue-liang， SONG Xing-fei

（Institute of Industrial Chemistry and Energy Technology， Key Laboratory on Resources Chemicals and Materials of Ministry of Education， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract："Taking low-grade magnesite as the research object， the product calcined at 800～1 000 ℃"was obtained by changing the volume fraction of CO₂"in the mixed gas in a tubular high-temperature furnace， and the activity of the product was determined by hydration method. The results show that under the same temperature and the complete decomposition of raw materials， increasing the volume fraction of CO₂"could"gradually reduce the activity of calcined products， indicating that the existence of CO₂"in the calcination atmosphere reduced"the activity of products. However， when the composition of calcination atmosphere was"the same， the product activity increased"with the increase of calcination temperature， reached"the peak at 900 ℃， and then decreased"with the increase of temperature. Under the experimental conditions， when the temperature was 900 ℃"and the volume fraction of CO₂"was"0， the calcined magnesite product had"the best activity.

Key words："Tube furnace; Magnesite; Activity; Hydration; CO₂"atmosphere