CN115261892A - 一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁及其制备方法，具体过程为：(1)构建装有阴极和阳极的电解池，且在电解池中还设有置于阴极和阳极之间的离子交换膜；(2)往电解池中引入过滤后的含镁工业废水，通电后进行电解，使得含镁工业废水电离，并经离子过滤膜的过滤作用，在阴极富集Mg2+；(3)调控阴极区域的pH，使得Mg2+完全沉淀，得到氢氧化镁浆体；(4)将所得氢氧化镁浆体压制成型后，置于碳化反应釜中碳化处理，即得到目标产物碳化氢氧化镁。与现有技术相比，本发明不仅实现了含镁工业废水资源化利用，而且制品制备过程能封存大量二氧化碳，有利于推进我国双碳目标的实现。
Description
技术领域
本发明属于工业废水资源化利用及低碳材料制备技术领域，涉及一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁及其制备方法。
背景技术
随着工业化的发展，工业废水的排放量也在日益增多，工业废水的种类和危害性也在不同程度地提高，这就使得对废水的处理工作需要更加的细化并进行工艺改进，在保证废水处理得当的同时，对废水中的有效资源进行高效率回收，是实现经济效益的保证。镁工业废水是生产镁、镁化合物、镁合金等工厂排放的一种废弃物，其Mg2+浓度高于50g/kg，通过电化学方法将工业废水中的镁转化为氢氧化镁，可实现资源的高附加值转化。
此外，近年来，工业领域要加快可持续低碳转型和高质量发展，力争率先实现碳达峰。并在推动建材行业碳达峰中提出加快推进绿色建材产品认证和应用推广，加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等可持续建材产品的研发应用。
因此，如能开发一种镁工业废水资源化利用，且能够碳化的镁资源制品会具有十分重要的社会与经济意义。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁及其制备方法。
本发明实现从镁工业废水中提取氢氧化镁并将其碳化制备制品，为镁工业废水资源化利用以及低碳材料制备开辟了新途径。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，包括以下步骤：
(1)构建装有阴极和阳极的电解池，且在电解池中还设有置于阴极和阳极之间的离子交换膜；
(2)往电解池中引入过滤后的含镁工业废水，通电后进行电解，使得含镁工业废水电离，并经离子过滤膜的过滤作用，在阴极富集Mg2+；
(3)调控阴极区域的pH，使得Mg2+完全沉淀，得到氢氧化镁浆体；
(4)将所得氢氧化镁浆体压制成型后，置于碳化反应釜中碳化处理，即得到目标产物碳化氢氧化镁。
进一步的，所述的离子过滤膜为树脂膜或PVDF微孔膜，其孔径范围为0.4～0.6nm。
进一步的，阴极区域的pH被调控至9.4～12.4。
进一步的，电解过程中的电流范围为1-10A，电压范围为10-100V。
进一步的，所述氢氧化镁浆体中的含水率为15～45％；
压制成型过程中，压力范围为0.5-5MPa，时间范围为1-5min，温度没有特殊要求，室温即可。
进一步的，碳化处理过程中，碳化反应釜中二氧化碳的体积浓度维持在20～80％。
进一步的，碳化处理过程中的温度为40～100℃，压力为0.2～1MPa，时间为1～10h。
进一步的，所述的含镁工业废水中镁离子含量不低于5wt％，其他金属离子含量不高于1wt％。
进一步的，含镁工业废水的过滤精度为95％，去除尺寸大于0.1mm的杂质，普通过滤方式即可。
本发明的技术方案之二提供了一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁，其采用如上任一所述的制备方法制备得到。
将含镁工业废水通过0.1mm的滤网，使得95％的杂质被去除，过滤后的废水引入电解池后，将阴、阳极与外部电源接通，控制外部电源使得电流为1～10A，此时电解池中的溶液发生电解生成Cl-、OH-、Na+、Mg2+等离子，溶液中的阳离子需要得到电子以达到电荷平衡，因此会向阴极迁移，在迁移过程中，离子过滤膜会阻隔其他阳离子保证Mg2+通过离子过滤膜到达阴极区域，此时在pH调控***的调控下保证阴极区域的pH在9.4-12.4的范围之内，根据Mg(OH)2的溶度积常数，pH在9.4-12.4时，Mg2+可以与OH-反应形成沉淀，得到氢氧化镁浆体。主要发生的反应如下所示：
2H2O+2e-→2OH-+H2(g)
O2+2H2O+4e-→4OH-
2OH-+Mg2+→Mg(OH)2(s)
Mg(OH)2→MgO+H2O
随后将所得的氢氧化镁浆体置于磨具中，在压力为0.5-5MPa条件下压制1-5min，压制成型后置于碳化反应釜中碳化处理，碳化反应釜中二氧化碳的浓度维持在20～80％，碳化温度为40～100℃，压力为0.2～1Mpa，时间为1～10h，碳化后即得到目标产物碳化氢氧化镁。主要发生的反应如下所示：
MgO+CO2→MgCO3
MgO+CO2+3H2O→MgCO3·3H2O
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过电沉积方法实现从镁工业废水中提取氢氧化镁。一方面，为含镁工业废水高附加值利用提供了另一种有效途径；另一方面，与传统氢氧化镁制备方法相比，本发明以工业废水为原料，具有十分重要的经济、环保、科研意义。
2、本发明采用的电解池配有离子过滤膜，可以将杂质离子过滤，以提高阴极区域形成的氢氧化镁的纯度。
3、本发明通过控制电流密度、电压强度、功率等参数，可实现氢氧化镁的多晶化，保证了氢氧化镁的高碳化性能。
4、本发明所涉及的制品是通过碳化过程形成。一方面，氢氧化镁碳化形成碳酸镁，保证了制品的高强度；另一方面，该制品制备过程充分利用了二氧化碳，并将其转化为碳化产物，实现了二氧化碳的永久封存。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明，则表明所采用的原料或处理技术均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
本发明的电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的方法，包括以下步骤：
(1)构建装有阴极和阳极的电解池，且在电解池中还设有置于阴极和阳极之间的离子交换膜；
(2)往电解池中引入过滤后的含镁工业废水，通电后进行电解，使得含镁工业废水电离，并经离子过滤膜的过滤作用，在阴极富集Mg2+；
(3)调控阴极区域的pH，使得Mg2+完全沉淀，得到氢氧化镁浆体；
(4)将所得氢氧化镁浆体压制成型后，置于碳化反应釜中碳化处理，即得到目标产物碳化氢氧化镁。
结合上述制备工艺流程来进行下述碳化氢氧化镁制备实验，分别具体为：
实施例1
选取生产金属镁所排放的工业废水为原料，其Mg2+浓度为100g/kg，并过滤除去其所含固体垃圾等杂质；所用离子过滤膜为PVDF微孔膜，其滤孔孔径范围为0.4～0.6nm左右，购买自浙江泰林生物技术股份有限公司，型号为亲水聚偏氟乙烯密理博型；电解过程采用变压恒流模式，电流为1A；控制阴极区域的pH为9.4且基本保持不变；氢氧化镁浆体中的含水率为15％，另外，氢氧化镁浆体压制过程中的压力0.5MPa、时间为2min；碳化反应釜中的二氧化碳浓度为60％，碳化反应压力为0.5MPa，反应温度为50℃，反应时间为5h。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为32MPa，抗折强度为12MPa，固碳量为0.88kg CO2/kg，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.88kg CO2。
实施例2
选取生产氧化镁所排放的工业废水为原料，其Mg2+浓度为75g/kg，并过滤除去其所含固体垃圾等杂质；所用离子过滤膜为树脂膜，其滤孔孔径范围为0.4～0.6nm左右，购买自廊坊福玺节能科技有限公司。电解过程采用变压恒流式，电流为1.5A；控制阴极区域的pH为11.4且基本保持不变；氢氧化镁浆体中的含水率为15％，另外，氢氧化镁浆体压制过程中的压力0.5MPa、时间为3min；碳化反应釜中的二氧化碳浓度为80％，碳化反应压力为0.5MPa，反应温度为60℃，反应时间为3h。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为48MPa，抗折强度为17MPa，固碳量为0.85，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.85kg CO2。
实施例3
选取生产金属镁所排放的工业废水为原料，其Mg2+浓度为100g/kg，并过滤除去其所含固体垃圾等杂质；所用离子过滤膜为PVDF微孔膜，其滤孔孔径范围为0.4～0.6nm左右，购买自浙江泰林生物技术股份有限公司，型号为亲水聚偏氟乙烯密理博型；电解过程采用变流恒压式，电压为50V；控制阴极区域的pH为12.3且基本保持不变；氢氧化镁浆体中的含水率为15％，另外，氢氧化镁浆体压制过程中的压力0.6MPa、时间为3min；碳化反应釜中的二氧化碳浓度为40％，碳化反应压力为1MPa，反应温度为65℃，反应时间为8h。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为30MPa，抗折强度为8MPa，固碳量为0.98，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.98kg CO2。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了电解池中省去了离子交换膜的布置。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为29MPa，抗折强度为11MPa，固碳量为0.87kg CO2/kg，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.87kg CO2。
对比例2：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了直接采用常规市售的氢氧化镁进行固碳，购买自无锡泽镁科技有限公司。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为25MPa，抗折强度为7MPa，固碳量为0.65kg CO2/kg，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.65kg CO2。
对比例3：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了电流调整为0.3A。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为31MPa，抗折强度为10MPa，固碳量为0.87kg CO2/kg，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.87kg CO2。
对比例4：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了pH值调整为8.5。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为32MPa，抗折强度为10MPa，固碳量为0.78kg CO2/kg，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.78kg CO2。
对比例5：
与实施例2相比，绝大部分都相同，除了碳化反应釜中的二氧化碳浓度调整为15％。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为15MPa，抗折强度为3MPa，固碳量为0.26，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.26kg CO2。
对比例6：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将碳化反应压力调整为0.1MPa。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为41MPa，抗折强度为9MPa，固碳量为0.69，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.69kg CO2。
对比例7：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了碳化反应釜的反应温度为35℃。所得碳化氢氧化镁制品的抗压强度为28MPa，抗折强度为7MPa，固碳量为0.84，指的1kg碳化氢氧化镁制品可固化0.84kg CO2。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建装有阴极和阳极的电解池，且在电解池中还设有置于阴极和阳极之间的离子交换膜；
(2)往电解池中引入过滤后的含镁工业废水，通电后进行电解，使得含镁工业废水电离，并经离子过滤膜的过滤作用，在阴极富集Mg2+；
(3)调控阴极区域的pH，使得Mg2+完全沉淀，得到氢氧化镁浆体；
(4)将所得氢氧化镁浆体压制成型后，置于碳化反应釜中碳化处理，即得到目标产物碳化氢氧化镁。
2.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，所述的离子过滤膜为树脂膜或PVDF微孔膜，其滤孔孔径范围为0.4-0.6nm。
3.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，阴极区域的pH被调控至9.4～12.4。
4.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，电解过程中的电流范围为1-10A，电压范围为10-100V。
5.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，所述氢氧化镁浆体中的含水率为15～45％；
压制成型过程中的压力为0.5-5MPa，时间为1-5min。
6.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，碳化处理过程中，碳化反应釜中二氧化碳的体积浓度维持在20～80％。
7.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，碳化处理过程中的温度为40～100℃，压力为0.2～1Mpa，时间为1～10h。
8.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，所述的含镁工业废水中镁离子含量不低于5wt％，其他金属离子含量不高于1wt％。
9.根据权利要求1所述的一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁的制备方法，其特征在于，含镁工业废水的过滤精度为95％，去除尺寸大于0.1mm的杂质。
10.一种电解含镁工业废水生产的碳化氢氧化镁，其采用如权利要求1-9任一所述的制备方法制备得到。
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