1、第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期：2023-02-17基金项目：国家自然科学基金（12064046）；陕西省榆林市科技局项目（2019-86-7）作者简介：王建军（1976-），男，讲师，硕士，主要研究方向为固废处理与资源化文章编号：1004-3918（2023）08-1182-06白云石炼镁收尘灰制备碱式碳酸镁的碳化-热解法工艺研究王建军1，毛安利1，刘龙治1，王博1，任立庆1，温俊锋2（1.榆林学院 能源工程学院，榆林719000；2.榆林学院 化学与化工学院，榆林719000）摘要：以白云石炼镁收尘灰作为
2、原料，采用碳化-热解法制备碱式碳酸镁，通过单因素试验研究了碳化过程中温度、时间、CO2流速对碱式碳酸镁产率的影响及热解过程中温度对碳酸氢镁水溶液（重镁水）分解率的影响，确定了碳化-热解法制备碱式碳酸镁的最佳工艺条件，并通过XRD、SEM和EDS对制备的样品进行表征.结果表明，在碳化时间为40 min、碳化温度为2530、CO2流速为0.4 L/min、碳化终止pH为8.0、碳酸氢镁水溶液热分解温度为90 的条件下，采用碳化-热解法制备得到的碱式碳酸镁产率最高为84.72%.在最佳制备工艺条件下制备得到的片状碱式碳酸镁（4MgCO3Mg（OH）24H2O）杂质含量少、纯度高，达到了冶镁原料标准要
3、求，实现了灰渣废弃物的高效回收利用.关键词：白云石尾灰；碳酸氢镁水溶液；碳化；热解；碱式碳酸镁中图分类号：TQ 110.6文献标识码：APreparation of High Pure Basic Magnesium Carbonate by Carbonization-Pyrolysis Process from the Collected Dust of Dolomite Smelting MagnesiumWANG Jianjun1，MAO Anli1，LIU Longzhi1，WANG Bo1，REN Liqing1，WEN Junfeng2（1.School of Energy En
4、gineering，Yulin University，Yulin 719000，Shaanxi China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Yulin University，Yulin 719000，Shaanxi China）Abstract：Basic magnesium carbonate was prepared by carbonization-pyrolysis method using dolomite smeltingmagnesium dust as raw material.The effects of temp
5、erature，time and CO2flow rate on the yield of basic magnesiumcarbonate in the carbonization process and the effect of temperature on the decomposition rate of magnesiumbicarbonate aqueous solution（heavy magnesium water）in the pyrolysis process were investigated by single factorexperiments.The optimu
6、m process conditions for the preparation of basic magnesium carbonate by carbonization-pyrolysis method were determined，and the prepared samples were characterized by XRD，SEM and EDS.Theresults show that under the conditions of carbonization time of 40 min，carbonization temperature of 25-30，CO2flow
7、rate of 0.4 L/min，carbonization termination pH of 8.0 and thermal decomposition temperature of magnesiumbicarbonate aqueous solution of 90，the yield of basic magnesium carbonate prepared by carbonization-pyrolysismethod is up to 84.72%.The flake basic magnesium carbonate（4MgCO3Mg（OH）24H2O）prepared u
8、nder theoptimum preparation conditions has low impurity content and high purity，which meets the standard requirements ofmagnesium smelting raw materials and realizes the efficient recycling of ash waste.Key words：dolomite tail ash；magnesium bicarbonate aqueous solution；carbonation；pyrolysis；basic ma
9、gnesiumcarbonate目前我国冶镁行业大多以白云石为原料采用皮江法工艺生产镁质产品1-4.该工艺生产线上的回转窑收尘系统每天都会收集大量的工业飞灰（收尘灰），也叫白云石尾灰.这种收尘灰由未分解的白云石、MgO、CaO、灰分以及杂质组成5-6，因其分解不够完全、粒度细小、含有杂质而不能满足冶镁原料的基本标准，故其一般会被丢弃处理.这就需要建造一定的尾矿库，不仅会占用土地资源，而且需企业花费资金维护，同时还会污染周边生态环境7-9，影响人们身体健康.若将这些收尘灰加以利用，不仅能够形成矿物综合利用和价值链增长的良性循环，还可以解决收尘灰占用大量土地资源、污染环境等问题，既可提高企业经济效
10、益，又可使该产业走上绿色可持续发展道路.制备碱式碳酸镁的方法有轻烧粉碳化法、白云石碳化法、菱镁矿碳化法、卤水碳化法、菱镁矿复分解法、卤水纯碱法、卤水-碳铵法10-17等.白云石碳化-热解法制备碱式碳酸镁18是先通过高温对白云石进行煅烧获取MgO和CaO，再送入消化池制成浆料，然后在碳化塔中与CO2气体发生碳化反应，让Ca（OH）2变为CaCO3，再继续通入CO2气体持续与之反应，使浆料中的Mg2+与HCO3-反应生成Mg（HCO3）2，过滤得到碳酸氢镁水溶液（俗称重镁水），再对碳酸氢镁水溶液进行热解过滤，得到最终产物水合碱式碳酸镁.该工艺简单、企业投入成本相对较低，已被广泛采用.但应用白云石炼
11、镁收尘灰作为原料通过碳化-热解法制备碱式碳酸镁的研究还未见报道.故本研究以榆林市某冶镁企业回转窑生产线上收尘系统所收集的白云石炼镁收尘灰（白云石尾灰）为原料，采用碳化-热解法生产碱式碳酸镁，并通过单因素试验探究不同因素对碱式碳酸镁产率的影响，以探寻白云石炼镁收尘灰制备碱式碳酸镁的最佳工艺条件，实现钙镁资源最大化利用，为冶镁企业在尾灰综合回收处理方面提供新思路.1试验材料与方法1.1试验材料与仪器试验所用白云石炼镁收尘灰（白云石尾灰）来自榆林市某冶镁企业回转窑生产线收尘系统收集的尾灰，粒度在0.075 mm以下，主要成分为MgO（质量分数约为13.02%）、CaO（质量分数约为14.3%）及少量
12、的Al2O3（质量分数约为7.99%）、Fe2O3（质量分数约为9.87%）、SiO2（质量分数约为10.66%）等杂质.CO2为工业级（体积分数为99.9%）气体，购自西安凯宣得气体有限公司.超高分辨率场发射扫描电镜（Gemini Sigma 300/VP SEM），产自德国卡尔蔡司公司；X射线衍射仪（BrukerD8 Advace），产自布鲁克公司.1.2试验方法将10 g收尘灰在真空干燥箱烘干后加入200 mL蒸馏水经消化后进行碳化，通过控制碳化时间、碳化温度和CO2流速来考察碳化过程中各因素对碱式碳酸镁产率的影响规律，以获取消化池浆料的最佳碳化工艺条件.取适量通过上述碳化反应获取的碳酸
13、氢镁水溶液，在集热式恒温加热磁力搅拌器中加热至不同热解温度使碳酸氢镁水溶液进行热分解，以探究热解过程中温度对碳酸氢镁水溶液（重镁水）分解率的影响10.集热式恒温加热磁力搅拌器的搅拌速率为600 r/min.碱式碳酸镁制备工艺流程如图1所示.2试验结果与分析2.1碳化过程各因素对碱式碳酸镁产率的影响2.1.1碳化时间对碱式碳酸镁产率的影响在白云石尾灰质量为10 g、碳化温度为30、CO2流速为 0.4 L/min、重镁水热解温度为90 的条件下考察碳化时间对最终产物碱式碳酸镁产率的影响.从图2中可以看出，随着碳化时间的延长，碱式碳酸镁产率图1碳化-热解法制备碱式碳酸镁的工艺流程图Fig.1The
14、 process flow chart for preparation of basic magnesium carbonate by carbonization-pyrolysis method白云石炼镁收尘灰消化碳化过滤滤渣碱式碳酸镁过滤热解碳酸氢镁水溶液（重镁水）引用格式：王建军，毛安利，刘龙治，等.白云石炼镁收尘灰制备碱式碳酸镁的碳化-热解法工艺研究 J.河南科学，2023，41（8）：1182-1187.-1183第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月在逐渐上升，碳化反应前期碱式碳酸镁产率增加明显，碳化反应后期随碳化时间的延长，碱式碳酸镁产率基本保持恒定.碳化反应时间过长，溶液
15、中的pH值会降低致溶液显酸性，此时通入液相中的CO2会以HCO3-形式存在，HCO3-又会与前期产物CaCO3结合生成Ca（HCO3）2，这样就会导致最终得到的碱式碳酸镁溶液中含有部分碳酸氢钙而降低产品的品质.为确保最终产物不被杂质影响，一般待浆料反应至pH=8.0的碱性条件时，停止向碳化装置中通入CO2气体，终止碳化反应，然后将浆料进行过滤，以得到较为理想的碳酸氢镁水溶液.如果碳化时间过于短暂，将会导致通入的CO2气体与浆料中的Mg（OH）2反应不充分，最终会降低碱式碳酸镁产率.以上结果表明，一定范围内增加碳化反应时间有助于提升碱式碳酸镁的产率，但超过一定范围后，继续增加碳化反应时间并不能提
16、升碱式碳酸镁的产率，反而会增加成本消耗.故综合考虑认为，将碳化时间控制在40 min（碱式碳酸镁的产率达82.53%）较为合理.2.1.2碳化温度对碱式碳酸镁产率的影响在白云石尾灰质量为10 g、碳化时间为30 min、CO2流速为 0.4 L/min、重镁水热解温度为90 的条件下考察碳化温度对碱式碳酸镁产率的影响.由图3可以看出，碳化温度对最终产物碱式碳酸镁的产率有着非常大的影响.当碳化温度达到30 时，所得产物碱式碳酸镁的产率（80.58%）最佳，之后随着碳化温度的逐渐升高，碱式碳酸镁的产率不仅没有增加反而逐渐降低.这是由于Mg（HCO3）2的溶解度会随着温度的升高而逐步下降，这在一定程度上会抑制碳化反应的发生，从而使碱式碳酸镁的产率有所下降.碳化反应属于气、液相间反应，其反应速度实质上受到液相中CO2溶解度的影响.当保持其他条件一定时，CO2在浆料中的溶解度大小取决于浆料温度的高低，当温度升高时，CO2在浆料中的溶解度将会变小，碳化反应所需要的时间就会增加；反之，碳化反应时间将会缩短.因为碳化反应为放热反应19-20，所以降低碳化反应温度，有利于反应向正方向进行，从而有助于加速
