水力空化强化碳化反应制备碱式碳酸镁的实验研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0529

摘要/Abstract

摘要：

为了强化微观混合和传质，提高Mg（OH）₂碳化率，采用水力空化技术强化Mg（OH）₂与CO₂碳化反应生成中间产物Mg（HCO₃）₂，再经过热解制备碱式碳酸镁［4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O］，设计正交试验考察Mg（OH）₂碳化率的影响因素。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪和多参数测试仪等对产物进行表征。研究结果表明，Mg（OH）₂碳化率影响因素由大到小顺序依次为入射角α、CO₂流量q、Mg（OH）₂固含量s、入口压力p、喉径d₀、碳化时间t。在α=60°、d₀=4 mm、p=0.35 MPa、t=60 min、s=1.6%、q=17 L/min的工艺条件下碳化率为92.1%，比鼓泡搅拌反应器的碳化率（60.53%）高31.57%。产物4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O中杂质（如CaO、Fe）含量降低；制备的4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O呈均匀片状结构，晶体厚度小于50 nm；产品结晶良好，组成相对稳定单一，所得产物的各个衍射峰峰位都与标准六方晶型的碱式碳酸镁衍射峰峰位完全一致。

关键词: 水力空化, 碳化反应, 碱式碳酸镁, 水力空化反应器

Abstract:

In order to enhance microscopic mixing and mass transfer and to increase the Mg（OH）₂ carbonation rate，hydrodynamic cavitation technology was employed to intensify the carbonation reaction of Mg（OH）₂ and CO₂ to produce the intermediate product Mg（HCO₃）₂，which was then pyrolyzed to produce basic magnesium carbonate［4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O］.An orthogonal experimental design was used to investigate the factors influencing the carbonation rate of Mg（OH）₂.The resulting products were characterized by using scanning electron microscopy，X-ray diffractometer，and a multi-parameter testing instrument.The results showed that the important order of factors affecting the Mg（OH）₂ carbonation rate was incident angle α>CO₂ flow rate q>Mg（OH）₂ solid content s>inlet pressure p>throat diameter d₀>carbonation time t.Under the process conditions of α=60°，d₀=4 mm，p=0.35 MPa，t=60 min，s=1.6%，and q=17 L/min，the carbonation rate reached 92.1%.It was a 31.57% improvement over the carbonation rate（60.53%） of a bubble⁃stirred reactor.The content of impurities such as CaO and Fe in the product 4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O was reduced，and the produced 4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O had a uniform flake structure with a crystal thickness of less than 50 nm.The product had good crystallization and relatively stable and single composition.Each diffraction peak position of the obtained product was completely consistent with the diffraction peak position of basic magnesium carbonate in the standard hexagonal crystal form.

Key words: hydrodynamic cavitation, carbonation reaction, basic magnesium carbonate, hydrodynamic cavitation reactor

中图分类号:

TQ132.2

杨涵硕, 王德喜, 于红蕾, 杨亚丽, 姜久闯. 水力空化强化碳化反应制备碱式碳酸镁的实验研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 74-79.

YANG Hanshuo, WANG Dexi, YU Honglei, YANG Yali, JIANG Jiuchuang. Experimental study on hydrodynamic cavitation⁃enhanced carbothermic reduction process for production of magnesium carbonate hydromagnesite[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(7): 74-79.

图/表 8

图1

图2

表1

图3

图4

表2

表3

图5

参考文献 20

1	MA Xueyi， ZHAO Liang， WANG Dexi，et al.Numerical analysis of the gas⁃solid heat transfer characteristics of a lightly calcined MgO fluidized⁃bed roaster［J］.Chemical Engineering Science，2023，267：118334.
2	张九磊，赵亮，董辉，等.轻烧氧化镁气流床煅烧炉热工过程及煅烧风量研究［J］.无机盐工业，2022，54（1）：96-100.
	ZHANG Jiulei， ZHAO Liang， DONG Hui，et al.Study on the thermal process and calcination gas flow rate of light⁃burned magnesia entrained⁃flow calciner［J］.Inorganic Chemicals Industry，2022， 54（1）：96-100.
3	王瑜，李红，李雄伟，等.纳米氧化镁的生物制备及抗菌应用进展［J］.现代化工，2021，41（8）：58-62.
	WANG Yu， LI Hong， LI Xiongwei，et al.Preparation of nano magnesium oxide through biological method and its application in antibacterial［J］.Modern Chemical Industry，2021，41（8）：58-62.
4	沈超，王丙垒，刘拼，等.氧化镁膨胀剂在某大体积混凝土工程中的应用［J］.混凝土世界，2022（9）：61-64.
	SHEN Chao， WANG Binglei， LIU Pin，et al.Application of magnesium oxide expansive in a mass concrete project［J］.China Concrete，2022（9）：61-64.
5	PENG Lei， CHEN Bing.Study on the basic properties and mechanism of waste sludge solidified by magnesium phosphate cement containing different active magnesium oxide［J］.Construction and Building Materials，2021，281：122609.
6	YU Honglei， WANG Dexi， LIU Niansheng，et al.Effect of modified nano/Mg（OH）₂ on the flame retardancy and mechanical properties of NBR based on molecular simulation［J］.Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering，2022，30（5）：055001.
7	YU Honglei， WANG Dexi， LI Yunlong，et al.Explainable molecular simulation and machine learning for carbon dioxide adsorption on magnesium oxide［J］.Fuel，2024，357：129725.
8	PILARSKA A A， KLAPISZEWSKI Ł， JESIONOWSKI T.Recent development in the synthesis，modification and application of Mg（OH）₂ and MgO：A review［J］.Powder Technology，2017，319：373-407.
9	陈闵敏，孙玉柱，宋兴福，等.氢氧化镁碳化过程研究［J］.华东理工大学学报（自然科学版），2022，48（5）：600-608.
	CHEN Minmin， SUN Yuzhu， SONG Xingfu，et al.Carbonization process of magnesium hydroxide［J］.Journal of East China University of Science and Technology，2022，48（5）：600-608.
10	刘家辉，宁志强，谢宏伟，等.氧化镁的制备方法及发展趋势综述［J］.有色金属科学与工程，2021，12（3）：12-19.
	LIU Jiahui， NING Zhiqiang， XIE Hongwei，et al.Preparation methods and development trend of magnesium oxide［J］.Nonferrous Metals Science and Engineering，2021，12（3）：12-19.
11	张果泰，海春喜，周园.碱式碳酸镁的制备方法及应用现状［J］.盐湖研究，2022，30（3）：131-138.
	ZHANG Guotai， Chunxi HAI， ZHOU Yuan.Preparation and application of basic magnesium carbonate［J］.Journal of Salt Lake Research，2022，30（3）：131-138.
12	刘淑杰，代淑娟，于秋月，等.低品位菱镁矿制备高纯氧化镁试验研究［J］.非金属矿，2018，41（3）：27-29.
	LIU Shujie， DAI Shujuan， YU Qiuyue，et al.Experimental study on the preparation of high⁃purity magnesium oxide from low⁃grade magnesite［J］.Non⁃Metallic Mines，2018，41（3）：27-29.
13	王晓彤.菱镁矿碳化法制备高活性氧化镁［D］.北京：北京化工大学，2016.
	WANG Xiaotong.Preperation of highly active magnesium oxide by the carbonization of magnesite［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2016.
14	SMITHSON G L， BAKHSHI N N.Kinetics and mechanism of carbonation of magnesium oxide slurries［J］.Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development，1973，12（1）：99-106.
15	白俊红，刘有智，申红艳，等.超重力制备改性超细氢氧化镁的研究进展［J］.无机盐工业，2014，46（5）：10-12.
	BAI Junhong， LIU Youzhi， SHEN Hongyan，et al.Research progress in preparation of modified ultrafine magnesium hydroxide with high gravity technology［J］.Inorganic Chemicals Industry，2014，46（5）：10-12.
16	杨卜，彭金辉，范兴祥，等.微波辐射煅烧碱式碳酸镁制备轻质活性氧化镁［J］.无机盐工业，2005，37（11）：26-28.
	YANG Bo， PENG Jinhui， FAN Xingxiang，et al.The preparation of light and activated magnesium oxide from basic magnesium carbonate by microwave radiation⁃calcining［J］.Inorganic Chemicals Industry，2005，37（11）：26-28.
17	YAN Jingchen， AI Shuo， YANG Feng，et al.Study on mechanism of chitosan degradation with hydrodynamic cavitation［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2020，64：105046.
18	SAINTE BEUVE R， MORISON K R.Enzymatic hydrolysis of canola oil with hydrodynamic cavitation［J］.Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2010，49（10）：1101-1106.
19	BOKHARI A， CHUAH L F， YUSUP S，et al.Cleaner production of rubber seed oil methyl ester using a hydrodynamic cavitation：Optimisation and parametric study［J］.Journal of Cleaner Production，2016，136：31-41.
20	BAXI P B， PANDIT A B.Using cavitation for delignification of wood［J］.Bioresource Technology，2012，110：697-700.

样品	w（MgO）	w（CaO）	w（Fe）
轻烧粉	92.6	0.82	0.28
碱式碳酸镁	41.5	0.15	0.009

序号	A	B	C	D	E	F	Φ/%
1	1	1	1	1	1	1	71.9
2	1	2	2	2	2	2	80.8
3	1	3	3	3	3	3	80.7
4	1	4	4	4	4	4	80.8
5	1	5	5	5	5	5	73.9
6	2	1	2	3	4	5	89.7
7	2	2	3	4	5	1	75.7
8	2	3	4	5	1	2	79.1
9	2	4	5	1	2	3	75.5
10	2	5	1	2	3	4	80.5
11	3	1	3	5	2	4	85.7
12	3	2	4	1	3	5	80.7
13	3	3	5	2	4	1	77.5
14	3	4	1	3	5	2	77.7
15	3	5	2	4	1	3	80.9
16	4	1	4	2	5	3	80.1
17	4	2	5	3	1	4	82.5
18	4	3	1	4	2	5	86.0
19	4	4	2	5	3	1	79.1
20	4	5	3	1	4	2	87.0
21	5	1	5	4	3	2	86.2
22	5	2	1	5	4	3	91.8
23	5	3	2	1	5	4	84.0
24	5	4	3	2	1	5	87.4
25	5	5	4	3	2	1	76.6
K₁	77.62	82.70	81.58	79.82	80.36	76.16
K₂	80.10	82.30	82.90	81.26	80.92	82.16
K₃	80.50	81.46	83.30	81.44	81.44	81.80
K₄	82.94	80.10	79.46	81.92	85.36	82.70
K₅	85.20	79.78	79.12	81.92	78.28	83.54
R	7.58	2.94	4.18	2.10	7.08	7.38

[1]	任腾, 李胜东, 王德喜, 褚付州, 邵立新. 射流位置对碳化反应器混合效果影响的数值模拟分析[J]. 无机盐工业, 2023, 55(7): 109-114.
[2]	梁海,原天龙,王婉婷,杨云洪,梁文洁,王晓民,邓信忠. 微米级管状氧化镁团簇体的合成及其吸附磷的性能[J]. 无机盐工业, 2022, 54(9): 77-84.
[3]	庞洪昌,王智煜,田朋,宁桂玲. “一锅法”合成双组分镁基阻燃剂及性能研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 54-58.
[4]	赵福军,张浩波,吴中平,黄汇林. 老卤-碳铵法制备高纯氧化镁研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(9): 57-60.
[5]	赵福军,张浩波,吴中平,黄汇林. 老卤-碳铵法生产高纯氧化镁工业试验探索研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(8): 71-74.
[6]	郑楠,田朋,朱兴坤,孙雪,庞洪昌,宁桂玲. 碱式碳酸镁基复合阻燃剂的制备及其阻燃性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(2): 47-50.
[7]	谢娟,刘松林,陶绍程,胡厚美,刘旭. 高镁磷尾矿碳化法制备碱式碳酸镁研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(12): 135-139.
[8]	胡敏,龚翰章,吴华东,郭嘉,张林锋,周玉新. 含锂工业废料制备电池级碳酸锂工艺研究[J]. 无机盐工业, 2020, 52(3): 80-84.
[9]	刘兴，刘润静，赵华，韩晓娑，孙烨. 碱式碳酸镁微观结构对视比容影响[J]. 无机盐工业, 2019, 51(11): 42-45.
[10]	郝建堂，温丰源，李霞. 电解铝废渣提锂方法研究[J]. 无机盐工业, 2019, 51(10): 69-71.
[11]	杜娟, 陈镇, 吴玉龙, 杨明德, 袁建军, 何勇锋. 以硫酸镁为原料制备氧化镁晶须的工艺研究[J]. 无机盐工业, 2012, 44(7): 12-.
[12]	杨晨, 郑东, 杨小波, 贡胜军, 孙淑英, 宋兴福, 于建国. 特殊形貌碳酸镁用途、制备及表征[J]. 无机盐工业, 2011, 43(7): 5-.
[13]	杨晨, 杨小波, 郑东, 祁敏佳, 汪瑾, 宋兴福, 于建国. 微波作用下反应结晶制备碱式碳酸镁[J]. 无机盐工业, 2011, 43(6): 20-.
[14]	王国胜, 王蕾, 曹颖, 张翔. 反应温度对碱式碳酸镁结构及晶形影响的研究[J]. 无机盐工业, 2011, 43(3): 31-.
[15]	张向京, 赵飒, 张志昆, 郭欣欣, 刘润静, 胡永琪. 加压碳化法制备碱式碳酸镁新工艺研究[J]. 无机盐工业, 2011, 43(10): 39-.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会