利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时Mg2+封存CO2的装置及方法与流程

本发明涉及一种浸取蛇纹石的处理方法和工艺装置，特别是涉及一种浸取蛇纹石的提取镁的方法和工艺装置还涉及一种co2矿化封存的方法，还涉及一种蛇纹石的利用方法，应用于矿山、冶金和化工以及环境技术领域。

背景技术：

我国拥有储量巨大的蛇纹石矿，它的化学通式可表示为mg6si4o10(oh)8，是1:1层状构造硅酸盐矿物。其化学组成如表1，主要成分为氧化镁和二氧化硅，质量约占蛇纹石矿的80％。主要分布于江西、安徽、青海等省。蛇纹石单位构造层(晶层)是由一层硅氧四面体片和一层氢氧镁石八面体片结合而成，其八面体空隙为镁所填充。结构单元层内，羟基以内羟和外羟分布，内外羟比为1:3。正因如此，蛇纹石在水中呈碱性，ph值约为10～11。遇酸会发生如下反应：

mg3si2o5(oh)4+6h⁺→3mg²⁺+2sio2+2h2o(1)

表1蛇纹石矿的化学组成

由于一直没有良好的资源开发技术，蛇纹石矿的综合利用一直是亟待解决的问题。同时，由于蛇纹石矿具有叶片状或磷片状晶体，分化层较大，我国均为露天开采，在开采过程中产生大量碎矿石，粒度<2～3cm，一般称为蛇纹石粉矿或尾矿，约占开采量的1/3～1/2，常被当作废料抛弃，既浪费矿产资源又积占开采面和农田。而且由于尾矿中所含的大部分是粉状物，遇风漫天飞，造成严重的空气污染，加速了雾霾的形成。对于居住在矿区20km范围内的人和牲畜，长期吸入尾矿粉尘，会形成石棉肺(肺部都是网状物)，对人的生存构成极大威胁。

另外，近代以来，由于化石燃料的过度使用，以co2为主的温室气体引发的温室效应越来越显著。地表温度升高、海平面上升、极端天气频发已经引起了世界的广泛关注。2013年全球co2的排放总量已经达到了惊人的334亿吨，大气中co2的浓度已经从工业时代前的280ppm增加到440ppm。co2减排刻不容缓。co2捕集与封存技术(carboncaptureandstorage,ccs)是应对全球气候变暖和温室效应的重要途径。目前主要的封存方式有三种，分别是地质封存、海洋封存和矿化封存。与其他封存方式相比，矿化封存的产物是稳定的碳酸盐，不存在长期储存条件下泄露的风险，同时不会破坏现有的环境系统，因此具有很好的潜力。钙镁元素是co2矿化封存的基础。

因此，可利用蛇纹石含钙镁元素的特点，用酸提取出镁元素来吸收co2，对其进行矿化封存。但如反应(2)所示，mg²⁺与co2反应会产生酸，若不能将酸及时转移则mgco3沉淀难以发生。由如下的热力学数据也可得出δgm^θ(kj/mol)＝74.1(kj/mol)>0，说明在溶液中此反应在常温下无法自发进行。必须将酸移去才能使反应向右进行生成mgco3沉淀。

δgm^θ(kj/mol)→(-454.8)(-237.1)(-394.4)(-1012.2)(0)

δg(kj/mol)＝(-1012.2)-(-454.8)-(-237.1)-(-394.4)＝74.1(kj/mol)

但目前还没有有关膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg2+封存co2的相关报道，如何实现低成本的蛇纹石成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的装置及方法，实现mg对co2的矿化封存，有效地提高浸取蛇纹石的浸取率，为低能耗、低成本、高收益的处理蛇纹石提供保障。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的装置，用阴离子交换膜将反应槽分成阳极区和阴极区，所用的阴离子交换膜允许阴离子离子通过，而使阳离子被阻隔；阳极区的电极采用气体扩散电极，阴极区的电极采用不锈钢和石墨中的任意一种材料或者二者复合的材料制成；

将预活化后的蛇纹石投入膜电化学的阳极区中的酸性体系溶液中，形成蛇纹石-酸性溶液混合体系溶液，反应开始后，两极区会发生如下膜电化学反应：

a)在阳极区，h2在气体扩散电极形成质子h⁺，阳极区的酸性体系溶液用于浸取蛇纹石；

b)在阴极区，阴极电极反应的h2通过气体输送管路转移到阳极区，在阴极区形成碱性体系oh-溶液；

在阴极区形成的碱性体系oh-溶液中通过加气管路鼓入co2，生成沉淀产物，将在阴极区的含有沉淀产物的碱性体系oh-溶液经过阴极溶液过滤装置进行过滤，将经过过滤后的溶液通过液体供应管路重新通过转移到阴极区；

在阳极区反应完成后的料浆经过阳极溶液过滤装置进行过滤，将过滤后的料液在结晶装置中进行结晶，得到结晶盐类物质，将得到结晶盐类物质通过加料输送装置投入到阴极区，形成阴极区盐类溶液。

作为本发明优选的技术方案，分别将多孔无机膜设置于阴离子交换摸的两侧，从而防止料浆冲刷阴离子交换膜而损坏阴离子交换膜，多孔无机膜的孔径在1纳米～1000微米范围。

采用上述气体扩散电极，在优选钛网上面涂敷铂炭形成阳极区的气体扩散电极。

上述阴离子交换膜优选采用纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类、壳聚糖类、乙烯类和苯醚类中的任意一种高分子材料或者其中任意多种的高分子复合材料制成。

作为本发明优选的技术方案，在阴极区的阴离子能迁移到阳极区，其中阴离子包括硫酸根、磷酸根、草酸根、柠檬酸根中的任意一种阴离子或者任意多种的混合阴离子。

作为本发明优选的技术方案，在阳极槽中，蛇纹石-酸性溶液混合体系溶液的温度在10～100℃，控制反应时间为15～500min，采用搅拌装置，对蛇纹石-酸性溶液混合体系溶液搅拌速度在100～500rpm；通过阳极扩散电极的h2流量控制在1sccm到1000sccm，槽电压控制在1～10v，电流密度控制在1a/cm²～1000a/cm²。

作为本发明优选的技术方案，在阴极槽中，阴极区盐类溶液的温度为10～100℃，控制阴极区反应时间为15～500min。

作为本发明优选的技术方案，将阳极区浸取蛇纹石反应后的料液过滤和结晶处理得到硫酸镁，转移到阴极区，反应形成mg(oh)2；在阴极区通入的co2溶解到水中与mg(oh)2反应形成mgco3沉淀产物。

一种利用本发明利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的装置，进行原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，包括如下步骤：

将预活化后的蛇纹石投入膜电化学的阳极区中的阳极槽溶液进行反应，控制反应温度在10～100℃范围，反应时间为15～500min，蛇纹石和阳极槽溶液的固液质量与体积比在0.1:10(g/ml)～1:1(g/ml)，形成含有蛇纹石的阳极槽溶液，对阳极槽溶液的搅拌速度为100～500rpm；

通过阳极扩散电极的h2流量控制在1sccm到1000sccm，槽电压控制在1～10v范围，电流密度控制在1a/cm²～1000a/cm²；把多孔无机膜放在阴离子交换摸的两侧，从而避免料浆冲刷阴离子交换膜而损坏阴离子交换膜；

在阴极区中加入金属盐启动反应，反应开始后，电子在阴极表面反应形成h2，然后转移通入到阳极区，在阳极区的扩散电极表面形成质子h⁺，作为提供浸取蛇纹石的酸，同时，阴极区的阴离子会迁移到阳极区中，与浸取蛇纹石获得的mg²⁺结合生成mg盐；反应结束后，将阳极区反应完成后的料浆进行过滤，过滤后的料液结晶得到mg盐，然后将mg盐投入到阴极区，而阴极区在电极反应后会形成oh^-离子，与阴极区的mg²⁺结合生成mg(oh)2；然后将阴极区反应形成mg(oh)2悬浮液转移到反应槽中，并鼓入co2，形成mgco3沉淀，再进行过滤，过滤后的液体重新转移到阴极区，过滤后收集mgco3；

按照在阴极区投放的mg盐和经过过滤后的溶液的固液质量与体积比在0.1:10(g/ml)～1:1(g/ml)的比例，将得到mg盐与经过过滤后的溶液混合形成阴极槽溶液，阴极区反应温度为10～100℃，反应时间为15～500min；

在膜电化学原位浸取蛇纹石同时，时mg²⁺封存co2形成mgco3而将mg从蛇纹石中分离出来。

作为本发明优选的技术方案，原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，在阳极槽中，蛇纹石-酸性溶液混合体系溶液的温度在10～100℃，控制反应时间为15～500min，采用搅拌装置，对蛇纹石-酸性溶液混合体系溶液搅拌速度在100～500rpm；通过阳极扩散电极的h2流量控制在1sccm到1000sccm，槽电压控制在1～10v，电流密度控制在1a/cm²～1000a/cm²；在阴极槽中，阴极区盐类溶液的温度为10～100℃，控制阴极区反应时间为15～500min。

本发明的原理：

本发明采用膜电化学解决h⁺迁移问题，实现处理蛇纹石和矿化封存温室气体co2的目的。方法是用阴离子交换膜将反应槽分成阳极区和阴极区，所用的阴离子交换膜允许阴离子离子通过，而阳离子被阻隔。阳极区的电极采用气体扩散电极；阴极区的电极采用不锈钢或者石墨制成。反应开始后，两极区会发生如下膜电化学反应：

阳极区：h2→2h⁺+2e

2h⁺+so4^2-→h2so4

3h2so4+mg3si2o5(oh)4→3mgso4+2sio2+5h2o

阴极区：2h2o+mg²⁺+2e→mg(oh)2+h2

2mg(oh)2+4co2→2mg(hco3)2

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法利用膜电化学反应槽的特点，借助阴离子交换的专属性，使之在阳极区浸取蛇纹石的浸取率可以达到95％，阴极区获得的mgco3的纯度可以达到98.5％以上，显著提高蛇纹石的资源化处理能力；

2.本发明方法膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，实现两种自然资源的同步综合利用，同时对温室气体co2进行矿化封存，实现一举两得效果；

3.本发明装置结构简单，易于控制和使用，占地面积小，处理蛇纹石的效率高。

附图说明

图1为本发明实施例一膜电化学阳极区原位浸取蛇纹石和阴极区mg²⁺矿化封存co2的工艺装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

在本实施例中，参见图1，一种利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的装置，其特征在于：用阴离子交换膜将反应槽分成阳极区和阴极区，所用的阴离子交换膜允许阴离子离子通过，而使阳离子被阻隔；阳极区的电极采用气体扩散电极，阴极区的电极采用不锈钢和石墨中的任意一种材料或者二者复合的材料制成；

按照固液质量与体积比在0.1:10(g/ml)～1:1(g/ml)的比例，将颗粒尺寸在60～200目的预活化后的蛇纹石投入膜电化学的阳极区中的酸性体系溶液中，形成蛇纹石-酸性溶液混合体系溶液，反应开始后，两极区会发生如下膜电化学反应：

a)在阳极区，h2在气体扩散电极形成质子h⁺，阳极区的酸性体系溶液用于浸取蛇纹石；

b)在阴极区，阴极电极反应的h2通过气体输送管路转移到阳极区，在阴极区形成碱性体系oh^-溶液；

在阴极区形成的碱性体系oh^-溶液中通过加气管路鼓入co2，生成沉淀产物，将在阴极区的含有沉淀产物的碱性体系oh^-溶液经过阴极溶液过滤装置进行过滤，将经过过滤后的溶液通过液体供应管路重新通过转移到阴极区；

在阳极区反应完成后的料浆经过阳极溶液过滤装置进行过滤，将过滤后的料液在结晶装置中进行结晶，得到结晶盐类物质，按照盐类物质和经过过滤后的溶液的固液质量与体积比在0.1:10(g/ml)～1:1(g/ml)的比例，将得到结晶盐类物质通过加料输送装置投入到阴极区，形成阴极区盐类溶液。

一种利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的装置，进行原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，包括如下步骤：

按照固液质量与体积比在0.1:10(g/ml)的比例，将颗粒尺寸为200目的预活化后的蛇纹石投入膜电化学的阳极区中的阳极槽溶液进行反应，控制反应温度为100℃，反应时间为15min，形成含有蛇纹石的阳极槽溶液，对阳极槽溶液的搅拌速度为500rpm；

通过阳极扩散电极的h2流量控制在1sccm到1000sccm，槽电压控制为10v，电流密度控制在1000a/cm²；把多孔无机膜放在阴离子交换摸的两侧，从而避免料浆冲刷阴离子交换膜而损坏阴离子交换膜；

在阴极区中加入mgso4·7h2o启动反应，反应开始后，电子在阴极表面反应形成h2，然后转移通入到阳极区，在阳极区的扩散电极表面形成质子h⁺，作为提供浸取蛇纹石的酸，同时，阴极区的so4²-阴离子会迁移到阳极区中，与浸取蛇纹石获得的mg²⁺结合生成mgso4；反应结束后，将阳极区反应完成后的料浆进行过滤，过滤后的料液结晶得到mgso4·7h2o，然后将mgso4·7h2o投入到阴极区，而阴极区在电极反应后会形成oh-离子，与阴极区的mg²⁺结合生成mg(oh)2；然后将阴极区反应形成mg(oh)2悬浮液转移到反应槽中，并鼓入co2，形成mgco3沉淀，再进行过滤，过滤后的液体重新转移到阴极区，过滤后收集mgco3；

按照在阴极区投放的mg盐和经过过滤后的溶液的固液质量与体积比在0.1:10(g/ml)的比例，将得到mg盐与经过过滤后的溶液混合形成阴极槽溶液，阴极区反应温度为10℃，反应时间为500min；

在膜电化学原位浸取蛇纹石同时，时mg²⁺封存co2形成mgco3而将mg从蛇纹石中分离出来。本实施例具体工艺流程图参考图1所示。总之，在阳极区浸取蛇纹石的浸取率达到95％，阴极区获得的mgco3的纯度达到98.5％以上。

本实施例采用膜电化学解决h⁺迁移问题，实现处理蛇纹石和矿化封存温室气体co2的目的。方法是用阴离子交换膜将反应槽分成阳极区和阴极区，所用的阴离子交换膜允许so4²-根阴离子离子通过，而阳离子被阻隔。阴离子交换膜可采用纤维素酯类高分子材料。阳极区的电极采用气体扩散电极，是在钛网上面涂敷铂炭；阴极区的电极采用不锈钢电极。反应开始后，两极区会发生如下膜电化学反应：

阳极区：h2→2h⁺+2e

2h⁺+so4^2-→h2so4

3h2so4+mg3si2o5(oh)4→3mgso4+2sio2+5h2o

阴极区：2h2o+mg²⁺+2e→mg(oh)2+h2

2mg(oh)2+4co2→2mg(hco3)2

本实施例分别将多孔无机膜设置于阴离子交换摸的两侧，从而防止料浆冲刷阴离子交换膜而损坏阴离子交换膜，多孔无机膜的孔径为1纳米。采用气体扩散电极，在钛网上面涂敷铂炭形成阳极区的气体扩散电极。阴离子交换膜采用纤维素酯类高分子材料制成。在阴极区的阴离子能迁移到阳极区，其中阴离子为硫酸根阴离子。本实施例将阳极区浸取蛇纹石反应后的料液过滤和结晶处理得到硫酸镁，转移到阴极区，反应形成mg(oh)2；在阴极区通入的co2溶解到水中与mg(oh)2反应形成mgco3沉淀产物。本实施例利用膜电化学反应槽的特点，借助阴离子交换的专属性，允许阴离子so4^2-从阴极迁移到阳极，阻隔阳离子通过阴离子交换膜，使之在阳极区浸取蛇纹石的浸取率达到95％，阴极区获得的mgco3的纯度达到98.5％以上。本实施例膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，实现两种自然资源的同步综合利用，同时对温室气体co2进行矿化封存，实现一举两得效果。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，包括如下步骤：

按照固液质量与体积比在1:1(g/ml)的比例，将颗粒尺寸为60目的预活化后的蛇纹石投入膜电化学的阳极区中的阳极槽溶液进行反应，控制反应温度为10℃，反应时间为500min，形成含有蛇纹石的阳极槽溶液，对阳极槽溶液的搅拌速度为100rpm；

通过阳极扩散电极的h2流量控制在1sccm到1000sccm，槽电压控制为1v，电流密度控制在1a/cm²；把多孔无机膜放在阴离子交换摸的两侧，从而避免料浆冲刷阴离子交换膜而损坏阴离子交换膜；

在阴极区中加入mgso4·7h2o启动反应，反应开始后，电子在阴极表面反应形成h2，然后转移通入到阳极区，在阳极区的扩散电极表面形成质子h⁺，作为提供浸取蛇纹石的酸，同时，阴极区的so4^2-阴离子会迁移到阳极区中，与浸取蛇纹石获得的mg²⁺结合生成mgso4；反应结束后，将阳极区反应完成后的料浆进行过滤，过滤后的料液结晶得到mgso4·7h2o，然后将mgso4·7h2o投入到阴极区，而阴极区在电极反应后会形成oh^-离子，与阴极区的mg²⁺结合生成mg(oh)2；然后将阴极区反应形成mg(oh)2悬浮液转移到反应槽中，并鼓入co2，形成mgco3沉淀，再进行过滤，过滤后的液体重新转移到阴极区，过滤后收集mgco3；

按照在阴极区投放的mg盐和经过过滤后的溶液的固液质量与体积比在1:1(g/ml)的比例，将得到mg盐与经过过滤后的溶液混合形成阴极槽溶液，阴极区反应温度为100℃，反应时间为15min；

本实施例利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，一种阴离子交换摸隔开的电化学反应槽，阳极采用气体扩散电极，阴极采用不锈钢或石墨，其反应包括：a)阳极区，h2在气体扩散电极形成质子h⁺，阳极区的酸性体系用于浸取蛇纹石；b)阴极区，阴极电极反应的h2转移到阳极区，在阴极区形成碱性体系oh^-。在阳极区浸取蛇纹石的浸取率达到95％，阴极区获得的mgco3的纯度达到98.5％以上。膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的方法，实现两种自然资源的同步综合利用，同时对温室气体co2进行矿化封存，实现一举两得效果。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用膜电化学原位浸取蛇纹石同时mg²⁺封存co2的装置及方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。