编号：FTJS108150
篇名： 硅热法镁渣资源分离及电转化制备碳酸钙过程研究
作者： 张人匀
关键词： 镁渣回收; 湿法冶金; CaCl2膜电解; CO2捕集; DFT计算;
机构：辽宁科技大学
摘要： 镁渣是皮江法炼镁过程中产生的固体废物,近年来随着全球镁资源开采需求的不断增加,镁冶炼过程产生了大量的镁渣导致其严重的污染了地球生态环境。目前需要迫切开发利用大量的镁渣,然而工业上处理镁渣大多数通过大量堆存和填埋,该方法不仅无法有效地利用镁渣中含有价值的金属元素,并且在填埋过程中对土地造成了严重的危害。针对这一问题,本文研究了一种基于盐酸浸出-溶液净化-膜电解协同碳化的新工艺,实现了多金属元素梯级分离与钙元素定向转化的协同回收。为镁渣资源化提供了全组分利用的路线,对冶金固废增值转化与碳中和目标实现具有参考价值。 本文中结合了密度泛函理论和浸出实验,从微观角度提供了浸出过程的反应机理,其中涵盖晶体能带计算、电荷密度差、液固反应模型、态密度等,研究了HCl诱导镁渣中硅酸盐晶体差异相变的机理。在镁渣的浸出实验中,以不同的搅拌速度、温度、液固比、时间、盐酸浓度等5个变量进行基础实验,研究结果表明:最佳浸出工艺参数为,反应温度333 K、搅拌转速500 rad/min、反应液固比7:1、反应时间60 min、盐酸浓度2 mol/L。在最佳浸出条件下Ca、Mg、Fe、Al各金属元素的浸出率分别达到了99.3%、96.5%、68.7%、92.1%。后续对Ca元素的浸出过程利用收缩核模型进行分析,发现其动力学方程由液膜扩散和界面化学反应控制。 密度泛函理论研究表明:镁渣中主要存在四种晶体而γ-Ca2Si O4相最为丰富。探究了γ-Ca2Si O4分子轨道的组成结构,其中Ca原子的P态轨道与O原子的S态轨道在-21.34至-16.73e V的范围内发生轨道的杂化与键合,形成了Ca-O键。明确了H+离子在镁渣中的晶体表面形成硅羟基团,导致晶体结构更加疏松,随后进行化学键的断裂形成CaCl2。在净化的实验中,通过p H梯度沉淀（8.6除Fe/Al,11.37除Mg）获得高纯CaCl2电解液。对不同的电流密度、温度、电解液浓度、时间四个因素对电转化过程进行了分析,当时间60min、电流密度0.05 cm2/A、电解温度333 K及电解液浓度200 g/L时,能耗达到了2.94 k Wh/kg,平均电流效率为87%。同时构建了阳离子膜电解-碳化耦合流程,成功制备出纯度99.9%、粒径6μm的方解石型Ca CO3,在食品和医疗行业具有较高的利用价值。