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项目名称 技术分类 单位信息 第一发明人 专利情况 项目简介 发明创新点 产业化及市场应用

项目名称:一种溶速可控的氢氧化镁浆料水化合成方法

  • 大连海事大学
  • 辽宁省大连市凌海路1号
  • 116026
  • 何舒
  • 18941199985

第一发明人

姓名 唐晓佳 电话 电子邮件 xiaojiatang@dlmu.edu.cn
区号 邮编 通信地址 辽宁省大连市大连海事大学环工楼301-5

其他发明人

朱益民 杜钟原 刘 淼 柏苏北 唐 乾

专利情况

专利类型 专利状态
申请号 授权日期 授权专利号
201910063938.0 2021-09-21 CN109574049B
参展目的

项目简介

氢氧化镁(Mg(OH)2)被称为“第三种碱”,是绿色安全的环境处理剂,在酸性废气和废水治理等领域显示出良好的应用前景。在日韩、北美和欧洲等地区,约80%的氢氧化镁用于烟气脱硫。相对于钙法烟气脱硫,镁法具有效率高、不结垢的优点,尤其适用于船舶废气脱硫处理。但相关研究指出,因Mg(OH)2难溶于水(18℃时,Ksp=1.2×10-11),液相中OH-浓度有限,反应发生时OH-被迅速消耗,又因Mg(OH)2溶解缓慢(22℃,pH=8.6时,kr=0.002min-1),OH-得不到及时补充,整个体系受控于Mg(OH)2溶解反应。如何加快Mg2+和OH-的溶出速率,成为提升镁法脱硫反应体系效率亟需解决的科学问题。 本发明专利以我国储量丰富的菱镁矿为氧化镁前驱体,通过煅烧制备获得轻烧氧化镁粉,进一步直接以未经冷却的炽热轻烧氧化镁粉为原料激冷水化合成氢氧化镁,高效利用轻烧氧化镁的大量物理潜热。激冷水化过程中,炽热氧化镁粉体内部的高温和表面急速下降的温度之间形成了巨大温差,使颗粒破裂。炽热粉体与水接触瞬间,发生水体气化,局部发生气-液-固三相水化反应,多重作用综合改变晶体结构,并形成表面缺陷,从而使得活性提高。进一步,将激冷水化与水化剂添加相结合,利用水化剂离子的诱导转晶作用,合成特殊形貌并具有高“内在”溶解活性的氢氧化镁。经恒pH溶解活性滴定测试,无需改变外部溶解环境条件,实现溶解反应速率常数提升一倍,分子水平实现氢氧化镁溶解活性提高,在实际脱硫应用中,脱硫系统的运行镁硫比为1:1,意味着脱硫剂完全反应,达到脱硫剂高效利用的目标,为其在环保领域的广泛应用提供一条全新的技术路径。 本发明作为镁基法船舶废气脱硫系统的关键技术,已获辽宁省专利奖一等奖、中国专利奖、中国航海学会科学技术奖一等奖、辽宁省高校科技成果转化大赛一等奖各1项,部级鉴定和专家评价认为达到国际先进水平,带动我国“镁都”营口地区多家镁质矿物加工企业开发出高活性脱硫剂产品,取得显著的经济效益。

发明创新点

针对镁法烟气脱硫,尤其是镁基法船舶废气脱硫系统中脱硫剂Mg(OH)2溶解速率低,导致脱硫效率下降、脱硫剂利用率降低的关键难题,本发明首次提出并形成了溶速可控的氢氧化镁浆料水化合成方法。主要发明创新点如下: 创新点1:炽热轻烧氧化镁粉激冷水化工艺。在传统的氧化镁水化合成Mg(OH)2工艺过程中,通常是将菱镁矿在600~900℃的高温下煅烧制得的轻烧氧化镁粉自然冷却后,在与水发生水化反应来制备Mg(OH)2,这无疑造成大量物理潜热的浪费。面对如此庞大的能源消耗量,洁净高效地利用能源就显得特别重要。为了充分利用炽热轻烧粉的物理潜热,激发其潜在活性,本发明直接将炽热氧化镁粉投加到水中,发生激冷水合反应。该方法可以阻止轻烧氧化镁粉自然冷却过程中非晶态物质发生相变,对处于无序状态的高温粉体进行急速冷却,获得与火山灰相似的性质。在此过程中,炽热氧化镁粉体内部的高温和表面急速下降的温度之间形成了较大温差,易使颗粒破裂。炽热粉体与水接触瞬间水体气化,局部发生气-液-固三相水化反应,多重作用综合改变晶体结构,并形成表面缺陷等,从而使得活性提高。 创新点2:水化剂诱导形貌调控促溶。Mg(OH)2是难溶物质,溶解速率极低,限制了反应活性,造成大量脱硫剂随脱硫废液排出,导致浪费。鉴于晶体形貌与其活性间的强关联关系,本发明设想以水化剂调控Mg(OH)2的形貌继而控制其溶解活性。传统的氧化镁水化工艺中也采用水化剂,但其目的仅仅是为了提高氧化镁的转化率,未涉及到Mg(OH)2的溶解活性,面对不同的技术问题,需要构建全新的水化剂体系。本发明以水化剂诱导氧化镁水化,合成了多形貌Mg(OH)2,关联研究其溶解性能,厘清了Mg(OH)2微观结构与溶解活性间的构效关系。进一步,以密度泛函理论计算为指导,筛选构建对Mg(OH)2溶解速率影响显著的水化剂体系,实现Mg(OH)2溶解活性可控。 创新点3:炽热氧化镁激冷与水化剂诱导协同作用。水化剂可以影响Mg(OH)2形貌并进一步改变其溶解活性的主要原因在于,在Mg(OH)2的结晶过程中,水化剂离子在Mg(OH)2不同晶面存在选择性吸附的现象,而这种吸附能的差异与外部的反应条件,如温度,压力等均有极大相关性。本发明采用炽热氧化镁激冷水合与水化剂添加相组合的方式来制备Mg(OH)2,显著提高二者单独使用时对Mg(OH)2溶解活性的调控能力,产生显著的协同效果。

产业化及市场应用效益情况

在全球范围内,中国是菱镁矿储量大国和镁质材料产品生产大国。轻烧氧化镁是菱镁矿的重要加工产品,主要用于烟气脱硫处理。日韩、北美和欧洲等地区大部分烟气脱硫工艺以镁法为主,其脱硫剂主要采购自我国辽宁和山东地区,初步了解市场每年用于脱硫剂生产的氧化镁粉体约200万吨,若将其转化为高活性的氢氧化镁,约合290万吨。此外,发明人所在团队开发形成了国际先进的镁基-海水法船舶废气脱硫系统,通过全球六大船级社认证,已成功转化实施,获国内外知名船东订单。多年实船运行证实,镁基法系统因具有脱硫效率高、废渣产量少、运行成本低、人员和环境友好,正成为船舶脱硫行业的主流技术,国内外主要船配企业纷纷开始跟风模仿,推出自己的镁基法船舶废气脱硫系统,由此催生出巨大的船用氢氧化镁浆料供给市场。 本发明部分技术已在中国“镁都”营口地区的多家公司开展应用,帮助公司丰富产品结构,提升产品质量,显著增加其产品竞争力,取得了显著的经济效益,近3年新增销售额12亿元。

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