CN115094451B - 一种电解海水快速提取镁资源的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解海水快速提取镁资源的系统及方法，该系统包括：电解池；置于电解池中并将电解池从中隔开的离子交换膜组件；分别位于离子交换膜组件两侧的阳极电极和阴极电极：所述阳极电极和阴极电极分别连接外部电源；pH控制机构：其用于调节阴极电极所在区域的pH值。与现有技术相比，本发明可以实现从海水中快速提取镁资源的目标，为海洋资源化利用以及镁资源提取开辟了新途径。
Description
技术领域
本发明属于海水资源化利用技术领域，涉及一种电解海水快速提取镁资源的系统及方法。
背景技术
氢氧化镁作为一种可碳化的材料，其碳化过程不仅可以提高其强度，更可以实现碳封存，达到零碳甚至负碳的效果，可以作为一种新型胶凝材料应用于建材行业。但氢氧化镁主要是氧化镁水化而成。目前，MgO主要来源于两种原材料，一种为镁橄榄石，另一种为菱镁矿，镁橄榄石虽然分布广泛，但目前没有技术可有效将其转化为MgO。利用菱镁矿生产氧化镁则会排放相当于OPC排放量2.1倍的CO2，且生产能耗比OPC高76％。因此，通过氧化镁水化形成氢氧化镁的方式仍存在很多不足。
海水中富含大量的镁离子，通过电沉积从海中提取氢氧化镁，可解决氢氧化镁资源不足问题，且制备过程符合低碳发展理念。但目前仍没有完整的系统装备实现从海水中提取镁资源。因此，开发一种适用海水电解，且能够快速提取镁资源的系统对解决镁资源问题具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种电解海水快速提取镁资源的系统及方法，以实现从海水中快速提取镁资源的目标，为海洋资源化利用以及镁资源提取开辟了新途径。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种电解海水快速提取镁资源的系统，包括：
电解池；
置于电解池中并将电解池从隔开的离子交换膜组件；
分别位于离子交换膜组件两侧的阳极电极和阴极电极：所述阳极电极和阴极电极分别连接外部电源；
pH控制机构：其用于调节阴极电极所在区域的pH值。
进一步的，所述的离子交换膜组件包括安装在电解池侧壁上的膜连接架，以及可拆卸安装在膜连接架上的离子交换膜。
更进一步的，所选离子交换膜允许镁离子通过且可选择性阻隔其他离子。
进一步的，所述pH控制机构包括置于电解池中并用于检测阴极电极所处区域的pH值的pH传感器，以及pH缓冲液加药器。
进一步的，所述pH控制机构的pH调节范围为7～14。
进一步的，所述电解池在阴极电极区域的上方还设有H2收集槽。
进一步的，所述电解池在阳极电极区域的上方还设有Cl2收集槽。
进一步的，所述电解池在阴极电极区域的下方还设有镁沉淀池。
进一步的，所述电解池位于阳极电极区域下方的底部还连接余液回收槽。
进一步的，所述电解池靠近阳极电极的一侧设有海水导流口。
进一步的，所述阳极电极的材料为镀铂的多孔碳、高硅铸铁或钛基氧化物。
进一步的，所述阴极电极的材料为镀锌的多孔碳泡沫、石墨或低碳钢。
本发明的技术方案之二提供了一种电解海水快速提取镁资源的方法，其基于如上所述的系统，该方法包括以下步骤：
(1)构建电解池，并在电解池中安装阴极电极、阳极电极、含镁离子交换膜的离子交换膜组件以及pH控制机构；
(2)往电解池中引入待处理海水，接通电源，使得海水电离，在离子交换膜组件的镁离子交换膜作用，在阴极电极附近形成Mg2+离子富集区域；
(3)通过pH控制机构调节阴极电极区域的pH值，使得Mg2+完全沉淀形成氢氧化镁并收集。
电解过程电流大小范围为1mA-32A，最大电压为220V，可以通过控制电流大小控制镁资源提取效率，根据法拉第定律，电流越大，离子迁移速度越大，在阴极形成的氢氧化镁越多；另外，可以通过电流大小控制阴极氢氧化镁的结晶程度，电流越大，镁离子形成沉淀的速度越快，此时氢氧化镁来不及形成完整的晶体，大多以非晶形式存在。具体的，当电流在1-100mA范围时，可获得结晶度≥90的氢氧化镁；当电流在100mA-10A范围时，氢氧化镁晶体和非晶氢氧化镁共存；当电流在10-32A范围时，氢氧化镁以非晶形式存在。对于碳化体系，非晶氢氧化镁更有利于碳化。
进一步的，阴极区域最优pH范围为10-12.5，当阴极区域pH在10-12.5之间时，可以保证90％以上的镁离子以氢氧化镁形式存在。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明适用于海水资源开发，通过电沉积方法实现从海水中提取镁资源。一方面，为海水资源高附加值利用提供了另一种有效途径；另一方面，从海洋中提取镁资源可以解决氧化镁新型水泥资源不足难题，具有十分重要的经济、环保、科研意义。
(2)本发明可以控制电解所需要的电流、电压等参数。一方面，通过强电流可实现氢氧化镁的快速沉淀；另一方面，通过可控的电流可实现氢氧化镁晶型的调控。
(3)本发明采用离子交换膜组件控制迁移到阴、阳极区域的离子种类和离子数量。一方面，离子交换膜组件的过滤作用可以保证阴极区域Mg2+的富集；另一方面，通过可更换的离子交换膜可实现产物的多元化。
(4)本发明配有气体收集和余液回收系统，气体收集系统可以将电解过程产生的H2和Cl2收集再利用；余液回收系统可以将电解产生的液体引流至残留液体库，待后续进一步造盐处理。
附图说明
图1为本发明的电解海水快速提取镁资源系统的结构示意图；
图中标记说明：
1-pH控制机构；2-pH传感线；3-聚乙烯导气管；4-H2收集罐；5-电极承载板；6-外导线；7-电源端口；8-阴极电极；9-膜连接架；10-阳极电极；11-外部电源；12-玻璃导气管；13-Cl2收集罐；14-海水导流管；15-电解池；16-余液回收槽；17-耐酸管道；18-余液回收阀门；19-离子交换膜；20-镁沉淀池；21-传送带；22-氢氧化镁纯化库；23-pH传感器；24-可伸缩式连接管；25-pH缓冲液加药管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，如无特别说明，则表明所采用的原料或部件均为本领域的常规市售原料或常规部件结构。
为实现从海水中快速提取镁资源的目标，为海洋资源化利用以及镁资源提取开辟了新途径等，本发明提供了一种电解海水快速提取镁资源的系统，其结构参见图1所示，包括：
电解池15；
置于电解池15中并将电解池15从隔开的离子交换膜组件；
分别位于离子交换膜组件两侧的阳极电极10和阴极电极8：所述阳极电极10和阴极电极8分别连接外部电源11；
pH控制机构1：其用于调节阴极电极8所在区域的pH值。
在一些具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的离子交换膜组件包括安装在电解池15侧壁上的膜连接架9，以及可拆卸安装在膜连接架9上的离子交换膜19。
更进一步的，所述的离子交换膜19允许镁离子通过且可选择性阻隔其他离子，具体的，此离子交换膜可购自苏州华膜环保科技有限公司，型号为YQS-4040RO膜。
在一些具体的实施方式中，所述pH控制机构1包括置于电解池15中并用于检测阴极电极8所处区域的pH值的pH传感器23，以及pH缓冲液加药器。另外，可再参见图1，pH传感器23通过pH传感线2连接pH缓冲液加药器(内置如PLC系统等之类的控制系统)，以将所检测到的pH信号反馈至pH缓冲液加药器，再由pH缓冲液加药器控制，并通过pH缓冲液加药管25将pH缓冲液添加至电解池15中，从而控制对应区域的pH值在设定范围内。同时，pH传感器23可设置在可伸缩式连接管24上，并由其带动在电解池15中上下移动调整位置。
在一些具体的实施方式中，外部电源11中可内置用于控制输出电流或电压状态的常规电力控制系统，其电源控制模式可以有恒电流模式、变电流模式、恒电压模式、变电压模式、分段电流模式、脉冲电流模式以及智能适应模式。
在一些具体的实施方式中，所述pH控制机构1的pH调节范围为7～14。
在一些具体的实施方式中，所述电解池15在阴极电极8区域的上方还设有H2收集槽。
在一些具体的实施方式中，所述电解池15在阳极电极10区域的上方还设有Cl2收集槽。
在一些具体的实施方式中，所述电解池15在阴极电极8区域的下方还设有镁沉淀池20。同时，镁沉淀池20处的沉淀可以通过传送带21输送至外部的氢氧化镁纯化库22。
在一些具体的实施方式中，所述电解池15位于阳极电极10区域下方的底部还连接余液回收槽16。同时，余液回收槽16与电解池15之间采用耐酸管道17连接，在耐酸管道17上还可以设置余液回收阀门18。
在一些具体的实施方式中，所述电解池15靠近阳极电极10的一侧设有海水导流口。
在一些具体的实施方式中，所述阳极电极10的材料为镀铂的多孔碳、高硅铸铁或钛基氧化物等。
在一些具体的实施方式中，所述阴极电极8的材料为镀锌的多孔碳泡沫、石墨或低碳钢。
另外，本发明还提供了一种电解海水快速提取镁资源的方法，其基于如上所述的系统，该方法包括以下步骤：
(1)构建电解池15，并在电解池15中安装阴极电极8、阳极电极10、含镁离子交换膜的离子交换膜组件以及pH控制机构1；
(2)往电解池15中引入待处理海水，接通电源，使得海水电离，在离子交换膜组件的镁离子交换膜作用，在阴极电极8附近形成Mg2+离子富集区域；
(3)通过pH控制机构1调节阴极电极8区域的pH值，使得Mg2+完全沉淀形成氢氧化镁并收集。
进一步的，电解过程电流大小范围为1mA-32A，最大电压为220V，可以通过控制电流大小控制镁资源提取效率，根据法拉第定律，电流越大，离子迁移速度越大，在阴极形成的氢氧化镁越多；另外，可以通过电流大小控制阴极氢氧化镁的结晶程度，电流越大，镁离子形成沉淀的速度越快，此时氢氧化镁来不及形成完整的晶体，大多以非晶形式存在，对于碳化体系，非晶氢氧化镁更有利于碳化。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
为实现从海水中快速提取镁资源的目标，为海洋资源化利用以及镁资源提取开辟了新途径等，本实施例提供了一种电解海水快速提取镁资源的系统，其结构参见图1所示，包括：
电解池15；
置于电解池15中并将电解池15从隔开的离子交换膜组件；
分别位于离子交换膜组件两侧的阳极电极10和阴极电极8：阳极电极10和阴极电极8分别连接外部电源11；
pH控制机构1：其用于调节阴极电极8所在区域的pH值。
离子交换膜组件包括安装在电解池15侧壁上的膜连接架9，以及可拆卸安装在膜连接架9上的离子交换膜19。所述的离子交换膜19允许镁离子通过且可选择性阻隔其他离子，本实施例中，此离子交换膜购自苏州华膜环保科技有限公司，型号为YQS-4040RO膜。
pH控制机构1包括置于电解池15中并用于检测阴极电极8所处区域的pH值的pH传感器23，以及pH缓冲液加药器。另外，可再参见图1，pH传感器23通过pH传感线2连接pH缓冲液加药器(内置如PLC系统等之类的控制系统)，以将所检测到的pH信号反馈至pH缓冲液加药器，再由pH缓冲液加药器控制，并通过pH缓冲液加药管26将pH缓冲液添加至电解池15中，从而控制对应区域的pH值在设定范围内。同时，pH传感器23可设置在可伸缩式连接管24上，并由其带动在电解池15中上下移动调整位置。
外部电源11中可内置用于控制输出电流或电压状态的常规电力控制系统，其电源控制模式可以有恒电流模式、变电流模式、恒电压模式、变电压模式、分段电流模式、脉冲电流模式以及智能适应模式。阴极电极8和阳极电极10可以通过外导线6与外部电源11的电源端口7连接，同时，两块电极板可以通过电极承载板5固定在电解池15上。
pH控制机构1的pH调节范围为7～14。电解池15在阴极电极8区域的上方还设有H2收集槽4，电解池15与H2收集槽4之间采用聚乙烯导气管3连通。电解池15在阳极电极10区域的上方还设有Cl2收集槽13，Cl2收集槽13与电解池15之间则通过玻璃导气管12连通。电解池15在阴极电极8区域的下方还设有镁沉淀池20。同时，镁沉淀池20处的沉淀可以通过传送带21输送至外部的氢氧化镁纯化库22。
电解池15位于阳极电极10区域下方的底部还连接余液回收槽16。同时，余液回收槽16与电解池15之间采用耐酸管道17连接，在耐酸管道17上还可以设置余液回收阀门18。电解池15靠近阳极电极10的一侧设有海水导流口，并通过海水导流管14引入海水进行电解。阳极电极10的材料为镀铂的多孔碳、高硅铸铁或钛基氧化物等。阴极电极8的材料为镀锌的多孔碳泡沫、石墨或低碳钢。
实施例2：
采用上述沉积系统来进行下述矿物诱导沉积实验，选取渤海海域的海水溶液为电解质；外部电源11的电源控制模式选择恒电流模式，电流为2A；阳极材料为镀铂的多孔碳，购自成都润封电碳有限公司，型号为碳弧气刨型碳棒；阴极材料为低碳钢，购自山东鑫汇来钢铁销售有限公司，型号为3.5·1500·C耐磨无锈型；阴、阳极电极10以60°倾角的方式浸入海水电解质中；通过pH控制机构1控制阴极区域的pH为11.4且基本保持不变；沉积时间为24h。所得氢氧化镁的质量为1kg，生成速率为1kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为88％。
实施例3：
采用上述沉积系统来进行下述矿物诱导沉积实验，选取海水制盐后的残余海水为电解质；外部电源11的电源控制模式选择恒电压模式，电压为20V；阳极材料为高硅铸铁，购自焦作市虹泰防腐材料有限公司，型号为219·6000；阴极材料为镀锌的多孔碳泡沫，购自昆山广嘉源新材料有限公司，型号为GJY-CAR001；阴、阳极电极10以垂直的方式浸入海水电解质中；通过pH控制机构1控制阴极区域的pH为11.9且基本保持不变；沉积时间为48h。所得氢氧化镁的质量为0.85kg，生成速率为0.425kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为92％。
实施例4：
采用上述沉积系统来进行下述矿物诱导沉积实验，选取实验室模拟的海水为电解质；外部电源11的电源控制模式选择恒电流模式，电流为30A；阳极材料为高硅铸铁，购自焦作市虹泰防腐材料有限公司，型号为219·6000；阴极材料为镀锌的多孔碳泡沫，购自昆山广嘉源新材料有限公司，型号为GJY-CAR001；阴、阳极电极10以垂直的方式浸入海水电解质中；通过pH控制系统控制阴极区域的pH为12.4且基本保持不变；沉积时间为48h。所得氢氧化镁的质量为2.86kg，生成速率为1.43kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为98％。
对比例1：
与实施例3相比，绝大部分都相同，除了将阴阳极板改为以60°倾斜角度浸入海水电解质中。所得氢氧化镁的质量为0.75kg，生成速率为0.412kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为80％。
对比例2：
与实施例4相比，绝大部分都相同，除了将阴极区域的pH控制为10且基本保持不变。所得氢氧化镁的质量为0.71kg，生成速率为0.28kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为80％。
对比例3：
与实施例3相比，绝大部分都相同，除了所用电解池中省去了离子交换膜的布置。所得氢氧化镁的质量为0.78kg，生成速率为0.385kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为70％。
对比例4：
与实施例4相比，绝大部分都相同，除了控制电流大小为10A。所得氢氧化镁的质量为1.76kg，生成速率为1.11kg/(d·m2)，氢氧化镁纯度为96％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电解海水快速提取镁资源的方法，其基于电解海水快速提取镁资源的系统，其特征在于，包括：
电解池；
置于电解池中并将电解池从中隔开的离子交换膜组件；
分别位于离子交换膜组件两侧的阳极电极和阴极电极：所述阳极电极和阴极电极分别连接外部电源；
pH控制机构：其用于调节阴极电极所在区域的pH值；
所述的离子交换膜组件包括安装在电解池侧壁上的膜连接架，以及可拆卸安装在膜连接架上的离子交换膜；所述的离子交换膜允许镁离子通过并可选择性的阻隔其他离子；
所述方法包括以下步骤：
(1)构建电解池，并在电解池中安装阴极电极、阳极电极、含镁离子交换膜的离子交换膜组件以及pH控制机构；
(2)往电解池中引入待处理海水，接通电源，使得海水电离，在离子交换膜组件的作用下，在阴极电极附近形成Mg2+离子富集区域；
(3)通过pH控制机构调节阴极电极区域的pH值至12.4～12.5，使得Mg2+完全沉淀形成氢氧化镁并收集；
所述电解池靠近阳极电极的一侧设有海水导流口；
电解过程中的电流大小为10～32A。
2.根据权利要求1所述的一种电解海水快速提取镁资源的方法，其特征在于，所述pH控制机构包括置于电解池中并用于检测阴极电极所处区域的pH值的pH传感器，以及pH缓冲液加药器。
3.根据权利要求1所述的一种电解海水快速提取镁资源的方法，其特征在于，所述pH控制机构的pH调节范围为7～14。
4.根据权利要求1所述的一种电解海水快速提取镁资源的方法，其特征在于，所述电解池在阴极电极区域的上方还设有H2收集槽；
所述电解池在阳极电极区域的上方还设有Cl2收集槽。
5.根据权利要求1所述的一种电解海水快速提取镁资源的方法，其特征在于，所述电解池在阴极电极区域的下方还设有镁沉淀池；
所述电解池位于阳极电极区域下方的底部还连接余液回收槽。
6.根据权利要求1所述的一种电解海水快速提取镁资源的方法，其特征在于，所述阳极电极的材料为镀铂的多孔碳、高硅铸铁或钛基氧化物；
所述阴极电极的材料为镀锌的多孔碳泡沫、石墨或低碳钢。
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