一种低品位菱镁矿高附加值安全环保利用的方法

技术领域

本发明涉及非金属资源的安全环保利用及固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种低品位菱镁矿高附加值安全环保利用的方法。

背景技术

菱镁矿是我国优势矿种之一，主要分布在辽宁和山东地区，贮藏量可达31 亿吨，约占世界储量的四分之一。我国菱镁矿以矿床巨大、矿品优良、资源集中而闻名于世，其中，辽宁省南部的菱镁矿资源约占全国的90%。然而，菱镁矿自身工业价值不大，只有经高温热分解后分别用于制备轻烧氧化镁，重烧氧化镁或电熔镁砂等产物才可进行应用，目前主要应用于耐火材料、建材原料、化工原料等低附加值方面。虽然，我国菱镁矿储量丰富，但随着高品位菱镁开采，产生了大量的低品位菱镁矿，低品位菱镁矿含有Ca、Si、Fe等杂质，在当地大量进行堆积，不仅侵占土地而且污染环境，并且造成资源浪费。因此，实现低品位菱镁矿资源的高附加值安全环保利用已迫在眉睫。

氢氧化镁是一种重要的无机非金属材料，该材料因兼具阻燃、无毒、抑烟、环保、热稳定性好及填充安全等优点，已成为高聚物阻燃领域中极具发展前途的阻燃剂之一。石墨烯材料具有良好的透光性、强度、柔韧度、导电导热性能，为复合材料、纺织领域、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等很多领域都带来了巨大的推进与改变。

本发明以低品位菱镁矿为原料，硫酸为酸溶剂，采用电化学方法同时制备氢氧化镁、石墨烯、氢气和氧气的新工艺路线，主要的化学反应式如下所示：

酸浸：MgCO

预电解：Fe

电解：1）阳极：2H

2）阴极：2H

Mg

其中，酸浸后过滤操作是将矿石中的钙和硅进行去除；预电解过程中的三价铁离子对应的氢氧化物――氢氧化铁的Ksp最小，所以三价铁最先沉淀，利用该方法对杂质铁离子进行去除。

该方法不仅对低品位菱镁矿中的杂质进行去除，而且电解过程产生的硫酸和过滤后的电解质可循环使用，整个生产过程中无废物外排，同时获得高附加值的产品，可解决低品位菱镁矿资源的高附加值安全环保利用问题。

发明内容

一种低品位菱镁矿高附加值安全环保利用的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）配置一定浓度的硫酸溶液：用定量的去离子水将浓硫酸配置成浓度为1%~50%的溶液；

（2）酸浸菱镁矿：将配置好的硫酸加入到菱镁矿中，过滤后获得浓度为1%~40%的硫酸镁溶液；

（3）预电解除铁：将配置好的硫酸镁溶液先进行预电解，该过程可去除溶液中的铁杂质；

（4）组装直流电解装置：以石墨为阳极，惰性金属为阴极；两个电极板分别通过导线与直流电源的正负极连接；在阴阳电极板之间设有隔膜，该隔膜将电解槽分隔为阳极室和阴极室；

（5）通直流电进行电解：将预电解后的水溶液加入到电解槽中，接通直流电源，控制两极板之间的电流密度为0.1~4A/cm

（6）超声分散：将阳极获得的产品进行超声分散，超声功率为10~100kHz，分散时间为5~60min；

（7）静置分层：将超声分散后的阳极产品A和阴极产品B分别进行静置1~120min，分别通过真空抽滤获得沉淀A和沉淀B；

（8）干燥：将沉淀A通过冷冻干燥机通过程序升温从-40~120℃干燥60~360min，程序升温速率为1~10℃/min，获得石墨烯产品A；将沉淀B通过烘箱在80~120℃下恒温干燥60~360min，获得产品氢氧化镁产品B。

所述的硫酸为浓硫酸或者电解后产生的硫酸。

所述的菱镁矿为低品质菱镁矿，其中含有钙、铁、硅等杂质。

所述的预电解过程需要在槽底加搅拌过程，将溶液中的铁离子充分反应。

所述的隔膜材质选用阴离子交换膜、阳离子交换膜或聚四氟乙烯膜。

所述的电解过程中需要向电解槽中不断补充水，以保持溶液浓度平衡。

所述的阳极室中进行电化学插层制备石墨烯产品，阴极室中进行电化学沉积制备氢氧化镁产品。

所述的直流电解温度为室温电解。

所述的阳极室过滤后的稀硫酸溶液添加到酸浸步骤中进行循环利用。

所述的阴极室中过滤后的硫酸镁溶液添加到预电解后的滤液中进行循环利用。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

本发明的有益效果

本发明提出的一种低品位菱镁矿高附加值安全环保利用的方法，解决了低品位菱镁矿的安全环保利用问题。该方法可以直接使用低品位菱镁矿为原料，在同一个装置内可同时生产出高纯氢氧化镁、石墨烯、氢气和氧气。生成的产品中氢氧化镁是性能优于氢氧化镁的阻燃剂；石墨烯是良好的光、电、磁、热、力材料。该方法不仅对低品位菱镁矿中的杂质进行去除，而且电解过程产生的硫酸和过滤后的电解质可循环使用，整个生产过程中无废物外排，符合安全环保要求，同时可获得高附加值的产品。该工艺简单、装置容易加工，适合于工业化大规模生产。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐述本发明，本实施例不会对本发明构成限制。本发明中的技术方案列举的工艺参数的上下线取值、区间都能实现本发明要求的产品。

实施例1

（1）配置一定浓度的硫酸溶液：用定量的去离子水将浓硫酸配置成浓度为20%的溶液；

（2）酸浸菱镁矿：将配置好的硫酸加入到菱镁矿中，过滤后获得浓度为20%的硫酸镁溶液；

（3）预电解除铁：将配置好的硫酸镁溶液先进行预电解，该过程可去除溶液中的铁杂质；

（4）组装直流电解装置：以石墨为阳极，钛板为阴极；两个电极板分别通过导线与直流电源的正负极连接；在阴阳电极板之间设有阳离子交换隔膜，该隔膜将电解槽分隔为阳极室和阴极室；

（5）通直流电进行电解：将预电解后的水溶液加入到电解槽中，接通直流电源，控制两极板之间的电流密度为1A/cm

（6）超声分散：将阳极获得的产品进行超声分散，超声功率为100kHz，分散时间为60min；

（7）静置分层：将超声分散后的阳极产品A和阴极产品B分别进行静置60min，分别通过真空抽滤获得沉淀A和沉淀B；

（8）干燥：将沉淀A通过冷冻干燥机通过程序升温从0~120℃干燥60min，程序升温速率为10℃/min，获得石墨烯产品A；将沉淀B通过烘箱在120℃下恒温干燥60min，获得产品氢氧化镁产品B。

实施例2

（1）配置一定浓度的硫酸溶液：用定量的去离子水将浓硫酸配置成浓度为40%的溶液；

（2）酸浸菱镁矿：将配置好的硫酸加入到菱镁矿中，过滤后获得浓度为20%的硫酸镁溶液；

（3）预电解除铁：将配置好的硫酸镁溶液先进行预电解，该过程可去除溶液中的铁杂质；

（4）组装直流电解装置：以石墨为阳极，导电玻璃为阴极；两个电极板分别通过导线与直流电源的正负极连接；在阴阳电极板之间设有阴离子交换隔膜，该隔膜将电解槽分隔为阳极室和阴极室；

（5）通直流电进行电解：将预电解后的水溶液加入到电解槽中，接通直流电源，控制两极板之间的电流密度为1.5A/cm

（6）超声分散：将阳极获得的产品进行超声分散，超声功率为100kHz，分散时间为30min；

（7）静置分层：将超声分散后的阳极产品A和阴极产品B分别进行静置80min，分别通过真空抽滤获得沉淀A和沉淀B；

（8）干燥：将沉淀A通过冷冻干燥机通过程序升温从-20~100℃干燥120min，程序升温速率为5℃/min，获得石墨烯产品A；将沉淀B通过烘箱在100℃下恒温干燥200min，获得产品氢氧化镁产品B。

实施例3

（1）配置一定浓度的硫酸溶液：用定量的去离子水将浓硫酸配置成浓度为25%的溶液；

（2）酸浸菱镁矿：将配置好的硫酸加入到菱镁矿中，过滤后获得浓度为30%的硫酸镁溶液；

（3）预电解除铁：将配置好的硫酸镁溶液先进行预电解，该过程可去除溶液中的铁杂质；

（4）组装直流电解装置：以石墨为阳极，石墨为阴极；两个电极板分别通过导线与直流电源的正负极连接；在阴阳电极板之间设有阴离子交换隔膜，该隔膜将电解槽分隔为阳极室和阴极室；

（5）通直流电进行电解：将预电解后的水溶液加入到电解槽中，接通直流电源，控制两极板之间的电流密度为0.8A/cm

（6）超声分散：将阳极获得的产品进行超声分散，超声功率为100kHz，分散时间为60min；

（7）静置分层：将超声分散后的阳极产品A和阴极产品B分别进行静置60min，分别通过真空抽滤获得沉淀A和沉淀B；

（8）干燥：将沉淀A通过冷冻干燥机通过程序升温从-10~110℃干燥240min，程序升温速率为10℃/min，获得石墨烯产品A；将沉淀B通过烘箱在120℃下恒温干燥80min，获得产品氢氧化镁产品B。