浓海水吸收CO<sub>2</sub>分步沉淀钙镁离子

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0130

摘要/Abstract

摘要：

浓海水吸收CO₂沉淀钙镁离子的过程中，使用MgO调控溶液的pH在6.5~7.2，沉淀浓海水中的钙离子，钙离子沉淀平衡后，使用NaOH作为第二步沉淀的pH调节剂，沉淀溶液中的镁离子，从而得到两种纯度较高的碳酸盐沉淀。通过单因素实验对第一步反应中MgO添加量、气体流量、温度和第二步反应中气体流量、温度、pH等对沉淀的影响进行研究，初步确定了适宜的实验条件，之后分别对第一步和第二步反应条件进行响应面优化，得到第一步沉淀的最佳实验条件为MgO添加量7.43 g/L、温度42 ℃、通气时间为23 min；第二步沉淀的最佳条件为温度45 ℃、pH 9.0、通气时间25 min。在响应曲面优化得出的最佳实验条件下，模拟浓海水反应后钙镁离子浓度与预测结果基本一致，实际浓海水反应后钙镁离子去除率略有下降，但钙离子、镁离子去除率仍分别高达90.2%、85.6%，且对沉淀物的XRD分析结果表明沉淀得到的钙盐和镁盐纯度较高。研究结果为利用浓海水减排CO₂并回收资源提供了一种新方法。

关键词: 浓海水, 固碳, 碳酸盐, 分步沉淀, 软化

Abstract:

During the precipitation of calcium and magnesium ions by absorbing CO₂ in concentrated seawater, MgO was used to regulate the pH of the solution at 6.5-7.2 to precipitate calcium ions from concentrated seawater. After the equilibrium of calcium ion precipitation was reached, NaOH was used as the pH regulator for precipitating magnesium ions in the solution, so as to obtain two pure carbonate precipitates. The effects of MgO addition, gas flow, temperature in the first step, and gas flow, temperature, and pH in the second step on precipitation were studied through single factor experiments, and the suitable experimental conditions were initially determined. Then, the first and second step reaction conditions were optimized using response surface methodology. The optimal experimental conditions for the first step precipitation were determined to be MgO dosage of 7.43 g/L, temperature of 42 ℃, and gas flow time of 23 min. The optimal conditions for the second step precipitation were determined to be temperature of 45 ℃, pH of 9.0, and gas flow time of 25 min. The predicted calcium and magnesium ion concentrations after the concentrated seawater reaction were basically consistent with the simulated results under the optimal experimental conditions obtained by response surface methodology. The actual calcium and magnesium ion removal rates were slightly lower than the simulated results, but the calcium ion and magnesium ion removal rates were still 90.2% and 85.6%, respectively. XRD analysis of the precipitated sediment showed that the purity of the calcium salt and magnesium salt was high. The results provided a new method for utilizing concentrated seawater to reduce CO₂ emissions and recover resources.

Key words: concentrated seawater, carbon sequestration, carbonate, stepwise sedimentation, soften

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I3/73

图/表 19

图1 实验装置

Fig.1 Experimental device

表1 模拟浓海水成分

Table 1 Composition of artificial concentrated seawater

离子	浓度/（mol·L^-1）
Na⁺	1.066
Mg²⁺	0.107
Ca²⁺	0.024
Cl^-	1.347
K⁺	0.023
HCO₃ ^-	0.002

图2 不同MgO添加量下Ca²⁺质量浓度随时间的变化

Fig.2 Changes of Ca²⁺ mass concentration with time under different MgO additions

图3 不同MgO添加量下沉淀物的XRD

Fig.3 XRD of precipitate components under different MgO additions

图4 不同气体流量对Ca²⁺去除率的影响

Fig.4 Effect of different gas flow on Ca²⁺ removal rate

图5 不同温度下Ca²⁺质量浓度随时间的变化

Fig.5 Changes of Ca²⁺ mass concentration with time at different temperatures

图6 不同温度下沉淀物的XRD

Fig.6 XRD of precipitate components at different temperatures

图7 不同气体流量对Mg²⁺去除率的影响

Fig.7 Effect of different gas flow on Mg²⁺ removal rate

图8 不同温度下Mg²⁺质量浓度随时间的变化

Fig.8 Changes of Mg²⁺ mass concentration with time at different temperatures

图9 不同温度下沉淀物XRD

Fig.9 XRD of precipitate components at different temperatures

图10 不同溶液pH对Mg²⁺去除率的影响

Fig.10 Effects of different pH on Mg²⁺ removal rate

表2 沉淀实验结果

Table 2 Sedimentation experiment results

实验组	影响因素			Ca²⁺/（mg·L^-1）
实验组	A：温度/℃	B：MgO添加量/（g·L^-1）	C：通气时间/min	Ca²⁺/（mg·L^-1）
1	40	6.72	20	102.67
2	35	5.76	20	120.49
3	45	7.68	20	98.79
4	35	6.72	15	141.12
5	35	6.72	25	106.56
6	40	6.72	20	100.01
7	40	6.72	20	103.49
8	40	6.72	20	105.13
9	40	7.68	15	125.00
10	45	5.76	20	100.59
11	35	7.68	20	110.93
12	40	7.68	25	106.19
13	45	6.72	15	120.00
14	45	6.72	25	98.31
15	40	5.76	15	130.00
16	40	6.72	20	99.65
17	40	5.76	25	105.46

表3 钙离子沉淀模型方差分析

Table 3 Variance analysis of calcium ion sedimentation model

项目	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	2 478.06	9	275.34	38.75	<0.000 1
A（温度）	471.40	1	471.40	66.34	<0.000 1
B（MgO添加量）	30.54	1	30.54	4.30	0.076 9
C（通气时间）	1 240.02	1	1 240.02	174.50	<0.000 1
AB	15.05	1	15.05	2.12	0.188 9
AC	41.41	1	41.41	5.83	0.046 5
BC	8.21	1	8.21	1.16	0.318 1
A ²	30.07	1	30.07	4.23	0.078 7
B ²	33.90	1	33.90	4.77	0.065 2
C ²	569.99	1	569.99	80.21	<0.000 1
残差	49.74	7	7.11
失拟项	27.98	3	9.33	1.71	0.301 4
纯误差	21.77	4	5.44

图11 各因素之间交互作用的响应面和等高线

Fig.11 Response surface and contour map of the interaction between various factors图11（a）中，曲面平整，等高线呈圆形，表明MgO添加量与温度交互作用对钙离子沉淀的影响不显著。图11（b）中，曲面呈凹形，等高线呈椭圆，沿温度轴的等高线密集，表明通气时间与温度的交互作用对钙离子沉淀有一定影响^〔22〕，并且通气时间对沉淀的影响更显著。图11（c）中，沿通气时间方向的等高线相比于沿MgO添加量方向的等高线更加密集，表明通气时间对沉淀的影响大于MgO的添加量，MgO添加量与通气时间之间存在交互作用，但并不显著。

表4 镁离子沉淀实验结果

Table 4 Experiment results of magnesium ion sedimentation

实验组	影响因素			Mg²⁺/（mg·L^-1）
实验组	A：温度/℃	B：pH	C：通气时间/min	Mg²⁺/（mg·L^-1）
1	45	8.0	20	621.66
2	45	8.5	15	467.75
3	35	9.0	20	450.91
4	40	8.5	20	520.29
5	35	8.5	25	516.99
6	45	8.5	25	399.28
7	40	9.0	25	371.57
8	40	8.0	25	564.71
9	40	8.0	15	690.91
10	40	8.5	20	519.99
11	40	8.5	20	487.75
12	40	8.5	20	492.37
13	40	8.5	20	506.61
14	35	8.5	15	580.09
15	40	9.0	15	405.25
16	45	9.0	20	369.25
17	35	8.0	20	750.00

表5 镁离子沉淀模型方差分析

Table 5 Variance analysis of magnesium ion sedimentation model

项目	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	181 072.39	9	20 119.16	54.83	<0.000 1
A（温度）	21 017.63	1	21 017.63	57.27	0.000 1
B（pH）	140 529.51	1	140 529.51	382.95	<0.000 1
C（通气时间）	10 617.89	1	10 617.89	28.93	0.001
AB	1 469.96	1	1 469.96	4.01	0.085 4
AC	7.21	1	7.21	0.02	0.892 5
BC	2 139.99	1	2 139.99	5.83	0.046 4
A ²	363.01	1	363.01	0.99	0.353 1
B ²	2 927.40	1	2 927.40	7.98	0.025 6
C ²	2 238.96	1	2 238.96	6.10	<0.000 1
残差	2 568.74	7	366.96
失拟项	1 731.72	3	577.24	2.76	0.175 9
纯误差	837.02	4	209.25

图12 各因素交互作用的响应面和等高线

Fig.12 Response surface and contour map of the interaction between various factors

图13 不同溶液中钙/镁离子质量浓度随时间的变化

Fig.13 Changes of calcium and magnesium ion mass concentration in different solutions with time

图14 沉淀物成分XRD

Fig.14 XRD of sediment composition

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