一种利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法及应用

本发明涉及工业固废资源化与碳捕集，尤其涉及一种利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法及应用。

背景技术：

1、矿物碳酸化技术因能将co2转化为热力学稳定的碳酸盐矿物、实现碳的永久地质封存而被认为是最具应用前景的co2末端处置路径之一。该技术路线的核心在于利用碱性硅酸盐矿物与co2发生碳酸化反应生成稳定的碳酸盐，从而实现碳的长期固定。

2、镍铁渣中富含镁基组分，其主要赋存矿物为镁橄榄石（mg2sio4），理论上是极具潜力的低成本co2矿化原料。与天然镁质硅酸盐矿物相比，以镍铁渣等冶金固废作为碳酸化原料具有来源广泛、无需采矿、成本低廉等显著优势，能够同步实现大宗固废的资源化利用与co2的有效封存，兼具环境效益与经济效益。然而，镍铁渣中的mg2sio4矿物结构致密、化学稳定性高，其晶格中的mg-o与si-o键结合能较大，在常温常压及单纯水浸条件下难以有效解离，镁离子的溶出效率极低，导致其直接碳酸化反应转化率远不满足工业化要求。

3、针对该技术瓶颈，现有研究尝试采用高温焙烧、酸浸或机械球磨等活化预处理手段提高其反应活性，例如中国发明专利申请cn114716269a公开一种石棉尾矿或镍铁渣焙烧脱毒/活化制取枸溶性肥料的方法，通过磁选和高温焙烧结合氯化焙烧的工艺，解决了石棉尾矿和镍铁渣中重金属和硅镁元素的利用问题，实现了石棉尾矿和镍铁渣的全资源化利用，提高了产品的附加值。中国发明专利cn115650624b公开一种金属冶炼废渣衍生材料及其制备方法与应用，通过在二氧化碳水蒸气氛围中进行机械化学反应，转化金属冶炼废渣中的氧化钙、氧化镁为碳酸钙晶须，形成高强度、高韧性二维结构，解决了冶炼废渣水化活性低和体积安定性不足的问题，实现了高效的水泥替代。但上述方法普遍存在能耗高、设备腐蚀严重、工艺流程复杂或产生二次废液等问题，难以兼顾经济性与固碳效率。

4、据此，本领域亟需开发一种低能耗、高效率的镍铁渣活化-碳化一体化工艺，通过温和的化学激发手段对渣中稳定的镁橄榄石相进行晶格重构，以释放活性镁组分，进而在水热碳化条件下实现co2的高效捕集与永久矿化封存。

技术实现思路

1、针对现有技术中镍铁渣综合利用率低、大量堆存引发环境风险，以及传统co2矿化工艺能耗高、反应条件苛刻等问题，本发明提供一种利用镍铁渣高效捕集二氧化碳的方法。该方法以镍铁渣中镁橄榄石（mg2sio4）物相为固碳活性组分，通过氢氧化钠固体碱激发手段，在温和热处理条件下对镍铁渣中稳定的镁硅酸盐晶格进行选择性破坏与重构，使原本以稳定硅酸盐形式存在的镁组分转化为具有较高碳化反应活性的氧化镁（mgo）物相；随后，经活化处理后的物料在水相体系中与含co2气体接触，于常温常压条件下即可高效发生碳酸化反应，将co2转化为热力学稳定的菱镁矿（mgco3），从而实现co2的永久矿化封存。该方法实现了“镍铁渣碱激发活化-活性镁组分释放-co2常温常压矿化固定”的一体化工艺集成。

2、本发明第一方面提供了一种利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，包括以下步骤：

3、（1）将原始镍铁渣进行粉碎、研磨、过筛，得到镍铁渣粉；将所得镍铁渣粉与氢氧化钠混合、压块，在惰性气氛下进行熔融处理，得到碱激发处理样品；

4、（2）将步骤（1）所得碱激发处理样品冷却、研磨、水洗至中性、干燥，得到活性mgo；将所得活性mgo与水混合，形成浆料；

5、（3）在常压条件下，向步骤（2）所得浆料中持续通入co2气体，于恒温搅拌条件下进行碳化反应；

6、（4）碳化反应结束后进行固液分离、干燥，得到mgco3产物；

7、可选的，步骤（1）中，所述镍铁渣粉与氢氧化钠的质量比为1：（1.6~2）；

8、可选的，步骤（2）中，所述活性mgo与水的固液比1g：（5~25）ml。

9、可选的，步骤（3）中，通入co2气体流量为100~1000ml/min。

10、可选的，步骤（1）中，所述熔融处理的温度为400~600℃。

11、可选的，步骤（3）中，所述碳化反应的温度为20~80℃，碳化反应时间为1~4h。

12、可选的，步骤（3）中，以5~15℃/min的升温速率升温至碳化反应的温度。

13、可选的，步骤（3）中，所述搅拌的速度为200~800rpm。

14、可选的，步骤（4）中，所述干燥的温度为70~100℃。

15、可选的，所述方法的co2捕集效率为2%以上。

16、可选的，所述方法制得的mgco3产物的质量分数为4%以上。

17、本发明第二方面提供了一种如上所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法的应用，所述方法应用于工业固废的资源化处理或co2的矿物封存。

18、有益效果：

19、本发明提供一种利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法及应用，具有以下优点：

20、（1）本发明以工业固废镍铁渣为原料，通过温和的碱激发活化与低温碳化工艺实现二氧化碳捕集，反应条件为常压常温，能耗显著低于传统高温高压矿化路线，工艺流程简洁、操作简便，具有良好的工业化应用前景；

21、（2）本发明通过对镍铁渣中惰性镁橄榄石相的定向碱激发活化，使原本不具备碳化反应活性的结合态镁组分转化为高反应活性的多孔氧化镁，显著提升了其对co2的矿化捕集能力；

22、（3）本发明通过控制镍铁渣粉与氢氧化钠的质量比在优选范围内，既为镁橄榄石晶格的充分解构提供了充足的碱供给，确保活性mgo的高产率，又避免了碱过量所导致的物料熔融团聚及副反应问题，在活化效率与工艺经济性之间实现了良好平衡；

23、（4）本发明通过将活性mgo与水的固液比控制在优选范围内，确保了碳化反应体系兼具良好的浆体流动性与适宜的离子浓度，既保障了co2的气-液-固三相传质效率，又维持了mg2+与co32-间的有效碰撞频率，使碳化反应可在常温常压下高效完成；

24、（5）本发明同步实现了镍铁渣的高附加值资源化与二氧化碳的永久矿物封存，该方法不仅消纳了工业废渣，还将其转化为具有潜在应用价值（如建材填料、土壤改良剂等）的稳定碳酸盐矿物，真正实现了“以废治废、变废为宝”的循环经济目标。

1.一种利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，步骤（3）中，通入co2气体流量为100~1000ml/min。

3.根据权利要求1所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述熔融处理的温度为400~600℃。

4.根据权利要求1所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述碳化反应的温度为20~80℃，碳化反应时间为1~4h。

5.根据权利要求4所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，步骤（3）中，以5~15℃/min的升温速率升温至碳化反应的温度。

6.根据权利要求4所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述搅拌的速度为200~800rpm。

7.根据权利要求1所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述干燥的温度为70~100℃。

8.根据权利要求1所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法的co2捕集效率为2%以上。

9.根据权利要求1所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法制得的mgco3产物的质量分数为4%以上。

10.一种根据权利要求1~9任一项所述的利用镍铁渣捕集二氧化碳的方法的应用，其特征在于，所述方法应用于工业固废的资源化处理或co2的矿物封存。