一种促进水体中镁离子在较低pH值下生成沉淀的技术

摘要

本发明属于化学、环境保护、新材料、水处理技术领域。镁离子是水体硬度的主要成分之一，镁离子含量高会影响水质，容易结垢。传统的软化沉淀法去除水体镁离子需要加入大量的碱，使水体pH达到11左右，操作复杂、成本高、腐蚀性强。本发明利用铝及铝水解中间产物的特殊形态(Al-Keggin)，在pH10左右，促使镁离子水解，与铝形成羟基镁铝复合沉淀物。这种镁铝复合沉淀物，比表面积大、带正电性，具有很好的水质净化应用潜力。该发明不仅为去除水体中的镁离子提出新技术，而且能被应用到环境保护中，利用天然水体中的镁离子去除水体中的污染物，净化水质。

说明书

技术领域：化学、环境保护、新材料、水处理

背景技术：镁是在自然界中分布最广的十个元素之一，广泛存在于菱镁矿(碳酸镁)MgCO3、白云石(碳酸镁钙)CaMg(CO3)2、光卤石(水合氯化镁钾)KCl·MgCl2·H2O中和海水中。镁元素是活泼的碱金属，通过风化等化学过程，进入各类水体并广泛存在。如黄河水中镁离子含量高达30mg/L，华北平原潜层地下水中镁离子含量高达100mg/L以上，海水中镁离子浓度高达数克。镁离子是水体硬度的主要成分之一，高镁离子含量会影响水质，加热时会结垢，影响水的利用，因此，镁离子是水质净化的重要目标物质之一。目前，去除水体中的镁离子的方法主要有两种，一种是通过离子交换法，就是通过阳离子交换树脂吸附水体中的镁离子，从而去除水体中的镁离子；另一种方法是软化沉淀法，因为镁元素是活性很强的碱土金属，向水体中加入一定量的碱使水体的pH升高，镁离子水解生成Mg(OH)₂沉淀。但在常规镁离子浓度条件下，要形成大量Mg(OH)₂沉淀，需要加入大量的碱，使水体pH达到11左右。待镁离子生成沉淀后，必须再向水体中加入酸或者二氧化碳，使水体的pH回到中性。该技术操作复杂、成本高。

发明内容：本发明利用铝及铝水解中间产物的特殊形态(Al-Keggin)，在pH10左右，促使镁离子水解，与铝形成羟基镁铝复合沉淀物。

Al-Keggin是具有正四面体结构、带正电的铝水解中间产物。最早由Johansson对碱式氯化铝的硫酸盐晶体和硒酸盐晶体进X-衍射研究后提出，Rausch和Bale通过小角度X射线衍射SAXR分析，发现将OH/Al(B值)为1.5～2.25的水解铝溶液在70℃加热1h后的聚合物旋转半径为4.3埃，其构成为Al₁₃O₄(OH)₂₄(H₂O)₁₂⁷⁺，进一步证实了该结构。随后Akitt等人应用核磁共振NMR对强制水解溶液中Al(III)进行了大量的研究，也发现了这种具有高度对称性的形态。因为Al-Keggin带有较强的正电性、结构稳定，被广泛应用到水处理中作为水质净化材料。目前普遍采用向氯化铝溶液中加适量的碱的强制水解的办法，制备高Al-Keggin含量的絮凝剂，如聚合氯化铝(polyaluminum chloride，PACl)等，也有通过化学沉淀法和电化学法制备高纯度的Al-Keggin。Al-Keggin是常用絮凝剂聚合氯化铝(polyaluminumchloride，PACl)的主要成分之一。

本发明发现，Al-Keggin与Mg(OH)₂晶体具有类似的结构，而且都带正电性，能促使水体中溶解态的镁离子在相对较低的pH下(pH10)生成沉淀，降低了常规化学软化法去除镁离子生成沉淀所需要的pH；同时，提高镁离子生成沉淀的数量。即向含有镁离子的水体或溶液中加入适量的碱和Al离子或Al-Keggin，在较低的pH下镁离子就能生成沉淀物。这种镁铝复合沉淀物，比表面积大、带正电性，具有很好的水质净化应用潜力。该发明不仅为去除水体中的镁离子提出新技术，而且能被应用到环境保护中，利用天然水体中的镁离子去除水体中的污染物，净化水质。

具体实施方式：

1.制备含Al-Keggin的铝溶液：根据具体情况，配制含一定浓度的Al-Keggin铝溶液(铝离子浓度在0.001mol/L-4mol/L范围内)。具体方法有四种：一、将市售含有Al-Keggin结构的液态聚合氯化铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合铝硅等稀释到要求的浓度条件；二、将市售含有Al-Keggin结构的固态聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合铝硅等稀释到要求的浓度条件；三、向一定浓度的AlCl₃或Al₂(SO₄)₃溶液中缓慢加碱，使OH/Al在1.0-2.75之间，制备含Al-Keggin的铝溶液；四、在电化学装置中加入一定浓度的AlCl₃溶液，通电电解一定时间，制备Al-Keggin溶液；五、直接使用AlCl₃或Al₂(SO₄)₃溶液，利用铝离子水解生成Al-Keggin。

2.制备含镁离子的溶液：根据具体情况，配制含一定浓度的Mg²⁺的溶液(镁离子浓度在0.1mg/L以上)。具体方法有两种：一、向不含有Mg²⁺(或Mg²⁺含量不够)的溶液中加入一定量的镁离子；二、含有一定量Mg²⁺的天然水体或溶液。

3.制备碱或碱溶液：根据具体情况，配制含一定浓度的碱溶液，如NaOH溶液；NaOH、CaO粉末等。

4.向含有镁离子的溶液中加入适量的碱和含有Al-Keggin的铝溶液(使溶液的pH在10.0以上，控制Mg/Al比值，最佳值为2及以上)，快速搅拌2-10分钟，静止沉淀，溶液中沉淀物即为镁铝复合沉淀物，上清液中镁离子浓度将显著降低。