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在我国的能源结构中，煤炭占据着主导地位。大量煤炭的使用及燃烧产生了大量二氧化硫等气态污染物进入大气环境中，使得我国很多地区饱受酸雨及雾霾的危害，也给我国的自然环境及人体健康带来了极大的威胁。因此，研发脱硫活性高、廉价易得、适用性好的脱硫剂及脱硫工艺技术已成为了实现二氧化硫有效治理和减排的关键所在。 菱镁矿是自然界中存在比较广泛的一种碳酸盐矿物资源，其主要成分是碳酸镁。我国是世界上菱镁矿储量最大的国家，然而我国在烟气脱硫领域的主流工艺是钙法脱硫工艺，采用镁法脱硫工艺的应用案例较少。因此，充分利用我国菱镁矿资源储量的优势，开发出廉价高效的镁法烟气脱硫剂及脱硫工艺，对于促进我国镁法脱硫工艺的推广应用具有现实的意义。 基于上述，本论文以天然菱镁矿作为研究对象，在研究其矿物学特性的基础上，对其煅烧活化过程展开了系统研究。考察了煅烧温度、保温时间、升温速率及粒度大小等参数对产物物相及活性的影响，利用田口试验理论分析了其过程参数对产物活性的影响机制。对获得的煅烧活化产物，进一步考察了其在干法状态下对二氧化硫的吸附作用，分析了其吸附特性及吸附机理;在此基础上，系统研究了煅烧活化产物在湿法条件下的脱硫活性、脱硫过程影响因素及其反应机制。针对湿法脱硫过程产生的副产料浆的资源化利用展开探索，研究了利用副产料浆制备碱式硫酸镁晶须材料的新技术途径。通过上述研究取得的主要结论如下: Ⅰ.在充分研究天然菱镁矿样品的矿物学特性的基础上，探明了菱镁矿煅烧活化过程参数对产物特性的影响及其制约机制。 (1)实验所用天然菱镁矿样品主要物相组成是碳酸镁（MgCO3），其中的钙、硅杂质分别以白云石(CaMg(CO3)2）及滑石(Mg3Si4O10(OH)2）相存在，其含量分别为:MgCO386.75％;CaMg(CO3)23.32％;Mg3Si4O10(OH)25.62％。菱镁矿的分解温度为500～750℃之间。在分解温度区间内，最大分解速率发生在665.0℃。 (2)煅烧过程参数通过影响菱镁矿中碳酸镁分解及氧化镁结晶过程，从而对活化产物特性产生影响。试验分别考察了煅烧温度、保温时间、升温速率及粒度大小参数对活化产物物相及活性的影响。①煅烧温度:煅烧温度的升高使得菱镁矿中的碳酸镁物相逐步转化成氧化镁。在650℃条件下，碳酸镁完全分解，此后煅烧温度升高使得氧化镁晶粒增大。产物水化活性随着煅烧温度的升高呈现先上升后下降的变化规律，最大水化活性出现在650℃煅烧温度条件下的煅烧产物。②保温时间:保温时间延长有利于碳酸镁的充分分解及氧化镁的结晶，在650℃条件下，保温时间为60min可以确保样品中的碳酸镁完全分解;此后，延长保温时间使得氧化镁晶粒出现缓慢增长的现象。③升温速率:20℃/min的升温速率会使得样品颗粒中碳酸镁分解不完全，而5℃/min的升温速率使碳酸镁完全分解后，氧化镁结晶较10-15℃/min条件下的要完好。④颗粒大小:颗粒大小主要影响碳酸镁的分解程度，在650℃、保温时间60min，升温速率为10℃/min的条件下，颗粒小于100目标准筛的样品中碳酸镁可以完全分解，样品的水化活性较高。 (3)利用田口试验方法对煅烧过程参数的影响机制展开探讨。由产物水化活性信噪比指标分析获知最佳的煅烧参数为:煅烧温度650℃，保温时间90min，升温速率为20℃/min，粒度小于300目。各参数因子对产物水化活性影响大小顺序为:煅烧温度＞粒度大小＞保温时间＞升温速率。其中煅烧温度的影响最为显著，其贡献率为98.14％，最小的为升温速率，其贡献率仅为0.07％。 Ⅱ.提出了以煅烧活化产物作为脱硫剂，在干法状态下对二氧化硫进行有效吸附去除的技术路径，揭示了二氧化硫吸附过程中吸附容量的影响因素及其吸附过程与机理，明确了通过煅烧活化制备二氧化硫高效吸附剂的调控机制。 (1)M-500～M-900煅烧活化产物对二氧化硫的吸附容量，由大到小的排列顺序为:M-650＞M-700＞M-600＞M-800＞M-900。其饱和吸附平衡时间约为12h。在该吸附条件下，M-650的吸附容量达到了140.7mg/g。远大于同等吸附条件下，干法脱硫常用的吸附剂氧化钙及氧化镁对二氧化硫的吸附容量。 (2)M-650吸附剂吸附二氧化硫的吸附等温线属于Ⅰ型Langmuir等温线。即在吸附二氧化硫过程中发生的是单层吸附。 (3)M-650吸附剂吸附二氧化硫后，样品XPS图谱中存在着硫元素(S:2p)的两个特征峰（169.2和167.4eV），分别对应吸附表面形成的硫酸盐和亚硫酸盐两种赋存状态。IR图谱分析结果进一步确认了这两种吸附产物的存在形式:其中的亚硫酸盐以双齿形态存在，而硫酸盐态为吸附产生的双齿型亚硫酸盐氧化产生。 (4)在天然菱镁矿煅烧活化过程中，通过调控温度等参数可以获得高活性的煅烧活化产物。这种产物的形成特点是在相对较低的煅烧温度下获得:由菱镁矿中的碳酸镁刚好完全分解，生产的氧化镁以“母盐假象”形态存在。该“母盐假象”是其表现出较高反应活性的结构本源。 Ⅲ.利用实验室鼓泡脱硫装置，揭示了煅烧活化产物作为脱硫剂在湿法烟气脱硫中的脱硫活性变化规律，探明了脱硫过程影响因素及脱硫过程与机理，相关结果在板式脱硫塔中试装置上获得了验证。 (1)以脱硫体系内镁离子浓度变化及脱硫效率作为指标，评价了菱镁矿原矿及各煅烧活化产物的脱硫活性，其活性大小顺序为:原矿＜M-500＜M-600＜M-650≈M-700≈M-800≈M-900。通过脱硫反应热力学常数的计算进一步揭示了造成煅烧活化产物脱硫剂脱硫活性差异的原因。 (2)以M-600～M-900作为脱硫剂确定了脱硫反应体系中pH与脱硫效率之间存在的关系:当体系的pH值大于6.5时，脱硫效率较高，能稳定大于98％;当pH值在6.5～4.5时，脱硫效率出现缓慢下降的趋势，下降至pH为4.5时的约90％;当pH值下降到4.5以下时，脱硫效率迅速下降。明确了脱硫过程两个主要影响因素，即二氧化硫浓度与脱硫剂浓度。降低二氧化硫浓度、提高系统内脱硫剂浓度均有利于提高脱硫体系的脱硫效率，并延长高效脱硫过程的反应时间。 (3)通过对脱硫体系中各个反应阶段条件下的残留固相的XRD、XPS分析，确定了脱硫剂中主要脱硫活性组分为氧化镁。其参与的脱硫反应主要发生在pH大于6.2的体系中，并出现了亚硫酸盐氧化成为硫酸盐的过程。在此基础上，利用气液固三相反应与基于二氧化硫在液相中的存在状态，进一步揭示了煅烧活化产物脱硫剂湿法脱硫的机理:①在体系pH值大于6.5的条件下，主要发生的是气、液、固三相反应及传质的过程。二氧化硫通过传质作用进入液相，并伴随有H+形成。固相脱硫活性组分氧化镁水化形成氢氧化镁。在液—固界面上，氧化镁水化过程中形成的OH-与液相中的H+发生中和反应。在脱硫活性组分足量的状况下使得，二氧化硫得到充分的反应而去除。②当pH值在6.5～4.5区间时，体系主要通过体系大量存在的亚硫酸氢根/亚硫酸根共轭酸碱缓冲体系来实现二氧化硫的去除;当此共轭酸碱体系被大量溶解进入液相中的二氧化硫破坏，体系的pH值进一步下降，脱硫效率迅速降低，使得体系失去脱硫的作用。 (4)在板式脱硫塔中试反应装置上进一步验证实验室的实验结果，揭示了在脱硫过程中，以菱镁矿原矿、M-500～M-600脱硫剂相较于M-650～M-900脱硫剂，体系的pH值及脱硫效率下降更为迅速的规律。实验表明，在菱镁矿经煅烧活化过程中，确保其中的碳酸镁充分分解形成氧化镁，将有利于活化产物脱硫活性的提高;这与实验室鼓泡脱硫装置中的结论一致。 Ⅳ.建立了通过水热合成碱式硫酸镁晶须新方法，实现煅烧活化产物湿法烟气脱硫产生的副产料浆中的镁资源及硫资源进行有效的资源化利用;并初步揭示了影响合成碱式硫酸镁晶须形貌的因素及其生长规律。 (1)在实验所设定的三种合成条件下（①氧化镁:镁离子=1∶1，在200℃条件下水热反应12h;②氧化镁:镁离子=2∶1，在120℃条件下水热反应24h;③氧化镁:镁离子=1∶1，在120℃条件下水热反应12h），所制备出来的样品主要物相均为碱式硫酸镁。扫描电镜观察表明，这三种合成条件下获得的晶须形态分别为:①放射束状;②大长径比聚集状;③小长径比分散状。初步确定通过改变加入体系中的氧化镁的量、控制水热反应温度及反应时间可以实现对晶须形貌的调控。 (2)通过原子力显微镜对第①种合成条件下晶须的微观尺度观察，揭示了碱式硫酸镁晶须生长的规律:即在新的生长点上沿着径向同时向两个方向生长。 (3)采用的资源化技术途径成功获得具有不同形貌特征的碱式硫酸镁晶须材料，为镁法烟气脱硫副产物的资源化利用提供了新思路。 本论文致力于从天然矿物资源利用的角度入手去解决二氧化硫污染问题。通过对菱镁矿煅烧活化过程的调控，制备出高活性的煅烧活化产物，可以在干法及湿法条件下对二氧化硫进行有效的去除，并利用湿法脱硫副产物制备出碱式硫酸镁晶须，进一步拓展了脱硫副产物资源化利用的途径。研究内容涵盖了菱镁矿矿物特性、煅烧过程参数影响机制、干法吸附脱硫特性、湿法脱硫过程及机理和脱硫副产物资源化利用等方面。研究结果可以为菱镁矿资源利用、镁法烟气脱硫技术的发展以及脱硫副产物的综合利用技术进步等方面提供较好的理论和实践的支持。