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粉煤灰沸石的合成

发布时间:2019-08-27     浏览次数:8636

粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废弃物,它是一定细度的煤粉在燃煤炉中燃烧(1100~1500℃)后,由除尘器收集到的粉状物。粉煤灰利用率较低,大部分以填埋、堆存的方式处理。加以利用的粉煤灰主要用于建筑行业(粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土)、土壤改良和化工原料等。粉煤灰的主要化学成分是SiO2和Al2O3,此外还含有少量的Fe2O3,CaO,MgO和未燃尽炭。其具体组成与煤的产地、燃烧温度等因素有关。粉煤灰的化学组成和性质与火山灰相似,火山灰是形成天然沸石的前驱体。利用粉煤灰合成沸石是资源有效利用的途径之一,近年来受到了人们的广泛关注。


沸石的合成方法

1.1一步水热合成法

一步水热合成法是粉煤灰合成沸石的经典方法之一。其操作要点为:将一定量的粉煤灰加入到一定浓度的碱溶液(一般为NaOH溶液)中,经搅拌均匀形成凝胶后,移入反应器(水热晶化釜、高压釜、敞口容器),在一定温度下老化、晶化一定时间,经洗涤干燥后即得沸石产品。该法可将粉煤灰中的大部分硅、铝物种转化为沸石。采用同种粉煤灰时,碱溶液浓度、液固比、老化及晶化温度、反应时间等是影响沸石纯度、沸石晶型的主要因素。对水热合成法的反应机理进行了研究,认为粉煤灰合成沸石由以下3步组成:

1)粉煤灰中Si4+和Al3+的溶解;

2)碱液中硅铝浓缩并形成硅铝凝胶;

3)硅铝凝胶在一定条件下晶化形成沸石。用一步水热合成法,通过改变液固比和反应时间等条件合成出了多种类型的沸石,得到了沸石质量分数为40%~75%的反应产物。他们还进行了中试研究,在8h内制得了2.7t含NaPl质量分数40%的粉煤灰沸石。开展了粉煤灰预处理对沸石合成效果的影响研究。研究表明对粉煤灰进行机械研磨、磁选、筛分可提高粉煤灰的比表面积;高温焙烧和酸化处理可有效去除粉煤灰中的有机杂质、铁和碱金属氧化物,从而间接增加了粉煤灰的硅铝比,这些预处理方法可有效地提高粉煤灰的活性。一步水热合成法具有操作简单,生产成本较低的优点。但通过该法合成的沸石杂质较多,水处理土壤改良是这类沸石的主要应用领域。

1.2两步水热合成法

两步水热合成工艺如下:首先将粉煤灰与一定浓度的NaOH溶液按一定比例混合,让粉煤灰中的玻璃相充分溶解,在一定温度下反应一段时间后,将反应混合物过滤得到滤液1和滤渣1。向滤液1中添加铝酸盐使溶液中的硅铝比达到所需要的值,将调整好硅铝比的混合液在一定温度下反应一定时间,经过滤得滤液2和滤渣2,将滤渣2进行洗涤、干燥即可得到高纯度沸石。再将滤液2和滤渣1混合,在一定温度下反应一定时间可获得另一部分沸石产品,这部分沸石的纯度与通过一步合成法制得的产品纯度相当。用两步合成法得到了纯度高达95%的A型、X型和P型沸石。这种方法的主要优点是利用了传统一步法废液中的硅和铝物种,获得了高纯度沸石,但高纯度沸石产物的量较少。

1.3碱熔融水热合成法

在传统水热合成法中,粉煤灰中的石英、莫来石等晶体很难溶解于碱溶液中。为了提高沸石的纯度,在水热合成前加入碱熔融步骤,该法首先将一定比例的碱与粉煤灰混合均匀,经高温焙烧一定时间后,将焙烧产物研磨后加入一定量的水,在适当的温度下晶化一定时间,即可合成纯度较高、粒径小且均匀的沸石产物。高温熔融可破坏粉煤灰中的石英和莫来石结构,释放出无定形SiO2和Al2O3,形成均匀、可溶性较好的硅、铝酸盐,从而利于沸石前驱体凝胶的形成。该法的主要优点是可将粉煤灰中的石英、莫来石等晶体转化成沸石,通过该法可得到沸石含量高的产物。

1.4微波辅助合成法

利用水热合成法从粉煤灰合成沸石,合成温度一般为80~200℃,合成时间一般为24~48h。利用微波加热从粉煤灰合成沸石,微波的应用使合成时间大为缩短,10~30min即可合成沸石。的研究结果也证明了这一点,他们利用微波合成Y型沸石只需10min,合成ZSM-5沸石仅需30min,而常规法需10~50h。研究表明微波辅助能加快粉煤灰合成沸石的原因在于:微波对于活性水分子和玻璃相的高强振动加速了粉煤灰中硅铝组分的溶解,这在合成反应初期是有利的。微波加热可以提高反应速度、缩短反应时间、降低生产成本,但也存在优质沸石转化率不高的缺点。

1.5添加晶种法

添加晶种法的第一步是合成所需的沸石晶种,然后将粉煤灰、碱、晶种按一定比例混合,在一定温度下晶化一定时间即可得到沸石。用合成Y型和ZSM型沸石的方法,将用化工原料制备的晶种引入到粉煤灰合成沸石的实验中,在较短的时间内合成出了较纯的Y型沸石,其沸石结晶度达到了72%。研究表明晶种的引入有利于沸石的选择合成,缩短反应时间,提高沸石的纯度。该法是具有一定发展前景的合成方法。

1.6盐热合成法

前几类方法在合成过程中都需要用水作为反应试剂,这样就不可避免地产生了废液处理问题。为了改善这种情况,提出并在实验中采用了盐热合成法。在合成过程中用NaOH-NaNO3混合物取代水作反应介质,在反应温度为250~350℃、n(NaOH)/n(NaNO3)为0.3~0.5、n(NaNO3)/n(粉煤灰)为0.7~1.4的情况下合成出了方钠石、钙霞石等沸石。在此反应体系中,NaOH破坏硅铝化合物的表面键,使其重新解聚、重排,同时作为沸石的填充剂,而硝酸盐则作为溶剂,并用来稳固沸石的多孔结构,其作用类似水热反应中水的作用。通过该法能得到一些低离子交换量的分子筛。尽管在盐热过程中不需要水,由于合成过程使用了大量的盐,导致合成产物中含有大量的盐,其后处理仍需要大量的水来洗涤。因此,这种方法目前并未得到广泛应用。

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