粉煤灰酸法提铝渣制备层状硅酸钠和SBA-15及其性能研究

发布时间：2020-10-30 02:09

　　 粉煤灰是燃煤电厂燃烧发电产生的主要固体废弃物,我国年产量约6亿吨,堆积量逐年上涨,但粉煤灰的利用率仅为70%左右。粉煤灰的大量堆存占用土地、污染土壤和水体,造成一系列的环境问题。粉煤灰中Al_2O_3含量高,从粉煤灰中提取氧化铝是其综合利用的重要途径之一。目前,粉煤灰酸法提铝工艺,可以将粉煤灰中90%以上的Al_2O_3溶出,在这个过程中产生大量的提铝渣,如何高效的利用提铝渣成为了粉煤灰酸法提铝工艺亟需解决的问题之一。本文针对两种典型酸法提铝工艺中产生的脱硅液和提铝渣为原料展开硅基材料的制备和性能研究。利用煤粉炉粉煤灰(PC灰)预脱硅-碳酸钠活化-酸浸提铝工艺产生的脱硅液和提铝渣为原料制备层状硅酸钠,利用循环流化床粉煤灰(CFB灰)酸法提铝过程产生的提铝渣制备介孔分子筛SBA-15,并将SBA-15应用于稀土元素的吸附。主要研究内容及结果如下:(1)利用PC灰预脱硅-碳酸钠活化-酸浸提铝工艺产生的脱硅液和提铝渣制备模数2.0左右的硅酸钠溶液,以其为原料进一步制备层状硅酸钠。研究了硅酸钠溶液模数(n(SiO_2)/n(Na_2O))、煅烧时间和煅烧温度等条件对层状硅酸钠晶型以及钙镁离子交换能力的影响。根据GB/T4209-2008《工业硅酸钠》所述方法测定硅酸钠溶液模数;利用X射线衍射(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)等手段对粉煤灰及层状硅酸钠进行物相和化学成分分析;采用核磁共振波谱(NMR)分析层状硅酸钠的结构,利用dmfit2015对~(29)Si NMR图进行分峰拟合,鉴定晶体的纯度;利用拉曼光谱(Raman spectra)和扫描电子显微镜(SEM)分析层状硅酸钠的骨架振动特性和微观形貌特征。结果表明硅酸钠溶液模数和煅烧温度是影响层状硅酸钠晶型的显著因素。当n(SiO_2)/n(Na_2O)为2.0,在720°C下煅烧120 min,得到晶相中δ型含量高达92%的层状硅酸钠,Ca~(2+)、Mg~(2+)交换能力分别为358 mg/g和430 mg/g,优于GB/T19421-2008《层状结晶二硅酸钠试验方法》的规定值。Na_2Si_2O_5晶相中δ相有利于Ca~(2+)、Mg~(2+)交换,非晶相存在不利于Ca~(2+)、Mg~(2+)交换。(2)以CFB灰酸法提铝渣制备的硅酸钠溶液为原料,合成SAB-15,并用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对SBA-15进行氨基改性,然后再利用磷酰基乙酸(PAA)和二乙烯三胺五乙酸二酐(DTPADA)对其进行功能化,考察功能化材料对稀土元素(Ho、Yb)的吸附性能。采用X射线衍射仪(XRD)、物理吸附仪(BET)和傅立叶变换衰减全反射红外光谱仪(ATR-FTIR)等手段对材料的结构进行表征;通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定材料吸附前后溶液中稀土元素含量的变化,分析材料的吸附性能。结果表明利用CFB灰酸法提铝渣制备的硅酸钠溶液可合成结构高度有序的SBA-15,其表面功能化后材料的孔道结构没有被破坏。中性条件下(pH=6.0),PAA-SBA-15对Ho、Yb的吸附效率最高分别为86.3%、94.4%;在酸性条件下(pH=2.0),DTPADA-SBA-15对Ho、Yb的吸附效率最高分别为93.1%、89.0%。在竞争离子Al~(3+)、Ca~(2+)存在的溶液中,DTPADA-SBA-15吸附Ho的吸附效率没有下降,且对Al~(3+)、Ca~(2+)无吸附作用,表现出良好的选择性。PAA-SBA-15和DTPADA-SBA-15吸附效率经三次循环使用仍能保持较高水平,表明吸附材料具有良好的重复使用性。PAA-SBA-15和DTPADA-SBA-15对Ho、Yb的吸附动力学行为符合拟二级动力学模型,吸附行为具有化学吸附行为。粒子内扩散模型表明整个吸附过程分为边界扩散和颗粒内扩散两个过程。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X773
【部分图文】：

第一章 文献综述煤灰提铝渣资源化利用现状前，我国的粉煤灰的综合利用率为 70%，其中的 80~90%主要用于低建筑材料（见图 1.1），粉煤灰的利用正在从低附加值领域向高附加粉煤灰中以 SiO2、Al2O3、CaO 等化学组分为主，且在高铝粉煤灰中 50%。因此可以通过提取粉煤灰中的氧化铝来实现其高价值利用，源的短缺。在粉煤灰提铝过程中会产生大量的提铝渣，提铝渣中主要或硅酸钙，可用于制备高附加值产品，因此提铝渣的资源化利用逐渐关注。混凝土16%筑路工程5%农业3%矿物提取4%

5a: -Na2Si2O5；b: -Na2Si2O5；c: β-Na2Si2O5图 1.2 层状硅酸钠晶体的结构示意图目前， -Na2Si2O5的制备方法主要有液体水玻璃煅烧法[32]、速溶硅酸钠转化法[33,34]、水热合成法[35,36]、固体水玻璃直接转化法[37]等。其中，因液体水玻璃煅容易控制产品晶型而得到广泛应用。Lucas等[63]利用硅酸钠溶液合成 -Na2Si2O5，成过程中加入粒径为0.038 mm~0.1 mm和种子量为10~20%的 相晶种，在725 °C20min制备出结晶度最高的 -Na2Si2O5，其镁结合能力远高于4A沸石。原材料成本生产周期长，控制变量范围大等，提高了 -Na2Si2O5的生产成本。因此，寻找低的原料和经济上可行的方法来合成 -Na2Si2O5逐渐引起了人们的关注。Miao等[38]壳灰为原料，在n(SiO2)/n(Na2O)=2.0、煅烧温度为720 °C和煅烧时间为120 min条件

第一章 文献综述“硬”模板法通常采用固体材料如介孔二氧化硅、介孔碳等为模板，将前驱体限制在孔道内进行组装和生长。与“软”模板法相比，“硬”模板法不需要控制前驱体的水解和缩聚过程，对于一些利用溶胶凝胶法难以合成的介孔材料比较适用[49,50]。“硬”模板法一般包括四个合成步骤：选取硬模板、装载前驱体、前驱体的转化、脱除模板。其中，装载前驱体是最关键的步骤，常采用浸渍法使溶解在溶剂中的前驱体[51]在毛细作用力下[52]填充到模板的孔道中。在合成的过程中溶剂、介孔表面性质等影响因素也需要进行考虑。1.4.2 有序介孔材料合成机理对于介孔材料的合成机理，人们针对不同的研究体系，提出了不同的模型。其中，具有代表性的有液晶模板机理和协同自组装液晶模板机理。（1）液晶模板机理
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本文编号：2861817