高岭土和粉煤灰合成分子筛及负载磁性粒子的研究

发布时间：2017-05-10 23:14

  本文关键词：高岭土和粉煤灰合成分子筛及负载磁性粒子的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：沸石分子筛作为微孔材料,具有丰富的孔结构、规则的孔道分布,因此在催化材料、吸附分离材料、功能材料、复合材料等各领域具有广泛的应用。随着科学的发展,分子筛材料的原有性能已不能满足应用的实际要求。为了发展沸石分子筛材料的实际应用领域,不同的客体可与分子筛形成复合材料,在不同领域显示出许多独特的性能。分子筛合成方式的多样性使其在材料成型和复合材料制备中,可以设计和得到具有结构新颖性能优异的复合材料。以廉价低品位高岭土矿物为原料制备分子筛是近年来高岭土研究的一个重要方向,也是对我国储量丰富的低品位高岭土矿产资源的高效利用的方式。粉煤灰是煤粉燃烧后的细粒分散状残余物,具有一定环境污染性的固体废弃物。以粉煤灰为原料合成沸石分子筛,使其从固体废弃物转变成一种可利用的资源,不仅可以解决粉煤灰污染问题,而且可以得到一种价格低廉、性能良好的分子筛吸附材料。本论文以当阳低品位高岭土以及内蒙古固体废弃物粉煤灰为实验用原材料,制备了沸石分子筛及磁性沸石分子筛。研究了分子筛制备的水热反应因素对产物结构和性能的影响,得出了最佳反应条件,并对材料进行分析和表征。采用磁性载体技术,探寻了一种由高岭土和粉煤灰直接进行水热反应合成磁性沸石分子筛的简易方法。通过XRD、SEM、EDS、 BET、FT-IR和TEM等手段分析高岭土和粉煤灰原料、分子筛及磁性分子筛产物的微观结构、形貌和性能变化,阐述分子筛及磁性分子筛的转化机理。最终达到“变废为宝”的目标。本论文的创新之处有以下几点：1.以低品位高岭土为原料,在不添加硅源和铝源的条件下,通过一步水热合成法制备了3A沸石分子筛。避免了传统合成法中需要先制备4A沸石分子筛再通过离子交换制备的复杂工艺。2.论文探寻了一种由低品位高岭土和固体废弃物粉煤灰为原料进行水热反应直接合成磁性沸石分子筛的简便方法,达到了合成廉价易得、可快速固液分离回收的磁性分子筛吸附剂的目的。3.以固体废弃物资源粉煤灰为原料,通过直接煅烧法在恒温水热的条件下,合成了制备条件简单,原料来源广泛,价格低廉的纯相P型沸石分子筛。本论文主要研究结果如下：1.通过采用XRD、XRF、FT-IR、TG和SEM等分析手段对论文原料低品位高岭土进行测试分析,化学分析可知高岭土中SiO2含量为37.57%,Al2O3含量为34.73%,Fe3O4含量3.22%,TiO2含量2.99%；通过计算可知硅铝比约为1.84,此硅铝比条件下适宜制备出4A分子筛。物相分析高岭土中主要含有高岭石、伊利石、钠长石和石英,其中高岭石的含量大于67.7%；热分析显示,样品在200℃-600℃之间有两个吸热谷,同时伴有明显失重。在250℃之前,主要是自由水和结合水的失去,这一部分含量较少,所以失重较小,热重图上可以看出自由水和结合水的失重为2.62%；在250-500℃,主要是结构配位水的失去,所以失重曲线急剧下降,高岭土晶体结构逐渐塌陷：600℃以后失重曲线基本持平,表明在600℃以后失重无变化,表明此时高岭土晶体结构已经塌陷,高岭土已经转变为偏高岭土。2.本文以直接煅烧法、碱煅烧法和盐煅烧法三种煅烧方法处理原料高岭土。考察了不同煅烧温度下直接煅烧法的产物,通过XRD和SEM分析,得出直接煅烧法的煅烧温度在700℃时较为合适,此温度下高岭土已经完全转化成无定型的偏高岭土,随着煅烧温度的增加,产物的物相基本保持不变,当煅烧温度升高到1000℃时,煅烧产物中还有石英的存在。碱煅烧高岭土是将高岭土与氢氧化钠在煅烧之前进行混合,将高岭土与碱进行共煅烧处理。通过XRD和SEM分析煅烧产物的物相及形貌,共煅烧后生成了硅酸钠和硅铝酸钠。盐煅烧的方法是将高岭土与氯化钾混合均匀后共煅烧,其目的是为了高岭土一步法制备3A沸石分子筛的实验。3.对三种煅烧方法制备的煅烧产物分别进行水热反应。直接煅烧法水热合反应制备分子筛主要讨论的影响因素有：NaOH浓度,反应体系陈化温度,晶化温度。对产物进行XRD、SEM分析得出最佳的制备工艺为：碱浓度2.0mmol·L-1,陈化温度60℃,晶化温度90℃。通过对不同煅烧温度下合成4A沸石分子筛产物XRD分析,高岭土的煅烧温度在500-900℃时都能合成4A沸石分子筛；SEM分析在煅烧温受为700℃时合成的分子筛样品整体形态较规则,粒度均匀,颗粒大小约为2μm,分散度较好。碱煅烧法制备的分子筛是X型沸石分子筛和P型沸石分子筛的混合物,XRD软件计算X型沸石分子筛含量约为80%。盐煅烧法制备的产物主要是用于制备3A型沸石分子筛。对制备的3A沸石分子筛XRD分析,制备的3A分子筛的图谱与4A分子筛图谱相同。说明钾离子作为平衡阳离子时,沸石分子筛的特征衍射峰未发生变化,骨架结构保持不变。XRD表征可知,加入的钾离子只是存在于4A沸石分子筛的孔道或笼中,并没有改变其骨架结构。产物SEM分析3A分子筛样品形貌与4A沸石分子筛相同,颗粒大小均匀,表面光滑。TG分析,对4A分子筛的热处理的温度不宜高于500℃。TG分析中显示样品在139.5℃有一个非常强烈的吸热谷,同时伴有明显失重。在100-200℃,主要是自由水的失去,200-400℃时,吸附水和结构配位水逐渐排出,500℃以后,非桥架羟基开始脱出,沸石晶体结构逐渐塌陷：在900-1000℃间差热曲线上出现了一个较小的放热峰,而失重无变化,此时4A沸石晶体结构已经完全塌陷,生成了新的物相。红外分析,相同类的分子筛的红外光谱图的谱带形状基本相同。4.采用XRD、XRF、FT-IR、TG和SEM等分析手段对选用的粉煤灰进行表征分析,粉煤灰主要含有硅和铝,其中SiO2含量为52.40%,Al2O3含量为18.09%,Fe2O3含量为0.42%,TiO2含量4.33%,硅铝比约为5.0。仅从化学角度考虑,内蒙粉煤灰适宜制备P型分子筛。由物相分析可知,粉煤灰主要含非晶态物质,其中含有的少量的晶体物质有锐钛矿、石英和莫来石,钛存在于锐钛矿中,在分子筛的制备过程中不参加反应。5.对粉煤灰的煅烧处理采用了两种方法,直接煅烧法和碱煅烧法。考察直接煅烧法温度对煅烧效果的影响,得出煅烧温度为800℃,煅烧时间为4小时适宜于实验需要；碱煅烧法主要考察氢氧化钠的添加量对煅烧产物的影响。煅烧产物XRD分析,在实验煅烧温度条件下,煅烧可使粉煤灰中的有机质去除,粉煤灰的结构和物相没有发生变化,原料中的锐钛矿和石英没有发生变化。XRD分析粉煤灰与碱共煅烧产物,在高温下反应生成了硅酸钠和硅铝酸钠。6.粉煤灰两种煅烧活化方法分别进行分子筛的合成实验。直接煅烧法制备P型分子筛的实验因素为：水热温度,水热时间,碱浓度。通过对不同条件下分子筛分析,得出最佳的反应条件为：水热反应温度为100℃,反应时间为24 h-72 h,碱浓度为3.0mol·L-1-5.0mol·L-1采用碱溶出的方法制备P型沸石分子筛,通过调控硅铝比验证不同硅铝比的条件下对分子筛水热产物的影响。试验中选择的硅铝比的范围为2.5-6.5。XRD和SEM分析,合成P型沸石分子筛时较为合适的硅铝比为4.5-6.5。硅铝比在2.5-4.5之间时生成的主要是X型沸石,硅铝比在4.5-6.5之间的时候能够生成较为纯相的P型沸石。对产物分子筛TG分析,P型分子筛的高温处理温度不能高于500℃。由TG曲线分析可知,样品在500℃以后,非桥架羟基开始脱出,沸石晶体结构逐渐塌陷；在900-1000℃间差热曲线上出现了一个小的放热峰,而失重无变化,表明此时P型沸石晶体结构已经完全塌陷。7.磁性Fe3O4微粒的制备采用两种方法：悬浮聚合法和化学共沉淀法。两种方法均制备出了磁性Fe3O4微粒,悬浮聚合法制备的物Fe3O4材料的磁化率为37.277 emu/g,化学共沉淀法制备的Fe3O4材料的磁化率为75.771emu/g,矫顽力为30.080e。磁性4A分子筛的制备采用高岭土制备4A分子筛的最佳工艺条件,直接煅烧法的条件下,引入化学共沉淀法制备的磁性Fe3O4微粒,制备出磁性4A沸石分子筛。产物分子筛的磁化率为4.5364emu/g,矫顽力为16.744Oe。XRD分析,磁性4A分子筛结晶程度较高,引入的Fe3O4相没有影响其立方对称性,和4A分子筛的骨架结构,此外,未观察到因Fe3O4被氧化而生成的Fe3O4谱峰,表明合成过程中Fe3O4未被氧化。透射电镜分析,磁性4A分子筛主体呈立方体轮廓,晶形较完整,与4A分子筛相比其棱角更加圆滑,颗粒的大小约为400nm。Fe3O4纳米颗粒粘附于沸石分子筛表面,未出现较严重的团聚现象,主要存在于分子筛颗粒之间,分布较均匀。与机械混合物不同,Fe3O4颗粒均匀地分布在沸石中,不存在孤立的Fe3O4颗粒或其团聚体。磁性P型分子筛的制备采用粉煤灰制备P型分子筛最佳工艺条件,在制备的过程中引入磁性Fe3O4材料得到磁性分子筛产物。产物的磁化率为11.990emu/g,矫顽力为20.67Oe。XRD分析磁性P型分子筛结晶程度较高,引入的Fe3O4相没有影响P型分子筛的骨架结构。由透射电镜分析可知,磁性P型分子筛呈球型轮廓,晶形较完整,颗粒的大小约为0.2-1.0μm。Fe3O4纳米颗粒部分粘附于磁性产物表面,Fe3O4颗粒均匀地分布在沸石中。8.论文第六章简要考察了实验中制备的分子筛产品吸附性能。通过静态吸附法,研究了4A沸石分子筛、P型沸石分子筛、磁性4A分子筛、磁性P型分子筛等分子筛材料对重金属离子Cu2+、Cr3+、Pb2+、Cd2+、Ni2+的去除效果。结果表明：在pH值小于2时,四种分子筛材料对重金属离子Cu2+、Cr3+、Pb2、Cd2+、Ni2+吸附效果不佳,在pH值为4时,对Cu2+的吸附量分别为28.60 mg/g,29.85 mg/g,23.50 mg/g,25.20 mg/g;对Cr3+的吸附量分别为26.68 mg/g,27.52 mg/g,21.95 mg/g,23.43 mg/g;对Pb2+的吸附量分别为21.50 mg/g,20.38 mg/g,24.43 mg/g,27.50 mg/g;对Cd2+的吸附量分别为24.63 mg/g,28.00 mg/g,20.06 mg/g,29.25 mg/g;对Ni2+的吸附量分别为24.70 mg/g,27.48 mg/g,28.12 mg/g,21.34 mg/g;但去除率均不高。此外,通过EDS分析对4A分子筛和P型分子筛吸附重金属后的样品进行分析,吸附后分子筛表面吸附了一层重金属离子,分子筛产品的形貌没有发生改变。9.通过对分子筛的制备实验和表征研究结果分析,得出4A沸石分子筛和P型沸石分子筛的制备机理为液相转化机理；根据TEM分析,可以看出分子筛形成的大致过程。磁性分子筛的制备机理是磁性Fe3O4材料在分子筛的形成过程中,一部分参与到分子筛的晶体结构当中,一部分负载到分子筛的晶体表面。根据TEM分析,磁性分子筛材料的外层负载了一层纳米级别的磁性Fe3O4材料。论文研究以低品位高岭土和固体废弃物粉煤灰为原料分别制备了分子筛及磁性分子筛,探寻了一种由廉价原料直接水热合成磁性分子筛的简易方法。满足了分子筛作为重金属废水吸附剂廉价易得可快速固液分离回收的要求。扩展了沸石材料的应用领域,沸石合成策略的多样性使得在成型和制备复合材料过程中,可以设计和得到具有新颖结构的分子筛复合材料。
【关键词】：高岭土 粉煤灰 分子筛 磁性分子筛 性能研究
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ424.25
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-11
• ABSTRACT11-20
• 第一章 绪论20-30
• §1.1 分子筛概述20-24
• 1.1.1 分子筛简介20-22
• 1.1.2 分子筛应用22-23
• 1.1.3 分子筛合成的研究23-24
• §1.2 高岭土合成沸石分子筛研究现状24-25
• 1.2.1 高岭土储量及应用领域24
• 1.2.2 高岭土为原料合成分子筛24-25
• §1.3 粉煤灰合成沸石分子筛研究现状25-26
• §1.4 分子筛废水处理研究进展26-27
• §1.5 沸石的磁性功能化27-28
• §1.6 本论文研究目的及意义28
• §1.7 本论文研究内容28-30
• 1.7.1 主要研究内容28-29
• 1.7.2 主要工作量表29-30
• 第二章 当阳高岭土原料分析30-36
• §2.1 当阳高岭土概况30
• §2.2 当阳高岭土原料分析测试30-35
• 2.2.1 化学成分分析31
• 2.2.2 物相成分分析(XRD)31-32
• 2.2.3 红外光谱分析(FTIR32-33
• 2.2.4 热重/差热分析(TG/DSC)33
• 2.2.5 表面形貌特征分析(SEM)33-35
• §2.3 本章小结35-36
• 第三章 高岭土合成A型沸石分子筛研究36-65
• §3.1 实验原料试剂及设备仪器36-37
• 3.1.1 实验原料试剂36-37
• 3.1.2 实验设备37
• 3.1.3 分析仪器37
• §3.2 实验部分37-43
• 3.2.1 煅烧高岭土的制备37-38
• 3.2.2 4A型沸石分子筛的制备38-39
• 3.2.3 3A型沸石分子筛的制备39-40
• 3.2.4 4A沸石分子筛的钙离子交换量的测试40-41
• 3.2.5 NaA型沸石分子筛的制备实验设计41-42
• 3.2.6 材料表征方法42-43
• §3.3 结果与讨论43-64
• 3.3.1 煅烧高岭土XRD分析43-46
• 3.3.2 煅烧高岭土SEM分析46-48
• 3.3.3 煅烧高岭土FT-IR分析48-49
• 3.3.4 分子筛钙离子交换量分析49-50
• 3.3.5 沸石分子筛产物XRD分析50-54
• 3.3.6 NaA型沸石分子筛XRF分析54-55
• 3.3.7 NaA型沸石分子筛SEM分析55-60
• 3.3.8 4A沸石分子筛FT-IR分析60-61
• 3.3.9 4A沸石分子筛热重/差热分析(TG/DSC)61-62
• 3.3.10 4A沸石分子筛BET分析62-64
• §3.4 本章小结64-65
• 第四章 内蒙粉煤灰原料分析65-71
• §4.1 内蒙粉煤灰概况65
• §4.2 内蒙粉煤灰原料分析测试65-70
• 4.2.1 物理性质65
• 4.2.2 化学成分组成65-66
• 4.2.3 物相成分分析(XRD)66
• 4.2.4 红外光谱特征分析(FTIR分析)66-67
• 4.2.5 热重/差热分析(TG/DSC)67
• 4.2.6 比表面积测试分析(BET)67-68
• 4.2.7 表面形貌分析(SEM)68-70
• §4.3 本章小结70-71
• 第五章 粉煤灰合成P型沸石分子筛71-97
• §5.1 实验原料试剂及设备仪器71-72
• 5.1.1 实验原料及试剂71-72
• 5.1.2 实验设备72
• 5.1.3 分析仪器72
• §5.2 实验部分72-78
• 5.2.1 煅烧粉煤灰的制备72-73
• 5.2.2 P型沸石分子筛的制备73-75
• 5.2.3 P型沸石分子筛的制备实验设计75-77
• 5.2.4 材料表征77-78
• §5.3 结果与讨论78-96
• 5.3.1 煅烧粉煤灰XRD分析78-80
• 5.3.2 煅烧粉煤灰SEM分析80-82
• 5.3.3 煅烧粉煤灰FT-IR分析82
• 5.3.4 P型沸石分子筛XRD分析82-87
• 5.3.5 P型沸石分子筛XRF分析87-88
• 5.3.6 P型沸石分子筛SEM分析88-93
• 5.3.7 P型沸石分子筛FT-IR分析93-94
• 5.3.8 P型沸石分子筛热重/差热分析(TG/DSC)94
• 5.3.9 P型沸石分子筛BET分析94-96
• §5.4 本章小结96-97
• 第六章 磁性分子筛材料的制备表征97-119
• §6.1 实验原料试剂及设备仪器97-99
• 6.1.1 实验原料试剂97-98
• 6.1.2 实验设备98
• 6.1.3 分析仪器98-99
• §6.2 实验部分99-102
• 6.2.1 磁性材料的制备99
• 6.2.2 磁性分子筛材料的制备99-100
• 6.2.3 磁性沸石分子筛吸附实验100
• 6.2.4 磁性沸石分子筛的制备实验设计100-101
• 6.2.5 材料表征101-102
• §6.3 结果与讨论102-118
• 6.3.1 磁性Fe_3O_4材料XRD分析102-103
• 6.3.2 磁性Fe_3O_4材料磁性能分析103-104
• 6.3.3 磁性Fe_3O_4材料透射电镜分析104-106
• 6.3.4 磁性分子筛XRD分析106-108
• 6.3.5 磁性分子筛FT-IR分析108
• 6.3.6 磁性分子筛XRF分析108-109
• 6.3.7 磁性分子筛BET分析109-110
• 6.3.8 磁性分子筛磁性能分析110-111
• 6.3.9 磁性分子筛TEM分析111-113
• 6.3.10 分子筛及磁性分子筛吸附分析113-118
• §6.4 本章小结118-119
• 第七章 分子筛及其载磁材料的制备机理119-126
• §7.1 A型、P型沸石分子筛制备机理120-123
• §7.2 磁性材料制备机理123-124
• §7.3 磁性分子筛制备机理124-125
• §7.4 本章小结125-126
• 第八章 结束语126-130
• §8.1 研究结论126-129
• §8.2 创新点129
• §8.3 展望129-130
• 致谢130-131
• 参考文献131-136

【参考文献】

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1 徐如人,李守贵;沸石分子筛的生成机理与晶体生长(Ⅴ)——L型沸石晶体生长动力学[J];高等学校化学学报;1983年01期

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1 商云帅;以高岭土为原料沸石分子筛的合成及其氮氧吸附性能研究[D];大连理工大学;2009年

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1 张晓敏;ZSM-5合成新方法以及Er发光复合材料的制备与表征的研究[D];华东师范大学;2008年

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