煤系高嶺土的改性試驗(yàn)研究(續(xù))

梁志寶

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心內(nèi)蒙古總隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

（上接2013年第5期）

3.2.3 比表面積與孔徑分布分析

(1)煤系高嶺土原土與改性后的參數(shù)比較。

煤系高嶺土原土與不同pH值條件下改性后土的參數(shù)比較，如表3所示。

由以上表格中的數(shù)據(jù)顯示可知道，煤系高嶺土經(jīng)過(guò)改性之后比表面積增大，平均增大34倍；并且總孔體積也在增大，平均增大10倍；而平均孔徑卻減小，但是改性后的孔徑分布比較窄，主要集中在2.8nm左右。

(2)孔徑分布分析。

圖6為煤系高嶺土原土和改性后煤系高嶺土在不同pH值條件下的孔徑分布曲線。

從圖6(上)中可以看出煤系高嶺土原土的孔徑分布范圍很廣，多孔物質(zhì)分布在10～100nm之間，孔徑分布不集中；而從圖6(下)中可以看出改性后的介孔材料不管pH值為9、10、11、12孔徑分布都比原煤系高嶺土集中。改性后的煤系高嶺土都可以合成介孔材料，且孔徑分布都不是很寬，而在pH值為9時(shí)合成的介孔材料的孔徑分布的范圍相對(duì)較好，孔徑集中在2.8nm左右。

3.3 FI-IR的測(cè)試與分析

FI-IR測(cè)試是采用KBr壓片法，為了得到高質(zhì)量的壓片，要求壓片不吸附或盡量少吸附空氣中的水、透明度好、厚度均勻、平整光潔，以KBr作為背景峰，測(cè)試范圍為400～4000cm-1，分辨率為4cm-1，測(cè)試溫度為室溫。

儀器主要由以下幾部分構(gòu)成[8]：紅外輻射光源、放置樣品的樣品室、色散紅外輻射的單色器、接受輻射的檢測(cè)器、電子放大及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖7為煤系高嶺土原土和pH值為9時(shí)改性后煤系高嶺土的FI-IR圖。從圖7(上)中可以看出煤系高嶺土原土在3692.54、3614.70、1042.16、917.62、796.97、544.00cm-1等處出現(xiàn)特征峰，在3692.54、3614.70cm-1處的強(qiáng)吸收峰為煤系高嶺土原土中-OH的伸縮振動(dòng)峰的特征譜帶[4]，1042.16cm-1是高嶺土中Si-O伸縮振動(dòng)峰的特征譜帶，917.62cm-1是高嶺土結(jié)構(gòu)中Al-O-H振動(dòng)峰，796.97cm-1為Al-OSi的振動(dòng)峰，544.00cm-1處的峰為Al-O振動(dòng)峰、423.35cm-1是Si-O彎曲振動(dòng)的峰[4]。

從圖7(下)中我們看到經(jīng)過(guò)堿改性煅燒后的高嶺土在3474.59、1641.51、1089.97、800.86、454.49cm-1等處有特征峰出現(xiàn)；3474.59cm-1和1641.51cm-1是吸水的特征譜帶，1089.97cm-1還是高嶺土中Si-O伸縮振動(dòng)峰的特征譜帶，800.86cm-1是表征Al-O-Si振動(dòng)的，454.49cm-1是Si-O彎曲振動(dòng)的峰帶。

圖7 煤系高嶺土原土(上)和改性后煤系高嶺土(下)的FI-IR圖

比較煤系高嶺土原土和改性后的高嶺土的FI-IR圖可以看出，改性后的高嶺土圖譜上沒(méi)有917.62、544.00cm-1等吸收帶，而917.62cm-1是高嶺土結(jié)構(gòu)中Al-O-H振動(dòng)峰，544.00cm-1處的峰為Al-O振動(dòng)峰。以上分析說(shuō)明改性后的高嶺土中的原有結(jié)構(gòu)被破壞，而其他的特征峰都在，只是Si-O的縮振動(dòng)峰由原來(lái)的1042.16cm-1變?yōu)?089.97cm-1，Al-O-Si的振動(dòng)峰從796.97cm-1變?yōu)?00.86cm-1，Si-O彎曲振動(dòng)的峰也從423.35cm-1變?yōu)?54.49cm-1[9]。

3.4 SEM的測(cè)試與分析

SEM測(cè)試是在日立公司的S-3400N型號(hào)掃描電子顯微鏡上進(jìn)行的，主要是觀察煤系高嶺土原土與改性后的煤系高嶺土在表面形貌上的不同之處。

試驗(yàn)用的煤系高嶺土原土和在pH值為9的條件下改性后的SEM圖如圖8所示。

由圖8(a)可以看出原土的形貌中顆粒雜亂無(wú)章、大小不一，并沒(méi)有明顯的孔結(jié)構(gòu)；由圖8(b)可見(jiàn)，改性后的高嶺土具有介孔材料表面及內(nèi)部存在交錯(cuò)排列的孔道結(jié)構(gòu)，分布比較規(guī)則,這其中既有連通孔道，也有非連通孔道，豐富的連通與非連通孔道結(jié)構(gòu)是改性后高嶺土具有介孔材料擁有巨大的比表面積的主要原因。

3.5 TEM的測(cè)試與分析

圖8 煤系高嶺土原土(a)和改性后(b)高嶺土的SEM圖

TEM測(cè)試是以電子束透過(guò)樣品經(jīng)過(guò)聚焦與放大后所產(chǎn)生的物像，投射到熒光屏上或照相底片上進(jìn)行觀察。試驗(yàn)所用的測(cè)試儀器是日本電子株式會(huì)社型號(hào)為JEM-2010的高分辨透射電子顯微鏡，主要觀察沒(méi)有改性的煤系高嶺土與改性后的煤系高嶺土的結(jié)構(gòu)上有什么區(qū)別。

圖9是煤系高嶺土原土和在pH值為9時(shí)改性后煤系高嶺土的TEM圖。

圖9 煤系高嶺土原土(a)和改性后(b)高嶺土的TEM圖

從圖中可以看出改性前后煤系高嶺土在結(jié)構(gòu)上有一定的差別。從圖9(a)中可以看出煤系高嶺土原土的結(jié)構(gòu)是規(guī)整的六方晶石，沒(méi)有看見(jiàn)明顯的介孔孔道。從圖9(b)中可以看見(jiàn)清晰的介孔孔道，孔分布均勻且致密，同N2吸附的孔徑分布結(jié)果一致，改性后高嶺土具有的介孔材料孔徑主要集中在2.8nm左右。

改性后的煤系高嶺土材料為顆粒狀的，和沒(méi)有改性時(shí)的顆粒形貌相同，改性是依靠結(jié)構(gòu)中的活性SiO2和Al2O3同摸板劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)在堿性(NaOH水溶液)環(huán)境中的作用形成介孔結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變成介孔材料的。但是經(jīng)過(guò)堿改性焙燒后的煤系高嶺土在色澤上與原土有一定差別，白度和亮度都比原土好。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古蒙西的煤系高嶺土中硅和鋁的有效組成含量較高，硅鋁比非常接近理論值1∶1，雜質(zhì)含量不高，這為煤系高嶺土改性成為介孔材料提供了基礎(chǔ)。

煤系高嶺土原土經(jīng)過(guò)焙燒之后白度和亮度都顯著增加；在537℃以上焙燒，高嶺土原來(lái)的結(jié)構(gòu)被打亂，其結(jié)構(gòu)由有序變?yōu)闊o(wú)序；從600℃開(kāi)始到形成偏高嶺土的升溫過(guò)程中，高嶺土處于無(wú)定形態(tài)，鋁離子活性很高。焙燒溫度在992.5℃以上，有新晶相生成，開(kāi)始轉(zhuǎn)化成硅鋁尖晶石新晶相，此時(shí)鋁活性開(kāi)始降低，硅活性開(kāi)始升高。

試驗(yàn)將煤系高嶺土原土通過(guò)水熱合成的方法進(jìn)行改性，將改性后的材料通過(guò)表征得出：煤系高嶺土經(jīng)改性后合成了無(wú)定形有序的介孔材料。通過(guò)對(duì)不同pH值下合成材料的表征得出：在其他條件不變，水熱反應(yīng)溫度100℃、水熱反應(yīng)時(shí)間2d時(shí)，合成這種介孔材料的最佳pH值為9，且在最佳pH值條件下合成的介孔材料孔徑分布均勻，主要集中在2.8nm左右，比表面積比原煤系高嶺土平均增大34倍，總孔體積平均增大10倍。

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(續(xù)完)