煤矸石制備超微分子篩及其離子交換吸附性能的研究

楊建利 杜美利 楊小剛 李 剛 于春俠 朱晨浩 朱 超

(西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省西安市，710054)

煤矸石[1-3]主要是由無(wú)機(jī)物(多種礦物、巖石)及少量有機(jī)物(煤、碳質(zhì)巖)組成的混合物。利用煤矸石制備分子篩[4-6]，一方面能夠擴(kuò)大分子篩來(lái)源并提供解決煤矸石污染問(wèn)題的新途徑，另一方面又增加了煤矸石的附加值。目前，工業(yè)上使用的分子篩晶粒一般在幾微米左右，越來(lái)越不能滿足精細(xì)化學(xué)以及精細(xì)化工反應(yīng)的發(fā)展，而超微分子篩的出現(xiàn)將在一定程度上解決這種現(xiàn)狀。超微分子篩[7-10]的大小介于100～1000 nm，由于它具有良好的比表面積和高效的催化活性，使得它在未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用中具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本研究采用渭北礦區(qū)煤矸石為原料，在晶化過(guò)程中通過(guò)加入導(dǎo)向劑和檸檬酸并控制晶化時(shí)間來(lái)制備超微4A分子篩，從而通過(guò)將煤矸石作為能源利用的方案進(jìn)行改革，將其作為原料來(lái)生產(chǎn)超微分子篩，這樣一方面能處理煤矸石堆積污染的問(wèn)題，另一方面可以獲得廉價(jià)的高性能分子篩。所以，利用煤矸石制備超微分子篩具有理論現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 煤矸石化學(xué)成分分析

試驗(yàn)用煤矸石采自陜西渭北礦區(qū)，由國(guó)標(biāo)分析得到該煤矸石的主要化學(xué)成分，SiO2含量為51.30%、Al2O3含量為32.61%、Fe2O3含量為10.27%、CaO含量為1.39%、MgO含量為0.18%。

1.2 煤矸石除鐵

由煤矸石的化成分分析可知，此煤矸石里面含有一定數(shù)量的Fe2O3，能在最后堿性條件下進(jìn)行反應(yīng)而影響產(chǎn)品的白度，因此要對(duì)煤矸石進(jìn)行除鐵處理，常見(jiàn)的除鐵方法有濕法鹽酸除鐵和NH4Cl除鐵。本研究中采用NH4Cl除鐵，具體試驗(yàn)步驟是準(zhǔn)確稱量5 g粉碎過(guò)的煤矸石和3 g的NH4Cl混合均勻攪拌在灰皿中，然后放在溫度為750℃的馬弗爐中煅燒2 h。反應(yīng)方程式如下：

6NH4Cl + Fe2O3= 2FeCl3+ 6NH3+ 3H2O

1.3 導(dǎo)向劑制備

本研究采取加入導(dǎo)向劑[12]來(lái)控制分子篩粒徑的大小，導(dǎo)向劑中各成分的比例為Na2O∶Al2O3∶SiO2∶ H2O = 3∶1∶2∶185(摩爾比)。具體制取步驟是：準(zhǔn)確稱量3.28 g 的NaAlO2、11.2 g 的Na2SiO4·9H2O，外加60 mL的蒸餾水。首先在100 mL燒杯中加入NaAlO2，加水溶解后，用電熱套加熱至沸騰，此時(shí)在恒沸條件下一邊攪拌一邊加入Na2SiO4·9H2O。控制恒溫在70℃下攪拌30 min制成凝膠，再在室溫下陳化24 h待用。

1.4 預(yù)處理煤矸石的一步水溶

活化之后的煤矸石中含有硅酸鈉和硅鋁酸鹽兩種混合物，在下一步反應(yīng)中會(huì)影響晶化過(guò)程的Si/Al，又因?yàn)楸簾笮纬傻腘a2SiO3和NaAlSiO4這2種物質(zhì)，前者易溶于水，后者溶于堿。所以將預(yù)處理后的煤矸石進(jìn)行水溶，水溶后只剩余了 NaAlSiO4。因此用少量水浸取焙燒煤矸石，可使焙燒煤矸石中的硅酸鈉先溶出，脫出煤矸石中的部分硅，保證了后續(xù)試驗(yàn)中需要的硅鋁比。

具體試驗(yàn)步驟如下：將與Na2CO3活化之后的煤矸石稱取10 g置于250 mL的燒杯中，加入液固體積比為20∶1的蒸餾水進(jìn)行水溶，水溶條件為將溫度控制在50℃、水溶時(shí)間設(shè)置為30 min。

1.5 晶化反應(yīng)

將上述水溶步驟中的混合物抽濾后得到晶化合成所需的原料。反應(yīng)控制條件如下：反應(yīng)在3 mol/L的堿性條件下，液固體積比是20∶1，然后加入一定量的導(dǎo)向劑和檸檬酸在60℃下攪拌反應(yīng)1 h，最后在90℃條件下陳化一段時(shí)間，抽濾后在110℃下干燥3 h得到所需分子篩。

由于影響分子篩合成因素較多，為了確定煤矸石制備超微4A分子篩的最佳配比，在試驗(yàn)中采用檸檬酸(檸檬酸∶Al2O3(摩爾比))、導(dǎo)向劑加入量和晶化時(shí)間三因素構(gòu)筑三水平三因素正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

1.6 鈣離子交換吸附試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取一定量的合成4A分子篩，加入到一定濃度的氯化鈣溶液中進(jìn)行離子交換。攪拌均勻后，靜置于30℃的恒溫水浴中，保溫1 h，取出溶液，靜置、過(guò)濾后，將濾液注入250 mL錐形瓶中，加入1 mL含量為30%的三乙醇胺，再加入2 mL含量為2 mol/L的NaOH溶液，再加入3～5滴鈣指示劑，用EDTA溶液滴定，平行測(cè)定2次，記錄所消耗EDTA溶液的體積V1。

濾液樣中Ca2+含量見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：x——濾液中Ca2+的濃度，mg/L；

c——EDTA溶液的濃度，mol/L；

V1——標(biāo)定時(shí)所耗EDTA溶液的體積，mL；

V——吸取鈣離子溶液的體積，mL。

在上述公式中求得濾液中Ca2+的濃度后，用下述公式可求制備得到分子篩吸附量的大小，最后再分析結(jié)果。

分子篩吸附量公式見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：q——Ca2+吸附量，mg， Ca2+/g 4A分子篩；

C0——交換前溶液中Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；

C——交換后溶液中Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；

V0——交換液體的體積，mL；

m——沸石的用量，g。

通過(guò)上述兩公式，聯(lián)立可求得分子篩對(duì)鈣離子的交換量。

2 結(jié)果和表征

2.1 樣品的X衍射表征

當(dāng)檸檬酸∶Al2O3(摩爾比)為1、加入3%的導(dǎo)向劑、晶化時(shí)間是60 min時(shí)，合成分子篩效果最佳，XRD是鑒定分子篩晶型的最有效手段。合成產(chǎn)品的XRD衍射數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，合成樣品的XRD衍射圖如圖1所示。

表2 合成樣品XRD衍射數(shù)據(jù)

圖1 合成樣品的XRD衍射圖

由表2可以看出，在此條件下合成的超微A型分子篩的衍射數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)A型分子篩的X衍射數(shù)據(jù)吻合較好。由圖1可以看出，其波峰數(shù)目多，衍射強(qiáng)度明顯，且與標(biāo)準(zhǔn)A型分子篩的衍射特征峰數(shù)值相接近，說(shuō)明沒(méi)有雜晶出現(xiàn)，因此可知該合成樣品是純度很高的A型分子篩。

2.2 SEM觀察形貌

采用SEM對(duì)試驗(yàn)所制得樣品進(jìn)行形貌和粒度分析，合成樣品分別放大了5000倍和10000倍的SEM圖片如圖2和圖3所示。

圖2 合成樣品的5000倍SEM圖片

圖3 合成樣品的10000倍SEM圖片

由圖中2和圖3可以看出，合成分子篩晶體形貌規(guī)整，是規(guī)則的正四方體，粒度均勻且粒徑遠(yuǎn)小于1 μm，達(dá)到了超微尺度。

2.3 吸附試驗(yàn)表征

2.3.1 吸附等溫線

準(zhǔn)確稱取0.1 g的超微4A分子篩，另外各配制100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L和300 mg/L的鈣離子溶液。將稱取的分子篩分別加入5種溶液中，每種溶液各取50 mL，常溫下靜態(tài)吸附1 h，用EDTA溶液滴定，滴定消耗的EDTA溶液見(jiàn)表3。

表3 滴定消耗的EDTA溶液

固體自溶液中對(duì)溶質(zhì)的吸附量，可根據(jù)吸附前后溶液濃度的變化來(lái)計(jì)算，見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：qt——單位質(zhì)量的吸附劑在溶液平衡濃度為c時(shí)的平衡吸附量,mg/mg；

m——吸附劑的質(zhì)量，g；

V——溶液的體積，mL；

c0、c——分別是溶液的配制濃度和吸附平衡后的濃度, mg/L。

而對(duì)于吸附平衡的數(shù)據(jù)，從不同的角度出發(fā)提出了各種不同的模型，并得到吸附等溫方程以描述恒溫下的吸附過(guò)程。常用的吸附平衡模型有線性平衡模型、Langmuir模型、Freundlich模型等。本次采用Langmuir模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其方程見(jiàn)式(4)：

(4)

式中：qe——單位分子層飽和吸附量，mg/mg；

b——吸附量系數(shù)，它不僅與溶液的性質(zhì)有關(guān)，還與溶劑的性質(zhì)有關(guān)。

對(duì)上述Langmuir方程進(jìn)行處理可得式(5)：

(5)

式中：qe——單位分子層飽和吸附量，mg/mg。

表4 吸附等溫線相關(guān)數(shù)據(jù)

圖的線性擬合

由擬合曲線得出吸附等溫線方程見(jiàn)式(6)：

(6)

分子篩吸附鈣離子的Langmuir方程為見(jiàn)式(7)：

(7)

2.3.2 分子篩吸附動(dòng)力學(xué)

為了考察分子篩對(duì)鈣離子的交換吸附速率，進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。吸附動(dòng)力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 吸附動(dòng)力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)

圖的關(guān)系曲線

(8)

計(jì)算可得單位分子層飽和吸附量qe=0.0573 mg/mg。

3 結(jié)論

本研究采用分步溶出硅鋁法，利用渭北礦區(qū)煤矸石制備超微4A分子篩，并通過(guò)鈣離子吸附試驗(yàn)研究了該分子篩的吸附性能及其理論模型，得到如下結(jié)論：

(1)采用的分步溶出硅鋁法制備超微4A分子篩時(shí)，加入導(dǎo)向劑和檸檬酸能極大提高產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)產(chǎn)品表征，在加入檸檬酸∶Al2O3(摩爾比)為1、導(dǎo)向劑為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以及晶化時(shí)間控制在60 min時(shí)得到產(chǎn)品為最優(yōu)；

(4)煤矸石通過(guò)兩步溶出法制備出了超微4A分子篩，相對(duì)于利用化工原料制備分子篩，增加了煤矸石的附加價(jià)值，達(dá)到變廢為寶的效果，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保低碳的要求。