不同原料配比粉煤灰合成A 型分子篩的研究

涂 平，李 娟，王 駿，王良波，黃禮麗，易 分

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646300）

粉煤灰來自于燃煤電廠煤炭燃燒后的產(chǎn)物，是一種固體廢棄物。粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，其他成分為Fe2O3、Na2O、K2O、MgO、SO3、CaO 等。分子篩化學(xué)組成經(jīng)驗(yàn)式通式（M2nO·Al2O3·xSiO2·yH2O）[1]，其中，SiO2和Al2O3的摩爾比成為硅鋁比。本文以粉煤灰為主要原料合成A 型分子篩，研究不同原料配比對(duì)合成A 型分子篩的影響，原料配比為硅鋁比、鈉硅比、氫氧化鈉濃度。

1 A 型分子篩的合成

用到的合成方法是水熱合成法。第一步取一定量的粉煤灰，加入到氫氧化鈉溶液中，在設(shè)定的溫度下溶解，溶解后加入一定量的鋁酸鈉溶解，將配置好的溶液置于不銹鋼水熱合成反應(yīng)釜中，放入一定溫度的烘箱中先進(jìn)行預(yù)晶化，再進(jìn)行晶化一段時(shí)間，最后取樣、抽濾、洗滌、烘干得到合成的A 型分子篩產(chǎn)物。在反應(yīng)體系中，通過分別改變粉煤灰、鋁酸鈉、氫氧化鈉和水的量來實(shí)現(xiàn)硅鋁比、鈉硅比、氫氧化鈉濃度的控制。粉煤灰由燃煤熱電廠提供，其主要成分見表1。

表1 粉煤灰化學(xué)成分分析結(jié)果%

2 A 型分子篩的表征分析

X 射線衍射表征（XRD）實(shí)驗(yàn)條件：Cu 靶，Kα 輻射（λ=0.151 84 nm），管電壓40 kV，管電流30 mA，掃描范圍5°～50°（2θ），掃描速度：5°/min。4A 型分子篩標(biāo)準(zhǔn)樣品為商品分子篩，結(jié)晶度為100%，選取的8 個(gè)特征衍射峰分別為（200）、（220）、（222）、（442）、（622）、（642）、（820）和（664），這8 個(gè)特征衍射峰對(duì)應(yīng)的 2θ 值分別為：7.263°、10.245°、12.538°、21.744°、24.063°、27.192°、30.017°和34.255°。相對(duì)結(jié)晶度的計(jì)算公式見式（1）。

式中：Xc為合成產(chǎn)物的相對(duì)結(jié)晶度，%；X0為4A 型分子篩標(biāo)樣的結(jié)晶度，%；Ic為合成產(chǎn)物某晶面（hkl）的衍射強(qiáng)度；I0為4A 型分子篩標(biāo)樣某晶面（hkl）的衍射強(qiáng)度[2]。

3 硅鋁比的影響

合成的晶化溫度為100℃，晶化時(shí)間為12 h，鈉硅比為2.5，氫氧化鈉濃度為0.66 mol/L。通過設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，硅鋁比分別為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 和2.4，并分別計(jì)算其合成產(chǎn)物的相對(duì)結(jié)晶度[3]。相對(duì)結(jié)晶度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同硅鋁比條件下結(jié)晶度測(cè)定結(jié)果

同時(shí)，硅鋁比在1.4 到2.4 范圍內(nèi)，對(duì)比合成A 型分子篩產(chǎn)物和標(biāo)準(zhǔn)4A 分子篩的XRD 圖譜，衍射峰的符合度都很高，峰形均規(guī)則、尖銳，見圖1。

圖1 4A 商品分子篩與實(shí)驗(yàn)室合成分子篩的XRD 對(duì)比圖譜

4 鈉硅比對(duì)結(jié)晶度的影響

合成的晶化溫度為100℃，晶化時(shí)間為12 h，硅鋁比為2，氫氧化鈉濃度為0.66 mol/L。通過設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，鈉硅質(zhì)量比分別為0.8、1.2、1.6、2.0、2.5 和3.0，并分別計(jì)算其相對(duì)結(jié)晶度。相對(duì)結(jié)晶度計(jì)算結(jié)果見第29 頁表3，第29 頁圖2 為對(duì)應(yīng)合成產(chǎn)物的XRD 圖譜。

圖2 不同鈉硅比的XRD 圖譜

表3 不同鈉硅比條件下結(jié)晶度測(cè)定結(jié)果

分析XRD 圖譜得出，在鈉硅比較低時(shí)，A 型分子篩的衍射峰強(qiáng)度較低，隨著鈉硅比的增加，A 型分子篩的衍射峰峰形變得規(guī)則、尖銳并且峰的強(qiáng)度也較高。

5 氫氧化鈉濃度對(duì)結(jié)晶度的影響

合成的晶化溫度為100℃，晶化時(shí)間為12 h，硅鋁比為2，鈉硅比為2.5。通過設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，氫氧化鈉濃度分別為2.5、1.46、0.81、0.66 和0.46 mol/L，并分別計(jì)算其相對(duì)結(jié)晶度。相對(duì)結(jié)晶度計(jì)算結(jié)果見表4。圖3 為對(duì)應(yīng)合成產(chǎn)物的XRD 圖譜。

表4 不同氫氧化鈉濃度條件下相對(duì)結(jié)晶度測(cè)定結(jié)果

由圖3 可知，隨著氫氧化鈉濃度增加，衍射峰的峰形逐漸變得尖銳、規(guī)則并且強(qiáng)度較高。當(dāng)氫氧化鈉的濃度超過0.81 mol/L 時(shí)，結(jié)晶度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，是因?yàn)樵诔^此濃度時(shí)出現(xiàn)了P 型分子篩的衍射峰。

圖3 不同氫氧化鈉濃度條件下的XRD 圖譜

6 結(jié)論

本文以粉煤灰為原料合成A 型分子篩，并研究分析了不同原料比情況下的結(jié)果。硅鋁質(zhì)量比在1.4到2.4 范圍內(nèi)，對(duì)比合成A 型分子篩產(chǎn)物和標(biāo)準(zhǔn)4A分子篩的XRD 圖譜，衍射峰的符合度都很高，峰形均規(guī)則、尖銳，硅鋁質(zhì)量比對(duì)合成反應(yīng)的影響不大；鈉硅比在0.8 到2.5 范圍內(nèi)，隨著比例增高，合成A 型分子篩產(chǎn)物的衍射峰峰形變得規(guī)則、尖銳，衍射峰峰強(qiáng)度也較高；氫氧化鈉濃度在0.46 mol/L 到2.50 mol/L氛圍內(nèi)，隨著濃度的增高，合成A 型分子篩產(chǎn)物的XRD 衍射峰變得尖銳、規(guī)則。當(dāng)氫氧化鈉濃度超過0.81 mol/L 時(shí)，出現(xiàn)了P 型分子篩的衍射峰，導(dǎo)致產(chǎn)物的結(jié)晶度下降。綜合來看，本文最優(yōu)的原料配比：硅鋁質(zhì)量比為2，鈉硅質(zhì)量比2.5，氫氧化鈉濃度0.66 moL/L。