用粉煤灰制备分子筛

南京理工大学

粉煤灰制备沸石分子筛

姓名：

学号：

专业：环境工程

院系：环境与生物工程学院

2011年10月

粉煤灰制备沸石分子筛

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摘要本文前人资料文献的基础上，对粉煤灰制备沸石分子筛做了一个比较全面的、综述性的介绍，其内容主要包括粉煤灰的来源、组成以及特性，粉煤灰制备沸石分子筛的方法，主要影响因素以及前景。关键字粉煤灰；沸石分子筛；制备；方法；应用；前景Synthesis of Zeolite from Coal Fly Ash

Junping Wen

Abstract This paper on the basis of predecessors' information and literature of fly ash,introduces the synthesis of zeolite from coal fly ash, the content mainly includes the source, composition and characteristics of fly ash, and the methods ,main influence factors and prospects of synthesis of zeolite from coal fly ash.

Key words flyash; zeolite; application; methods; prospect

0 引言

粉煤灰是煤灰燃烧后，由烟气从锅炉中带出来的粉状残留物，是一种人工火山灰质材料，其自身具有微弱的胶凝值（或不具有胶凝值），但当它以粉状及有水存在时能在常温下与氢氧化钙反应形成胶凝性化合物。中国是煤炭资源的消耗大国，70%的煤炭用于火力发电，不可避免地产生大量粉煤灰，火力发电厂排放粉煤灰主要包括从烟筒排向天空的飞灰、除尘器中排出的细灰和燃烧炉中排出的灰渣。粉煤

灰会严重污染环境,给人们的生活、动植物的生长等造成严重的危害。粉煤灰弃之为废,用之为宝,它是一种潜在的第三资源。

1 粉煤灰的性质

1.1 粉煤灰的物理特性

在显微镜下观察,粉煤灰所含成分主要有:

玻璃球体物质:20%～80%(在炉温1200～1450℃时,烟煤燃烧后的粉煤灰中含有玻璃球体,无烟煤粉煤灰中未发现);

磁铁矿(Fe3O4):6%～16%;

碳粒子:3%～4%;

片状结晶物:4%～6%(为莫来石、石英、方解石、钙长石等)。1.2 粉煤灰的化学特性

大部分粉煤灰中所含的化学成分主要有二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钙(CaO)、硫化铁(FeS)等等。个别地区的粉煤灰中还含有锗、镉、汞、铬、钒、砷、铅、磷、锰、硼、铀等成分。粉煤灰中氧化硅与氧化铝的总量一般在60%以上,这是粉煤灰的主要化学组成成分,也是粉煤灰活性的主要成分。

2 粉煤灰合成沸石分子筛

粉煤灰就其自身经济价值而言,每吨粉煤灰的售价约为几十元,但合成沸石后其售价即可达到数百元,甚至上千元。沸石是一种水合铝硅

酸盐晶体,具有空旷的骨架结构,结构中有很多孔径均匀的孔道

和排列整齐的空穴。合成沸石的这种结构使其具有独特的吸附性、对不同大小分子的过滤性和阴离子交换性，因此,合成沸石可以用作分子筛、催化剂载体和洗涤助剂等。但由于产量小,限制了它在工业上的应用,而利用纯化学原料合成则又价格昂贵。粉煤灰中含有合成

分子筛的主要原料SiO2和Al2O3,如用粉煤灰代替纯化学原料来合成沸石分子筛,不仅可以节约化学原料,还能变废为宝,用粉煤灰合成沸石分子筛的研究,从Holler和W risching开始至今已有近20年的历史了,许多科学工作者采用不同的工艺方法进行制备分子筛的研究,推动了用粉煤灰制取分子筛研究的发展

3 粉煤灰合成沸石的方法

3.1 传统的水热合成法

粉煤灰水热合成沸石的一般工艺为:粉煤灰→焙烧(815℃)→NaOH水热处理(90～100℃)→结晶→静置(10～16h)→加入Na2SiO3→过滤→滤液→洗涤→烘干→沸石产品。用NaOH或KOH作为活化剂,配成适当浓度的水溶液,将一定体积碱溶液和一定质量粉煤灰混合均匀,在一定温度条件下老化一段时间,适当温度范围内晶化,然后将溶液过滤,用去离子水洗涤固体(至滤液的pH值约为10),在100℃下进行烘干,即为沸石产品。Steenbruggen等在水热条件下合成了Na2P1沸石,并通过批量实验和吸附柱实验发现其对Ba2+和

Cu2 +等重金属离子具有很好的吸附性;Inada等利用传统的水热合成

法合成了Na2P1(Na6Al6Si10O32·12H2O)型沸石,这种沸石由于晶体内含有两种不同大小的孔径,因此离子交换性能、吸附性能均较好;Molina 等合成了A型和X型沸石,A型沸石因为骨架结构中含有较多的Al离子,所以具有一定的离子交换性能,但A型沸石不稳定容易转化为稳定的X型沸石,X型沸石具有大的孔径和特殊的表面积,使其在离子交换反应中显示出良好的性能。

一步法是目前应用较多的传统合成方法,需要老化时间长,反应温度高,能源消耗大,并且仍有大量的石英和莫来石不能溶解,生成的沸石还伴有副产物生成,影响产品沸石的离子交换性能。

3.2 两步合成法

Hollman等将传统的一步合成法改进为两步合成法。首先将粉煤灰与NaOH溶液(浓度2mol/L)按一定比例混合,水热反应(温度90℃)一段时间(6h),停止反应,将反应物过滤分离出滤液和固体混合物,

用分光光度计分析滤液中Si4+的浓度,向溶液中添加钠铝盐,调节Si/Al物质的量比在0.8～2.0之间,使溶液在90℃继续进行水热反应48h,过滤干燥可得到纯度高达99%的沸石晶体,而将新的滤出液和原来的固体滤出物按一定比例混合采用传统的水热合成法进行反应来制取沸石晶体。两步合成法可以得到纯度很高的Na2P1,Na2X以及Na2A 等沸石晶体。但其缺点是反应过程工作量较大,并且需要消耗一定量的硅铝盐,生产成本加大。

3.3 微波辅助合成法

微波合成法是将微波加热代替传统的油浴和电热加热方式,反应