粉煤灰制备4A沸石分子筛理论研究-赵中霖

粉煤灰制备4A沸石分子筛的理论研究赵仲霖1(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新 123000)摘要：本文对粉煤灰成分的进行了系统分析，对4A沸石分子筛的合成方法、合成途径、合成过程、影响因素及表征方法进行了理论分析，为粉煤灰的综合利用开辟一条新的途径。

关键词：粉煤灰；4A沸石；分子筛Theoretical Study on Synthesis of 4AZeoliteUsing Coal Fly AshZhao Zhong Lin(College of Resource and Environmental Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning, 123000, Chinaa) Abstract：This text carrying on systems analysis to fly ash composition，carrying on theoretical analysis to synthetic method，synthetic route，synthetic process，influence factor and signifying method of 4A zeolite molecular sieve。

Open up a new route for the comprehensive utilization of the fly ash。

Kyewords：fly ash；zeolite 4A；molecular sieve0 引言粉煤灰是煤或煤粉燃烧后的细粒分散状残余物。

我们通常所说的粉煤灰，主要来源于电厂生产所用的煤粉炉以及沸腾炉。

随着经济的飞速发展，煤炭的大量利用，其排放量与日俱增。

我国是世界煤炭消耗量最大的国家，每年消耗标准煤11.07亿吨，排放粉煤灰1.5亿吨，这些固体废弃物的排放对空气、水源等生态环境造成严重污染。

沸石因其具有优良的离子交换、催化和吸附性能，因此常用作吸附剂、干燥剂、洗涤剂和催化剂，广泛应用于石油化工、精细化工、农业、环境保护等领域。

近年来国内外广泛开展了利用粉煤灰合成沸石的研究。

利用粉煤灰合成沸石，国内外学者多采用碱性溶液处理活化粉煤灰的工艺，得到一种或几种沸石及原粉煤灰所含结晶矿物的混合体。

利用廉价的工业废料粉煤灰作为基本原料，可制备出具有优异性能的沸石分子筛。

1 粉煤灰的矿物组成及物化特性粉煤灰是固体物质的细分散相，颜色灰白色至黑色。

在粉煤灰的形成过程中，由于表面张力作用，粉煤灰颗粒大部分为空心微珠；微珠表面凹凸不平，极不均匀，微孔较小；一部分因在熔融状态下互相碰撞而连接，成为表面粗糙、棱角较多的蜂窝状粒子，颗粒粒径集中在10～1000μm 之间。

比重2.1～2.4g/cm3，比表面积0.16～0.35m2/g[1]。

粉煤灰是煤中无机矿物质灼烧后的氧化物和硅酸盐矿物组成的混合物，物相主要是玻璃体，占50%～80%。

主要矿物有莫来石、石英(两者约20%左右)、β—硅酸二钙、方解石、钙长石、磁铁矿、赤铁矿、铝硅酸钙或硅酸钙共占70%左右。

这些矿物在粉煤灰中一般不以单矿物状态存在，而是以多相集合体的形式出现。

尽管粉煤灰为玻璃质，但从炉膛出来的原灰表面有大量的Si-O-Si键，经与水相互作用后，颗粒表面将出现大量的经基，使其具有显著的亲水性、吸附性和表面化学活性。

粉煤灰除几乎不含N外，大量元素的化学组成与士壤具有很多相似之处。

SiO2含量较高，其次是Al2O3和Fe2O3，其含量在粉煤灰中的差异较大。

粉煤灰所含的化学元素是硅、铝、铁、钙，含有多种重金属元素及稀有元素如锡、硒、砷，而所含的铁、锌、铜、铝、硼是植物生长发育所必需的，这些微量元素的含量差异很大，粉煤灰施入土壤能为作物提供一定数量的微量元素。

2 4A沸石分子筛的合成方法合成4A沸石最常用的方法有：水热合成法、非水合成法、蒸汽相合成法、纯固体配料合成法、微波合成法以及清液合成法浏等。

但是以粉煤灰为原料合成4A 沸石，由于材料的特殊性，非水合成法、纯固体配料合成法、清液合成法、蒸汽相合成法等方法不适用，可采用水热晶化法。

水热晶化法通常是沸石合成普遍采用的方法，其基本过程是：将硅源和铝源在碱液中溶解，然后混合形成水凝胶，老化一定时间后，置于高压釜中在适当温度下自升压力晶化而成，再经洗涤焙烧，即得到沸石。

粉煤灰合成沸石，就是利用这些方法将粉煤灰中的大部分硅铝酸玻璃体转化成为沸石，在适当的条件下把惰性物质莫来石、石英活化，也可加以利用。

3 4A沸石分子筛的合成途径4A沸石的合成方法与其他沸石基本类似，由于采用粉煤灰作为合成原料，通常粉煤灰中的玻璃体是主要的，但晶体物质的含量有时也比较高。

主要晶体相物质为莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、铝酸三钙、黄长石、方镁石、石灰等，在所有晶体相物质中莫来石占最大比例。

此外粉煤灰中还含有未燃烧的碳粒，而这些晶体相矿物都是非活性成分，为了提高原料在反应中的活性，采用机械磨细、筛分、高温焙烧、碱熔融处理等方法以增大灰的活性成分，去掉灰中的有机杂质以及铁和碱金属氧化物。

我们可以采用碱熔融法处理粉煤灰原料，使其中的石英等结晶体分解，以利于沸石合成。

采用碱熔融－水热合成法合成4A沸石分子筛，水热体系中，沸石晶体是从溶液中生长的，溶液提供了沸石晶体生长所需的可溶性结构单元，它的理论依据是分子筛合成的液相转化机理。

通过用NaOH等作为活化剂，用水热合成法及碱熔融合成法晶化合成4A沸石分子筛。

采用的技术路线如图1所示。

4 4A沸石分子筛的合成过程、影响因素及表征方法4.1 分子筛的合成过程沸石的合成过程大体包括：(1)粉煤灰单独或与碱混合的预处理。

(2)按一定比例配置反应混合物，老化一定时间。

(3)将反应混合物置于反应容器中，在一定温度下晶化。

(4)晶化结束，经过滤、洗涤、干燥，得到白色沸石晶体粉末。

4.2 合成过程的主要影响因素（1）反应混合物的组成：其中硅铝比和碱度都是影响沸石合成过程及产品质量的主要因素。

硅铝比越高，则晶化速度越慢，产品硅铝比也越高，粒度也越大；碱度越大，则晶化速度越快，而产品的硅铝比也越低，粒度也越小。

由于反应混合物图1 实验的技术路线图Fig.2 Experimental tecthnology flow chart的组成对合成过程及产品质量有很大的影响，所以必须配置均匀的反应混合物。

否则，会由于局部物料的配比改变而产生杂晶甚至导致失败。

为此，若在溶液中进行合成，还需强力搅拌，并需采取适当的投料顺序。

（2）合成过程及条件：在整个分子筛的合成过程中，应力求合成体系具有较好的均匀性。

因此，一定程度的稀释和搅拌，更为有利。

合成条件如导向剂老化时间和加入量、晶化时间、晶化温度等都不同程度影响着合成进程和合成产品的种类、性能。

4.3 分子筛的结构性能表征分子筛的结构、性能表征内容主要包括：分子筛类型、物相、晶胞大小、晶胞组成，孔道的大小和形状、晶体形貌、晶粒大小和粒径分布、结晶度的测定、结构的稳定性和酸性能等。

常用的表征方法有：SEM观察其形貌、颗粒度测定；IR进行结构判断；XRD测定分子筛类型、结晶度；差热分析来判断沸石的热稳定性等。

（1）化学组成及硅铝比的测定采用化学分析法，沸石中的水通常用灼烧失重法测定：SiO2仇含量采用强酸溶解结合重量法测定；氧化铝的测定用过量的EDTA络合并以锌标准溶液反滴定的方法。

（2）扫描电镜电子显微镜是用电子束作为光源。

由于显微镜的分辨本领与光的波长成反比，电子束的波长又很短，所以电子显微镜的分辨本领特别高。

用电子显微镜可进行外观形貌观察，颗粒度的测定和晶体结构分析。

人工合成分子筛的晶粒尺寸一般在100n m～10μm，利用SEM显微技术放大数百至数万倍，可以观察分子筛的晶体外形。

根据晶体外形可以初步判断样品属于何种类型的分子筛。

如果观察到的样品的晶形轮廓清晰，晶体均匀整齐，无杂晶和模糊的胶团，则其纯度或结晶度较高，一般来说其质量也较好。

反之，如果晶体大小不均匀，形状不整齐，有杂晶存在或模糊的胶团存在，则说明样品的纯度或结晶度较低，其质量也较差。

由于此方法操作简便、鉴定速度快，是生产过程中鉴定晶体外形和晶化程度的常用方法。

然而，显微镜法只能粗略的推测沸石分子筛样品的类型，定性地估计产品的结晶度。

因此，要得到更确切的结果，需要和其它表征方法结合使用。

（3）X射线衍射法X射线衍射法是分子筛物相分析的最经典和最重要的方法之一，可以测定分子筛的类型、纯度或结晶度。

不同的分子筛类型有不同的组成和点阵结构，因而具有一组特征的X射线衍射峰。

因此将所测的样品分子筛的衍射峰谱图和标准谱图对照，即可确定样品属于何种类型的分子筛。

测定某种类型沸石的结晶度或纯度，需首先测出该类型沸石标准样品（一般用已知结晶度的工业分子筛）的X射线衍射谱图，从中选出若干个衍射峰，测量其积分峰面积和∑Ii；然后在相同条件下测量样品相应的衍射峰的积分峰面积和∑Im，样品的结晶度可以由下式给出：Pi=∑Ii/∑Im×Pm式中Pi，Pm分别为样品分子筛和工业标样的结晶度；Ii，Im分别为样品分子筛和工业标样的特定衍射峰的积分峰面积。

实际应用中，一般可以只选取最强的衍射峰进行计算[2]。

（4）红外光谱分析红外光谱法测定物质结构具有样品用量少、测定速度快、操作方便等优点。

在分子筛的结构研究中，红外光谱法是不可缺少的重要工具。

借助于这一方法，可以进行很多有关分子筛结构与性能的研究。

如：对分子筛骨架构型的判别、骨架元素组成分析、一些阳离子在分子筛骨架中的分布情况、分子筛表面轻基结构、表面酸性、催化性能以及分子筛中形成的络合物的结构与性能等方面的研究。

沸石分子筛骨架振动谱带的特点是与红外光谱结构分析机理本身密切相关的。

XRD射线结构分析是基于物质结构中长程有序排列，例如在一个单晶中，每个晶胞首尾相接形成一个大晶体，这种长程有序排列的很多晶胞对射到晶体上的X射线产生衍射，从而得到晶胞内各原子的空间坐标及其特征等信息。

但XRD射线结构对长程无序而短程有序的物质却很难应用，如对无定形样品、溶液或气体样品就很难采用XRD射线衍射来进行结构分析。

红外光谱可以很好地进行结构测定，因为它们是基于测定分子中各种化学键的振动一转动能级跃迁频率。

在分子振动过程中，如果引起分子偶极矩的变化，即可产生红外吸收谱带。

因此，红外光谱法测得的谱带可以反映分子中各种键、官能团等的结构特征。

正因为如此，我们在实验中首先通过XRD确定分子筛的物相和大致判断其晶粒度的大小，然后采用KBr压片，在美国Perkin g－Elimer公司傅立叶红外光谱仪上测定其红外光谱，然后根据文献预测4A 沸石分子筛的骨架振动情况及结晶度。