以粉煤灰为原料合成微孔分子筛过程晶粒生长调控

煤炭燃烧与转化过程会产生大量的固体废弃物粉煤灰,其大量排放与堆积已造成严重的环境污染和危害人体健康。粉煤灰中约70%的组成元素为硅和铝,以其为原料制备分子筛可有效提高粉煤灰资源化利用率,降低其合成成本,缓解环保压力,对我国建立资源循环经济发展具有重要意义。本文以工业固体废弃物粉煤灰为原料,经活化除杂后提取其中硅铝组分,通过水热合成法制备低硅铝比微孔NaP型分子筛和方沸石,优化工艺参数,并考察了短链、长链和环状链等不同类型有机空间位阻剂对分子筛生长过程的调控规律,利用对金属离子的吸附能力评价分子筛产品的性能,并初步探究了分子筛吸附过程机理。研究结果如下:(1)在粉煤灰中加入活化助剂进行高温焙烧,有助于提高硅铝元素的提取率。焙烧后粉煤灰酸浸后,可将其中硅铝元素分别浸取,分段调控溶液pH值可将其中铁、钙、镁等杂质除去,粉煤灰中铝元素提取率为80.89%。(2)以提取硅铝组分为原料合成高纯度NaP分子筛条件为:n(H2O)/n(SiO2)为116,反应温度120℃,反应时间8h。适量添加环状空间位阻剂环己醇可有效调控分子筛晶粒大小,且其产率变化较小。当n(Al2O3)/n(环己醇)为1:3时,分子筛产品的晶粒平均尺寸最小达到1.85μm。此时制备的NaP分子筛吸附能力较好,在35℃30min时Zn2+的最大去除率为98.15%,且将分子筛经再生后去除率仍为96.57%。(3)以提取硅铝组分为原料合成方沸石条件为:n(SiO2)/n(Al2O3)为10,晶化温度210℃,晶化时间12h。添加短链有机位阻剂DEA可更有效地降低分子筛粒径,且产物产率变化较小,晶体形貌更规则,有利于获得较大比表面积和孔容的方沸石产品,提高其对K+的离子交换能力,在吸附10min时即可达到K+最大去除量,为56.95mg/L。(4)在分子筛前驱液中添加有机空间位阻剂可有效调控分子筛生长过程。不同结构类型的空间位阻剂对分子筛晶化过程的调控程度也各不相同,且对分子筛类型具有一定选择性。空间位阻剂的加入有助于减小分子筛晶体粒径,提升分子筛产物的金属离子吸附性能,获得比表面积和孔容积较大的分子筛产品。(5)经初步实验探究可知,在吸附过程中,吸附方式包括物理吸附、化学吸附和静电引力吸附。在离子吸附中以物理吸附为主,同时因金属离子所在分子筛骨架位置和分子筛性能的不同,有5%-11%的金属离子通过离子交换方式进行吸附;在离子交换中以化学吸附为主,同时因分子筛不同的比表面积和孔容大小,有6%-13%的金属离子通过物理吸附进入分子筛孔道。