國外利用粉煤灰合成沸石的研究現(xiàn)狀

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1、Ξ國外利用粉煤灰合成沸石的研究現(xiàn)狀王華宋存義張強(北京科技大學資源工程學院環(huán)工系,北京100083)摘要:對國外利用粉煤灰合成沸石型礦物材料的研究現(xiàn)狀從幾個方面進行了綜合評述。這些方面包括原料組成、堿加入量、溫度對合成沸石的影響;沸石相在粉煤灰顆料中的形成過程和機理;合成物質(zhì)的處理或非處理工序?qū)铣煞惺挠绊?以及合成沸石在環(huán)保方面的應用等。關(guān)鍵詞:粉煤灰;合成;沸石;環(huán)保中圖分類號:TQ536.4文獻標識碼:A沸石是含水的架狀鋁硅酸鹽礦物,由SiO2和AlO4四面體的在維格架組成,為開放結(jié)構(gòu),而且還有被水分子充填的大的孔穴,這些孔穴可能在一、二、三個方

2、向上相互連通,因此,在脫水后,沸石晶體便具有一、二或三個方向的通道系統(tǒng)。電荷補償所需要的金屬離子占據(jù)著通道或毗連孔穴的位置,這些位置通常有利于被其他陽離子交換。因而,沸石具有離子交換性和吸附分離性(例如選擇性吸附性能)等。絕大多數(shù)天然沸石由火山玻璃灰和巖層中含有的堿性溶液反應形成。在自然條件下,由于溫度、壓力較低,且土壤溶液略帶堿性,沸石的生成速度緩慢,而人工合成的速度則大大加快,這方面的工作最早是由Barrer1等人進行的。沸石的人工合成方法有很多類型2,最常用的是水熱合成法。反應物包括活性氧化物、可溶性硅酸鹽、可溶性鋁酸鹽、氫氧化物、高嶺土、亞高嶺土

3、、煅燒高嶺土、酸處理的粘土、膨潤土、火山玻璃、煤矸石等。出于節(jié)省能源和環(huán)保的目的,利用廢棄資源合成沸石的工作從80年代中期開始進行,相應的原料類型包括粉煤灰、造紙行業(yè)的含硅廢棄物、谷物燒灰、高堿性廢棄物料流等。在利用粉煤灰合成沸石方面,國內(nèi)研究很少。有文獻報道天津紅衛(wèi)化學廠利用粉煤灰合成A型沸石分子篩,在1998年的一份專利文獻中也有類似的資料,但迄今尚未有理論性的研究報道。相比之下,國外的研究開展的較早,工作也較為細致。根據(jù)檢索的文獻資料,國外利用粉煤灰合成沸石型礦物材料的研究狀況包括以下幾個方面。1不同反應物質(zhì)及不同反應條件對合成產(chǎn)物的影響美國學者J

4、udith3研究了粉煤灰與堿金屬-氫氧化物的溶液體系,證明在溫度與水固比一定的條件下,由于堿性物質(zhì)不同、濃度不同,合成產(chǎn)物也不同。Judith試驗用粉煤灰為F級,主要組成為SiO253.2%;Al2O326.0%。XRD確定的主要礦相為玻璃相,還含有少量的石英、莫來石和少量的石墨。Judith采用Yoshida和Incuce4等人提出的方法,將2.8M的堿金屬氫氧化物溶液按溶液與粉煤灰比值(W/S)為2.5混合,混合物在密封的塑料瓶內(nèi)于室溫下反應2d,然后在80℃條件下反應6d。XRD的結(jié)果表明,在粉煤灰與鈉氫氧化物溶液體系當中,可形成Na-P型沸石Ξ收

5、稿日期:2000-04-05·1··綜述·IM&P化工礦物與加工2000年第7期(Na3Al3Si3O16·6H2O)、Y型沸石(Na2.06Al2Si3.8O11.63·8H2O)以及拜爾體(Al(OH)3)。在大多數(shù)情況下,還可觀察到未反應的粉煤灰;當采用KOH溶液與粉煤灰顆粒反應時,則不會形成沸石相,這表明在采用F級粉煤灰合成沸石復合相時,NaOH溶液比KOH溶液更為有效。Judith還研究了粉煤灰與堿-氫氧化物溶液體系加入水泥后合成沸石的情況,證明在混合的水泥料漿中,會出現(xiàn)幾種沸石相,包括Na-P型沸石、菱沸石(Ca2Al4Si8O24·12H2

6、O)和Y型沸石。當NaOH濃度為5M、W/S為0.8、養(yǎng)護溫度為78～90℃時,利于Na-P型沸石的形成;菱沸石的形成最佳條件為:粉煤灰的含量為65%～80%,NaOH濃度為5M,養(yǎng)護溫度為60～90℃。Y型沸石出現(xiàn)于養(yǎng)護溫度較低的樣品中,對含粉煤灰80%的樣品,Y型沸石的形成條件為W/S為0.4,NaOH濃度為2.8M;對含粉煤灰65%的樣品,Y型沸石形成條件為W/S=0.4,NaOH濃度為5M。粉煤灰作為一種微球狀的集合體,微球主要含Si、Al,其次還含有少量的Fe、Na、K、Ca、P、Ti、S,鐵的氧化礦物有赤鐵礦和磁鐵礦。在一些粉煤灰中,鐵的含量

7、很高,Xavier等人5研究了鐵成份對粉煤灰合成沸石的影響。他們選取了西班牙的Terul發(fā)電廠的粉煤灰,這種粉煤灰由直徑1-100μm的漂珠構(gòu)成,硅鋁玻璃相為主要成份,其次還含有結(jié)晶礦物石英、莫來石、赤鐵礦及石灰。其主要化學組成為SiO245.4%,Al2O324.9%,Fe2O316.9%。Terul粉煤灰的主要特征是Fe的含量比較高,而Ca的含量比較低(5.5%),SiO2/Al2O3比值為1.8,位于合成沸石的范圍之內(nèi)(1.6～2.6)。合成沸石礦物的形成受制于原材料當中的Si/Al比值。Terul發(fā)電廠的粉煤灰的高鋁含量適合于合成低硅的沸石,而這

8、種沸石因具有很高的離子交換能力和高的選擇性而作為極性分子篩使用6。Xavier采