工业氢氧化铝废渣合成4A沸石实验研究-麦立强

1999-10-13收稿,1999-11-20改回。第一作者简介:麦立强(1976-),男,河南周口人,硕士研究生,无机非金属材料专业。第20卷第1期桂林工学院学报Vol.20No.12000年1月JOURNALOFGUILININSTITUTEOFTECHNOLOGYJan.2000文章编号1006-544X(2000)01-0053-04工业氢氧化铝废渣合成4A沸石实验研究麦立强邹正光(桂林工学院材料工程系,广西桂林541004)摘要采用工业氢氧化铝废渣和水玻璃为原料,直接合成4A沸石。研究了原料配比、晶化温度和晶化时间对产品性能的影响,探索了4A沸石的合成机理。结果表明,最佳合成条件为n(SiO2)/n(Al2O3)=2.1～2.9,晶化温度为100℃,晶化时间为3h,产品钙交换量为w(CaCO3)30.2%(干),粒度≤4μm(>90%),白度为91%,pH<10.9,质量超过我国轻工部日化原字第152号(87)关于合成4A沸石质量的参考标准。关键词氢氧化铝废渣;4A沸石;合成机理中图分类号P578.974;O611.4文献标识码A由于三聚磷酸钠中的残磷易引起环境污染,世界各国先后开始研究磷酸钠的代用品[1,2],目前成本便宜且实用的代用品是4A沸石[3,4]。生产合成4A沸石的方法很多[2,5],但以工业氢氧化铝废渣为原料合成4A沸石未见报道,本文采用工业氢氧化铝废渣和工业水玻璃直接合成4A沸石,变废为宝,经济有效,操作可行。1实验部分1.1实验原料氢氧化钠(分析纯);水玻璃(工业品);Al(OH)3(氢氧化铝废渣,亦可用工业Al(OH)3)。1.24A沸石的合成将工业水玻璃按一定比例加水稀释,静置一定时间使杂质沉降,取上层清液。加热一定浓度的氢氧化钠溶液,搅拌下慢慢加入Al(OH)3,完全溶解后,停止加热,冷却、静置,取清液(偏铝酸钠溶液)备用。将上述2种清液分别在30～50℃预热,不断搅拌下使其胶化合成,得白色凝胶体,然后再升温至100℃左右进行搅拌晶化,3h左右晶化完成。经滤洗、烘干,即可得到白色粉状的4A沸石,其合成过程见图1。1.3表征与测试用日本理光Rigaku3015型(Cukα1)X射线衍射仪测定实验产品的物相与结构(走纸速度为1.5cm/min,扫描速度为2°/min);用浙江温州仪器厂生产的SBD-1B型数字白度仪测定产品白度;用OMECLSPOP(Ⅲ)激光粒度分析仪测定产品的粒度;钙交换量的测定采用轻工部日化所公布的方法[2]。2结果与讨论2.1合成机理4A沸石的结构是以铝硅酸盐阴离子骨架为主体,因而沸石的合成过程就是其阴离子骨架形成的过程,可表示为:NaAlO2+H2ONa++AlOHOHHOOH-NamSiO(4+m)/2+4+m2H2OmNa++(HO)4-mSiOmm-(m=1～4)在水溶液中偏铝酸钠和硅酸钠的阴离子都是以水合状态存在的。这些水合阴离子互相接触时则发生缩聚反应而生成各种铝硅酸盐阴离子。如:SiOHOHHOOH2-+AlOHOHHOOH-SiOOHOOAlOHOHOH3-+H2O图1合成4A沸石的流程示意图Fig.1Processchartofsynthesizing4Azeolite所以当一定比例的偏铝酸钠和水玻璃在pH值相当高的水溶液中进行反应时,能迅速发生聚合而形成碱性铝硅酸盐凝胶。这种凝胶在一定的温度和相应的饱和水蒸气压下受到介质中OH-的催化发生解聚,形成了4A沸石所需的结构单元(四元环、八元环、六元环)。这些多元环包围着水合阳离子,在晶化过程中它们进行重排而形成4A沸石晶核的多面体。多面体相互结合形成了有序的晶体结构,再进一步成长为4A沸石晶体。2.2物相与结构实验产品的XRD分析结果见图2,波峰数目较多且尖锐,具有A型沸石的一般特征,与文献[6]提供的标准4A沸石能很好吻合(表1)。与文献值相比,本产品对应的衍射峰d值略有增大,说明晶胞有所扩张,其原因可能是由于Al—O的键长(0.175nm)显著大于Si—O(0.165nm),铝占据了沸石结构中一般由硅占据的位置而导致晶胞体积扩张。表1实验产品与标准4A沸石X衍射主要数据对照表Table1MainXRDdataofsampleandstandard4Azeolite2θ/(°)I·I-1o/%d/A标准4A沸石实验产品7.1810012.2912.3010.20698.718.7312.42357.117.1221.60364.1074.1123.90533.7143.7224.34473.2933.3029.86552.9872.992.3影响合成的因素及最佳条件的确定分析测定产品的白度、粒度、钙交换量等性能指标,按表2所示的标准将产品定级(各项指标均达标,但有1项或多项刚达到临界标准定为“合格”;各项指标