煤矸石制备NaA分子筛的改性及其吸附机理研究

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煤矸石是各个矿区在生产作业中所伴生的一种固体废弃物,近年来由于大量堆积导致严重的自然环境灾害,引起了人们的广泛关注。虽然目前对煤矸石的综合利用案例也很多,但是大部分利用方式都很简单,经济效益低下,人工成本较高,所以并没有从根源上解决问题。煤矸石的主要成分为Al2O3和Si O2,这些也是制备分子筛的原材料,所以本文就以煤矸石为主要原料,通过水热法一步合成出高附加值的化工产品分子筛,通过碱溶和超声的方法对其进行改性处理,最终制备出了一种多级孔道结构的NaA型分子筛,并通过SEM,TEM,XRD,BET等表征手段对其微观形貌、晶体结构,物相组成、比表面积等进行了详细的分析。最后,分别对未改性和改性分子筛进行了吸附实验测试,初步探索了其吸附机理。(1)本文以煤矸石为原料,通过水热法合成出了粒径在2μm左右,分布均匀的NaA型分子筛。通过XRD和SEM系统地研究了n(Na2O)/n(Si O2)(0.5-3.5),n(H2O)/n(Na2O)(20-50),晶化时间(1-4 h)和晶化温度(70-100°C)对样品物相组成和形貌的影响,确定了最优的合成参数。对所制备样品进行了FT-IR和BET测试,研究了所制备NaA型分子筛的骨架结构和比表面积,对合成机理进行了初步的探索。(2)以煤矸石为原料制备的NaA型分子筛,比表面积和孔容较小,吸附能力较差,所以选择用碱溶液和超声联合使用的物理-化学法改性已制备的分子筛。研究表明,改性后分子筛的骨架结构并没有发生改变。系统探究了改性参数如碱溶液浓度(0-5.0 mol/L),碱溶液处理时间(0.5-6 h),碱溶液处理温度(70-100°C)和超声处理时间(0-60 min)对改性后分子筛的物相组成、微观形貌和吸附性能的影响。与未改性的分子筛(64.28 m2/g)相比,改性后分子筛(162.29 m2/g)的比表面积显著增加。从吸附实验上来看,改性分子筛对Cu2+和罗丹明B(Rh-B)的去除效率已大大提高至83.5%和95.1%。分别对改性前后的分子筛进行了TEM等测试以探究其改性机理,研究发现,改性处理使得部分的Al-OH键和Si-OH键被腐蚀,分子筛中部分结构发生脱落,从而形成了多级的孔道结构,增大了比表面积和孔容。(3)本文对改性前后的分子筛进行了吸附实验,选择了重金属离子Cu2+和有机大分子罗丹明(Rh-B)作为吸附质,系统探究了初始溶液浓度(Cu2+:10-400 mg/L,Rh-B:2-14 mg/L),吸附时间(Cu2+:0-1 h,Rh-B:0-1 h)和吸附剂用量(Cu2+:0-4 g/L,Rh-B:0-4 g/L)对分子筛吸附能力的影响。通过吸附实验数据拟合出了吸附等温线,并通过最佳拟合相关系数(R2)来判断吸附过程符合Langmuir吸附等温线,通过对吸附动力学和吸附热力学的研究,发现改性分子筛对Cu2+和Rh-B的吸附为物理吸附,整个吸附过程为自发的吸热反应。
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