粉煤灰合成高硅沸石催化剂及其净化煤化工废水的研究

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本文以粉煤灰为原料,通过研磨、筛分、煅烧(碱熔融)、酸浸等处理后获得适于HZSM-5合成的物料。随后以化学试剂为原料,探讨了晶化温度,反应时间,模板剂有无、种类以及用量,pH以及硅铝摩尔比等因素对目标沸石合成的影响。然后,利用粉煤灰成功合成了HZSM-5分子筛。依据不同条件下合成的HZSM-5对有机物的吸附数据,采用主成分分析方法确定了较佳的催化剂载体,采用沉淀/煅烧法制备了Cu/HZSM-5催化剂,并采用苯酚、喹啉以及吲哚模拟焦化废水,利用实验方法考察了铜的最佳负载量,实验研究了难降解有机物的催化净化规律。最后利用较佳的催化剂处理了实际煤化工废水。主要结论如下:较高的酸溶温度可促进粉煤灰杂质的去除效果,且有利于提升其硅铝比;碱熔融可以破坏粉煤灰中石英和莫来石的晶体结构,显著提高其酸洗产物的硅铝比。化学试剂合成HZSM-5沸石的研究表明,较低的模板剂含量和碱度以及较高的晶化温度、较长的晶化时间都有利于HZSM-5的生长。HZSM-5最佳合成条件为:溶液pH约11,水热温度180℃,晶化48 h,模板剂用量n(TPABr)/n(SiO2)=0.1。在上述条件下,粉末X-射线衍射(PXRD)证明粉煤灰合成产物为HZSM-5。扫描电镜(SEM)显示该沸石为六棱柱。红外分析(FTIR)显示其具有典型的HZSM-5骨架结构。热分析(DSC/TG)结果表明该粉煤灰合成HZSM-5具有良好的热稳定性。比表面积(BET)分析结果证明该沸石具有较大的比表面积。HZSM-5的吸附实验表明其对水溶液中的喹啉、吲哚和苯酚具有较强的吸附能力,依次为喹啉>吲哚>苯酚。吸附数据的主成分分析表明,当Na2CO3与粉煤灰质量比为1.2时熔融粉煤灰合成的HZSM-5具有较佳的综合性能,其制备的Cu/HZSM-5催化剂有明显的CuO的衍射,其衍射强度随负载量增加而加大,但比表面积逐步下降。在氧气和加热条件(温度范围80200℃)下,液相色谱分析表明Cu/HZSM-5催化剂可以破坏苯酚、喹啉和吲哚的分子结构。液相色谱和COD分析表明,负载10%的Cu/HZSM-5具有较佳的净化效果。延长反应时间、增大固液比、降低有机物浓度以及适当降低反应温度均有利于有机物的净化。该催化剂对含盐量超过50 g/L的实际煤化工废水净化率约50%。综上,本研究可为我国粉煤灰资源化利用以及难降解废水处理提供有益借鉴作用。
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