高嶺土的低聚態(tài)處理及其應(yīng)用——沸石與氣凝膠的高嶺土合成及表征.pdf

1、所謂高嶺土是一種以高嶺石族粘土礦物為主的非金屬礦產(chǎn)，它廣泛應(yīng)用于造紙、陶瓷、耐火材料、醫(yī)藥、化工，尤其是石油化工等領(lǐng)域。高嶺石是地表最常見(jiàn)的粘土礦物之一，其理想化學(xué)式為Al4[Si4O10](OH)8，晶體結(jié)構(gòu)是由鋁氧二八面體層(O)和硅氧四面體層(T）按TO1∶1排列而成，因氧、硅、鋁的豐度位于地殼的前三位，因此是廉價(jià)合成鋁硅酸鹽沸石的理想礦物原料。但是晶態(tài)的高嶺石具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，無(wú)法直接用于沸石合成。所以傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝在高嶺土

2、精礦用于合成沸石之前必須經(jīng)700～900℃高溫煅燒，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)定形的偏高嶺土，以消除高嶺土的化學(xué)穩(wěn)定性。但是煅燒工藝需要消耗大量燃料，能耗高、污染重，與低碳經(jīng)濟(jì)和綠色環(huán)保的趨勢(shì)背道而馳。此外，高嶺土精礦中所殘存的雜質(zhì)礦物，如石英和云母，會(huì)嚴(yán)重影響沸石的產(chǎn)品質(zhì)量。本文旨在開(kāi)發(fā)一種新的高嶺土活化新工藝，對(duì)高嶺土進(jìn)行低聚化處理，將高嶺土轉(zhuǎn)化為不依賴(lài)于原料的活性硅鋁低聚態(tài)物質(zhì)，并應(yīng)用于合成沸石等鋁硅酸鹽產(chǎn)品。
　　從本質(zhì)上講，煅燒活化高

3、嶺土是將高嶺石中六配位的AlⅥ部分歧化反應(yīng)為五配位AlⅤ和四配位的AlⅣ。AlⅤ和AlⅣ具有更高的反應(yīng)活性，AlⅤ和AlⅣ可以通過(guò)H+的攻擊斷裂Al-O-Si鍵轉(zhuǎn)化為高活性Al3+并脫離原聚集態(tài)。本論文發(fā)明了一種低溫(160～240℃)堿熱活化處理方法，可將高嶺石中AlⅥ全部轉(zhuǎn)化為AlⅣ，再進(jìn)行酸性解聚，并通過(guò)對(duì)處理?xiàng)l件（體系濃度、溫度和時(shí)間等）的優(yōu)化，得到低聚態(tài)的高嶺土酸解液，并以此為原料合成了各種沸石分子篩。通過(guò)XRD、NMR等分析

4、表證手段對(duì)高嶺土的解聚機(jī)理進(jìn)行了深入的探討。利用該方法合成沸石分子篩無(wú)需煅燒活化高嶺土，大大降低了能耗，并可以去除高嶺土內(nèi)的石英和云母或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為合成原料。此外，該方法獲得的產(chǎn)品較傳統(tǒng)煅燒方法具有均一的粒徑和形貌，更高的白度和離子交換能力。
　　當(dāng)高Si/Al比時(shí)，由于鋁氧四面體[AlO4]被硅氧四面體[SiO4]緊密包圍，高穩(wěn)定性的硅氧四面體[SiO4]阻止了H+對(duì)AlⅣ的攻擊，最終導(dǎo)致后續(xù)酸性解聚反應(yīng)的失敗。本論文對(duì)上述低溫(

5、160～240℃)堿熱活化處理工藝又進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，不僅可將高嶺石中AlⅥ全部轉(zhuǎn)化為AlⅣ，同時(shí)還可避免四配位的鋁氧四面體[AlO4]被硅氧四面體[SiO4]緊密包圍，即避免不溶硅鋁酸鹽在活化過(guò)程中出現(xiàn)，解決了對(duì)高嶺土和石英共存體系低聚化處理中的關(guān)鍵問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化探索實(shí)驗(yàn)條件分別合成了納米級(jí)的Y型沸石、絲光沸石、ZSM-5沸石和SAPO-34沸石等產(chǎn)品，為最終實(shí)現(xiàn)高嶺土原礦直接合成沸石提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　上述高嶺土低

6、聚化處理關(guān)鍵性問(wèn)題的解決，為克服硅、鋁組分對(duì)來(lái)源的依賴(lài)，將高嶺土應(yīng)用于具有高附加值的領(lǐng)域提供了可能，本文首次以高嶺土為原料成功合成出硅鋁氣凝膠。硅鋁氣凝膠材料具有極低的密度和超高的比表面積，是典型的多孔材料，極佳的催化劑載體和保溫材料。高嶺土成分與硅鋁氣凝膠成分相似但是卻無(wú)法作為硅鋁氣凝膠的合成原料。高嶺土經(jīng)過(guò)煅燒后，其中高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)雖然被破壞，但是其中的氧化硅和氧化鋁依然保持高聚態(tài)，只有激烈礦化條件才能完成硅鋁的解離和重排。而高嶺