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有机空间位阻剂对NaP分子筛的调控作用
English
Regulation of the crystal growth of NaP zeolite with organic steric hindrance agents
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Key words:
- fly ash
- / steric hindrance regulation
- / NaP zeolite
- / Zn2+
- / adsorption performance
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中国煤炭资源丰富,在其转化利用过程中会产生大量的固体废弃物粉煤灰,据有关部门统计,其累计排放量已达4×109t,严重污染环境和危害人体健康。目前,粉煤灰主要用于水泥和混凝土的建筑行业,利用程度较低,利用率约50%[1]。粉煤灰由非晶态硅铝酸盐和晶相材料构成,包括石英、莫来石、赤铁矿和磁铁矿,其中, 主要成分SiO2为42%-60%、Al2O3为20%-40%,除此之外还有少量的钠、钾、钙、镁、铁、硫和磷的氧化物。而合成分子筛的主要组成是SiO2和Al2O3,因此,采用粉煤灰制取分子筛既可有效降低其生产成本,同时还减少粉煤灰的危害,实现其资源化和高值化利用[2]。
以粉煤灰为原料可制备出几十种分子筛,但由于粉煤灰中除了硅铝组分外还含有Ca、S、P、Fe等化合物杂质,对合成分子筛的纯度及性能有很大的影响,因此,通过粉煤灰除杂处理后分别获取高纯度硅铝组分,以其为原料制备分子筛有助于获取高纯度和不同硅铝比的分子筛。NaP型分子筛为八元环结构[3],氧原子连接硅和铝四面体形成三维结构[4],具有吸附和离子交换性能,广泛应用于污水净化处理过程[5]。王焰新等[6]以粉煤灰为原料通过晶化合成出NaP型分子筛等产品,并将其用于吸附工业废水中的重金属离子,合成分子筛的吸附容量要高于粉煤灰的吸附容量。陈彦广等[7]通过高温焙烧粉煤灰提取硅铝组分水热合成低硅铝比NaP分子筛,并对其进行Ni2+、Cu2+及Fe3+吸附以及分子筛再生,金属离子去除率可达90%。
降低分子筛粒径和提高单晶粒分散可提高其吸附性能。樊慧芳等[8]通过机械化学法研磨分子筛,使其颗粒分散变小,增大表面吸附性能。本研究提出了通过在水热合成反应体系引入空间位阻作用调控NaP型分子筛晶粒生长过程的思路,采用从粉煤灰中提取出的高纯度硅酸钠和铝酸钠为原料,通过水热合成法制备NaP型分子筛,通过添加有机空间位阻剂对分子筛合成过程进行调控,采用XRD、SEM、FT-IR、BET对样品进行表征和分析,并通过Zn2+吸附实验评价制备的NaP型分子筛的吸附性能。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
氢氧化钠(哈尔滨市化工试剂厂),无水碳酸钠(天津市大茂化学试剂厂),37%(质量分数)盐酸(天津科密欧化学试剂有限公司),吐温-20(天津市大茂化学试剂厂),环己醇(天津市大茂化学试剂厂),2-氨基-2-甲基-1-丙醇(天津市大茂化学试剂厂),以上药品均为分析纯。
1.2 粉煤灰中硅铝元素的提取
称取一定量的粉煤灰经筛分后再加入活化剂Na2CO3,均匀混合后放置马弗炉600℃焙烧4h,自然冷却后,加入一定体积的2mol/L的盐酸,充分反应后,经离心分离得到氯化铝和粗硅酸沉淀。将一定体积的2mol/L NaOH加入粗硅酸沉淀中溶解、过滤,得到硅酸钠溶液后,向其连续通入CO2,产生硅酸沉淀,经洗涤后加入NaOH溶液得到硅酸钠溶液。调控粗氯化铝溶液的pH值除去其中铁离子,然后向其连续通入CO2,得到氢氧化铝沉淀,将沉淀洗涤后滴加NaOH溶液至完全溶解,得到偏铝酸钠溶液。
1.3 NaP型分子筛的合成
将硅酸钠、氢氧化钠混合均匀,逐滴加入偏铝酸钠充分搅拌,转入反应釜中晶化。采用三因素三水平正交设计,考察晶化时间、晶化温度以及溶液水硅比对NaP型分子筛制备的影响,优化NaP分子筛合成工艺参数。空间位阻作用随有机物分子空间结构大小而不同,本研究选取了2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP、短链)、吐温-20(TWEEN-20、长链),环己醇(ANOL、环状链)作为空间位阻剂(M)调控NaP型分子筛的晶粒生长。通过正交实验得到最佳实验条件,按照最佳物料比混合药品,搅拌一定时间,使物料混合均匀,按照不同比例n(Al2O3):n(M)加入空间位阻剂,充分搅拌后移至烘干箱进行晶化。
1.4 NaP型分子筛的表征
采用德国布鲁克D8 VENTURE X射线衍射仪(XRD)对样品进行表征,条件为Kα射线(λ=0.21334nm),铜靶,管电压40kV,管电流30mA,10°-45°扫描,扫描速率5(°)/min。采用日本电子株式会社JSM-6510LV扫描电镜(SEM)对样品晶粒大小、形貌进行表征,工作电压20kV。采用FT-IR6200红外分光光谱仪(FT-IR)对分子筛样品进行表征。采用比表面积分析仪(BET)对样品的比表面积、孔容积和孔径进行分析。
1.5 NaP型分子筛Zn2+吸附性能测试
分别称取0.3g不同条件下合成的P型分子筛,加入到20mL的50mg/L锌溶液中,在恒温加热磁力搅拌器上充分搅拌,吸附时间分别为30、60、90、120和150min,经离心分离后取离心管中上层清液10mL作为待测样品。锌离子溶液由氯化锌和去离子水配置而成。利用火焰原子吸收分光光度计(FAAS)对溶液中的金属离子浓度进行测试,测定吸附前后Zn2+的浓度。
2 结果与讨论
2.1 正交结果分析
实验结果及相关分析见表 1。其中,k1、k2和k3分别是水平为1、2、3条件下各次实验所得收率的平均值,R为极差。
Entry H2O/Si Crystallization temperature t/℃ Crystallization time t/h Yield w/% 1 156 100 8 50.69 2 156 120 10 58.96 3 156 140 12 55.93 4 136 100 10 48.32 5 136 120 12 59.64 6 136 140 8 48.88 7 116 100 12 58.89 8 116 120 8 60.34 9 116 140 10 53.22 X k1 55.19 52.63 53.30 — k2 52.28 59.65 53.50 — k3 57.48 52.68 58.15 — Error R 5.203 7.014 4.853 — 通过比较表 1中各因素极差R的大小可得各条件对NaP分子筛产率影响作用规律为:晶化温度>溶液水硅比>晶化时间。由表 1可知,不同因素对不同阶段的NaP分子筛产率的影响效果不同,其中, A3B2C1为最佳组合(A为溶液水硅比,B为晶化温度,C为晶化时间)。
图 1为不同条件下合成NaP型分子筛的XRD谱图。
由图 1可知,样品1、样品2、样品3的XRD结果并未显示NaP型分子筛特征衍射峰[9],说明当水硅比为156时并没有合成出NaP型分子筛。分子筛的形成过程中,水作为载体,溶液体系浓度较低时,[SiO4]4-和[AlO4]5-到达晶体表面的时间较长,这有利于[SiO4]4-和[AlO4]5-以更低的能量进入分子筛骨架中,形成非目标产物[10]。通过样品4和样品7可知,温度较低时,如100℃并不适宜合成NaP分子筛,随着晶化温度升高分子筛结晶速率提高,有利于NaP型分子筛晶粒的生成。通过Jade软件对XRD图谱进行分析,得到样品的相对结晶度和晶粒大小见图 2,通过计算,样品8的相对结晶度最高,可达94.56%,同时此时对应的晶粒粒径最小。因此,NaP型分子筛合成的适宜条件为:n(SiO2):n(Al2O3):n(Na2O):n(H2O) = 1.00:0.51:1.66:116,合成温度为120℃,合成时间为8h。
2.2 空间位阻作用的调控规律
在分子筛前驱液中加入非离子型有机物有助于调控晶体生长速率,利于获得尺寸较小的分子筛晶粒[11]。分子空间结构的不同,其空间位阻效应不同,分别采用短链、长链和环状分子结构的有机物做为空间位阻剂进行NaP分子筛晶化过程调控。添加不同类型空间位阻剂合成NaP型分子筛的扫描电镜照片见图 3。由图 3可知,空间位阻剂的加入降低了其晶粒的聚集生长[12],提高了分子筛单晶粒的分散性,有利于小粒径晶粒的生成,且粒径更均一。
添加有机空间位阻剂制备的NaP型分子筛粒径明显减小,而不同类型空间位阻剂对于粒径的影响程度也不同。有机空间位阻剂在NaP分子筛晶粒生长过程中提高了单晶粒分散度[13],并抑制了晶粒增大现象,NaP分子筛粒度细化。但分子筛的产率也受到了一定的影响,相对应地有所下降。
研究表明,调控硅铝酸根离子形成多元环或笼是影响晶核形成的关键因素。通过在反应体系引入具有一定空间分子形状的有机分子可能可以提高晶核形成的定向转化,抑制杂晶的出现。图 4为有机空间位阻剂在晶体成核及生长的影响过程。
2.3 空间位阻剂用量的影响
2.3.1 短链空间位阻剂
添加不同比例的AMP,在120℃下晶化8h,合成产物的XRD和SEM结果见图 5和图 6。由图 5可知,n(Al2O3)/n(M)= 1:3和1:5时的分子筛在12.4°、17.6°、21.5°、28.1°、33.3°出现明显NaP分子筛特征峰。由图 5还可知,AMP添加量对NaP型分子筛纯度影响较大,NaP型特征峰随着添加量的增多而增强,X型特征峰随着添加量的增多而降低,说明添加一定量的短链空间位阻剂,有利于提高NaP分子筛合成的纯度。AMP的相对短结构,在[SiO4]4-和[AlO4]5-聚集生长的过程中,起到了更好的空间位阻作用,促进晶核向NaP分子筛的球状晶体生长。
随AMP添加量的增大,X型分子筛的立方晶相逐渐减小,NaP型分子筛球状晶粒逐渐增多,且其结晶度和单晶粒分散性明显提高,晶粒尺寸更均一。在反应体系中引入空间位阻作用,有利于抑制其他杂晶,如X型分子筛晶粒的生成。
2.3.2 长链空间位阻剂
图 7为空间位阻剂为TWEEN-20时合成NaP型分子筛的XRD谱图。
由图 7可知,当n(Al2O3)/n(M)为2000:1和500:1时合成的产物为NaP型和X型分子筛的混合物,当n(Al2O3)/n(M)为1000:1时得到纯度较高的NaP型分子筛,其特征峰增强,峰宽变窄。
图 8为不同比例TWEEN-20制备NaP型分子筛SEM照片。由图 8可知,当添加的TWEEN/20物质的量是氧化铝的0.1%时,即可合成较纯的NaP型分子筛。当n(Al2O3)/n(M)为500时,样品为X型和NaP型分子筛的混合物,但是球状晶粒表面会出现多处裂缝;当n(Al2O3)/n(M)为1000时,得到了较纯的NaP型分子筛,表面完整;n(Al2O3)/n(M)为2000时,样品多为X型分子筛,这与图 7的XRD谱图规律一致。这可能是TWEEN-20浓度不同,在溶液中存在形式发生改变,当浓度较小时,TWEEN-20吸附在颗粒上,抑制颗粒聚集生长,形成小颗粒NaP型分子筛,随着TWEEN-20浓度增长,在溶液中聚集成大小不一有机物胶团[14],导致其空间位阻作用力不一致,晶粒的生长速率不同,晶型生长不完整。
2.3.3 环状链空间位阻剂
图 9为不同比例ANOL制备NaP型分子筛的XRD谱图。由图 9可知,随着空间位阻剂ANOL添加量的增多,NaP型特征峰强度先增强后减弱,当n(Al2O3)/n(M)为1:3时,NaP型分子筛特征峰的强度最强,峰型尖锐,此时分子筛纯度较高。当n(Al2O3)/n(M)为2:1时,产物中大部分为X型分子筛,伴有少量NaP型分子筛;当n(Al2O3)/n(M)为1:5时,产物为NaP型和X型分子筛的混合物,同时NaP型特征峰降低。其原因可能是环状空间位阻剂环己醇的调控浓度有一定范围[15],当浓度超过上限,就会抑制NaP型分子筛的合成。
图 10为不同比例ANOL制备NaP型分子筛的SEM照片。由图 10可知,NaP型分子筛的纯度随着ANOL的增加先增大后减小。
n(Al2O3)/n(M)为1:3时,NaP型分子筛产物中混有微量立方体结构的X型分子筛晶粒;添加其他比例ANOL所得到的样品中杂晶相对较多,说明具有环状结构的空间分子结构的位阻效应可能与不同浓度下有机空间位阻剂分子的聚合状态有关。
2.4 FI-IR表征
图 11为不同有机空间位阻剂制备NaP型分子筛的FI-IR谱图。
由图 11可知,在991、751m-1处分别出现Si-O键的面内弯曲振动和不对称伸缩振动吸收峰[16],692cm-1处出现的吸收峰为Al-O键的对称伸缩振动导致[17],561cm-1处为外部连接Si-O的面外弯曲振动峰,463cm-1处是Al-O的面外弯曲振动峰。622cm-1左右为骨架双环振动[18],500-1000cm-1的谱峰主要是P型分子筛的骨架振动谱带。添加空间位阻剂制备样品的特征峰位置发生红移,可能是空间位阻剂的空间位阻作用提高了分子筛的硅铝比。在1431、1647以及3466cm-1处出现O-H的弯曲振动和伸缩振动吸收峰峰,这是分子筛所吸附的水羟基振动引起的[19, 20]。没有出现新的吸收峰,说明有机空间位阻剂没有进入分子筛孔道和骨架结构中。
2.5 吸附性能评价
金属离子污染物进入水体对水体造成的污染。在矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中产生大量重金属废水(含有铬、镉、铜、汞、镍、锌等重金属离子),造成水体污染对人类造成危害。
本实验研究空间位阻剂调控的NaP分子筛的吸附能力,对于镍、铜、铁等金属离子的吸附,已经进行过深入研究。在锌矿开采、冶炼加工、机械制造以及镀锌、仪器仪表、有机合成和造纸等工业中产生大量含锌污水,对环境和人体造成危害,本研究基于NaP分子筛对锌离子的优良吸附能力,考察空间位阻剂调控后的NaP分子筛的吸附性能。
通过XRD分析,选用了每种空间位阻剂制备的效果较好的NaP分子筛,分别是n(Al2O3)/n(TWEEN-20)=1000:1,n(Al2O3)/n(AMP)=1:5,n(Al2O3)/n(环己醇) =1:3的NaP型分子筛。
不同条件下制备的NaP型分子筛的吸附Zn2+性能见图 12。由图 12可知,当吸附温度为25℃时,NaP型分子筛吸附Zn2+,吸附时间为30min时,Zn2+去除率达到最大。当反应时间在0-30min时,NaP型分子筛Zn2+去除率呈线性增长。继续延长吸附时间,Zn2+去除率基本不变。空间位阻剂种类不同时,合成的NaP型分子筛的吸附性能不同,其中,以环己醇为空间位阻剂合成的NaP型分子筛对Zn2+的吸附率最高,可达99.8%。Zn2+水合半径为0.430nm,小于NaP型分子筛的平均孔径大小。同时Zn2+所带的正电荷,可以代替Na+中和分子筛中负电荷。因此,Zn2+可以进入分子筛孔道中通过离子交换、静电引力和范德华力三种方式吸附在孔道[21]。分子筛对金属离子的吸附作用的强弱,除了与分子筛孔道大小有关外,还受分子筛孔容的影响。
表 2为不同条件下制备NaP型分子筛的BET结果。
表 2 不同条件下制备NaP型分子筛的氮吸附 Table 2. Textural properties of the NaP zeolites prepared under different conditions
Steric hindrance agent Surface area A/(m2·g-1) Pore volume v/(cm3 g-1) Pore diameter d/nm NaP-RAW 67.5 0.046 2.8 NaP-AMP 29.1 0.028 3.9 NaP-TWEEN-20 26.8 0.024 3.6 NaP-ANOL 82.1 0.056 2.8 由表 2可知,以环己醇为空间位阻剂制备的NaP型分子筛比表面积最大,孔容最大,孔径最小,吸附性能较好,与图 12中的吸附去除率结果一致。吸附能力强弱依次是空白NaP型> NaP-2-氨基-2-甲基-1-丙醇> NaP-吐温-20。
吸附过程包括物理吸附、化学吸附和静电引力吸附三种吸附方式。Zn2+可以进入分子筛孔道中吸附在孔道内壁上。同时Zn2+也可以通过离子交换的方式进入分子筛中,由于Na+在分子筛骨架中的分布位置不同,具有不同的稳定性,小部分Na+在分子筛的孔道当中,较易和Zn2+发生离子交换,而另一部分在分子筛的晶格中,较为稳定,因而在常温下难以和Na+离子交换,所以在吸附过程中离子交换所占比例较小。静电引力主要由分子筛上多余的离子电荷所引起,多余的粒子电荷来源于构成分子筛的硅铝酸盐骨架结构的[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体[22]。由于每个四面体间共用一个氧原子,氧原子的负电性被与之相连的两个硅四面体中和,硅原子的电性同时也被与其相连的四个氧原子中和。当硅被铝取代时,多出的一个负电荷需要额外的阳离子与其中和以保持分子筛骨架的电荷平衡,因此, 部分Zn2+会通过静电引力被吸引。
3 结论
以粉煤灰中提取的硅酸钠和铝酸钠为原料,通过水热合成制备NaP型分子筛。正交实验得到最佳反应条件为,晶化温度120℃,晶化时间8h,硅水比为116。
通过添加不同空间位阻剂对NaP型分子筛生长过程进行调控,在NaP型分子筛制备过程中加入空间位阻剂能有效调控NaP型分子筛晶粒大小,不同类型的空间位阻剂对分子筛生长过程调控能力大小为:环状链>短直链>长直链。
在水热合成体系引入空间位阻效应,可有效调控NaP型分子筛晶粒尺寸和孔径,提高晶粒分散性,有利于获得单晶粒产物。以环己醇为空间位阻剂(n(Al2O3)/n(环己醇)为1:3),比表面积从67.29m2/g提高到82.08m2/g,NaP型分子筛晶粒成单晶粒分散状态。
以环己醇为空间位阻剂制备的NaP型分子筛对污水中的Zn2+具有良好的吸附效果,在优化工艺参数下,Zn2最大去除率可达99.8%。
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表 1 正交实验
Table 1. Results of the orthogonal tests for the synthesis of NaP zeolite
Entry H2O/Si Crystallization temperature t/℃ Crystallization time t/h Yield w/% 1 156 100 8 50.69 2 156 120 10 58.96 3 156 140 12 55.93 4 136 100 10 48.32 5 136 120 12 59.64 6 136 140 8 48.88 7 116 100 12 58.89 8 116 120 8 60.34 9 116 140 10 53.22 X k1 55.19 52.63 53.30 — k2 52.28 59.65 53.50 — k3 57.48 52.68 58.15 — Error R 5.203 7.014 4.853 — 表 2 不同条件下制备NaP型分子筛的氮吸附
Table 2. Textural properties of the NaP zeolites prepared under different conditions
Steric hindrance agent Surface area A/(m2·g-1) Pore volume v/(cm3 g-1) Pore diameter d/nm NaP-RAW 67.5 0.046 2.8 NaP-AMP 29.1 0.028 3.9 NaP-TWEEN-20 26.8 0.024 3.6 NaP-ANOL 82.1 0.056 2.8 -

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