CN108975348A - 一种煤矸石制备4a分子筛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分子筛合成技术领域，尤其涉及一种煤矸石制备4A分子筛的方法，包括如下步骤：(1)煤矸石活化：将煤矸石在500～800℃煅烧，得到煅烧煤矸石；(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体以质量比为1：(0.6～1.1)混合并研磨均匀后，所得混合物在500～650℃下焙烧得到碱熔熟料；(3)水热合成：将水与所述碱熔熟料按液固质量比(6～18)：1混合均匀后，所得固液混合物经搅拌陈化过夜；然后再将固液混合物晶化后，过滤、洗涤并干燥得到所述4A分子筛。该方法不仅能够制得晶相单一、钙离子交换量高的4A分子筛，而且生产成本低、工艺简单、重复性好，便于工业化生产。

Description

一种煤矸石制备4A分子筛的方法
技术领域
本发明属于分子筛合成技术领域，尤其涉及一种煤矸石制备4A分子筛的方法。
背景技术
沸石的种类很多，根据其来源不同分为天然沸石和人工沸石两大类。在对天然沸石进行系统研究之后，为了得到纯净的沸石，人们开始致力于人工合成沸石。到了1954年，沸石的人工合成就已经工业化了。1948年，Barrer在高温高压下首次合成了小孔径的沸石，开创了沸石合成的新纪元。
4A型分子筛是一种重要的无机微孔材料，具有优良的选择吸附、催化及离子交换性等特点，广泛应用于日用化学品、石油化工、医药及环保行业等。4A型分子筛包括天然沸石分子筛和人工合成分子筛。目前工业上4A型分子筛的人工合成主要以氢氧化钠、水玻璃、偏铝酸钠、硅酸、氧化铝或氢氧化铝等纯化学品为原料，采用水热法制备而成。虽然采用纯化学试剂合成4A型分子筛的方法和工艺成熟，但其缺点在于会对原料的性能要求苛刻(原料必须是高纯、高活性的)，并且原料价格昂贵、生产成本高。这些缺点严重制约了4A型分子筛在各个领域的应用。
一些现有专利文献中报道了利用其它物质作为原料来源制备4A型分子筛的方法。例如，公开号为CN101928009A的专利文件报道了利用高铝粉煤灰制取氧化铝工艺中的中间产物脱硅液和氯酸钠粗液分别作为硅源和铝源来制备4A型分子筛；公开号为CN104556117A的专利文件报道了利用一种煤泥制备4A分子筛的方法，煤泥经过煅烧活化、酸浸除杂、碱熔融、成胶、老化和晶化、洗涤干燥得到4A型分子筛；本申请的申请人在文献“粉煤灰酸法提取氧化铝的残渣制备4A分子筛”中报道了一种4A分子筛的制备方法，利用粉煤灰提取铝后的高硅尾渣为原料采用碱熔融方法制备出了晶相单一，结晶度高的4A分子筛，不过利用该原料制备4A分子筛需要加入一定量的铝源才能实现。
煤矸石是煤炭开采、加工过程中产生的固体废弃物，也是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一，但同时它又是可再次利用的资源。它的大量堆积不仅造成资源的浪费、占有大量土地，还会对环境造成严重污染。目前，对于采用煤矸石制备4A分子筛的报道很少。煤矸石的主要成分为SiO2和Al2O3，利用煤矸石制备4A型分子筛不仅可以拓展分子筛制备的原料来源、降低成本、变废为宝、延长煤炭加工产业链；而且可以实现环境保护、节能减排、循环经济和低碳经济。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术制备4A分子筛的问题，提供一种煤矸石制备4A分子筛的方法，该方法不仅能够制得晶相单一、钙离子交换量高的4A分子筛，而且生产成本低、工艺简单、重复性好，便于工业化生产。
为了实现上述目的，本发明提供一种煤矸石制备4A分子筛的方法，包括如下步骤：
(1)煤矸石活化：将煤矸石在500～800℃煅烧，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体以质量比为1：(0.6～1.1)混合并研磨均匀后，所得混合物在500～650℃下焙烧得到碱熔熟料；
(3)水热合成：将水与所述碱熔熟料按液固质量比(6～18)：1混合均匀后，所得固液混合物经搅拌陈化过夜；然后再将固液混合物晶化后得到所述4A分子筛。
根据本发明提供的方法，优选地，步骤(1)中，煤矸石煅烧的时间为2～6h。
优选地，步骤(1)中，煤矸石煅烧的温度为650～800℃。
根据本发明提供的方法，优选地，步骤(2)中，混合物焙烧的时间为90～120min。
根据本发明提供的方法，优选地，步骤(3)中，固液混合物的晶化工艺条件为：晶化温度为80～120℃，晶化时间为8～40h。
更优选地，所述晶化温度为90～100℃，晶化时间为8～12h。
优选地，步骤(3)中所述水与所述碱熔熟料按液固比(12～18)：1混合。
优选地，步骤(3)中所述晶化后所得产品经过滤、洗涤并干燥，得到所述4A分子筛。
本发明利用煤矸石制备4A分子筛可以直接用碱熔融法合成，不需要再添加额外的铝源和硅源，这样不仅原料成本低，还克服了上述所述专利申请文献中描写的一些反应时间过长、制备效率低下、生产成本较高、加入过多的碱会导致沸石在水热合成条件下溶解速度增加而造成产率降低等缺陷。
与现有技术相比，本发明技术方案可以带来的有益效果在于：
1)本发明以煤矸石为原料，采用过煅烧的方式对其进行活化，提高其中硅铝的利用率，从而可提高4A型分子筛的生产效率；
2)本发明合成的4A型沸石分子筛晶相单一、结晶度高，钙离子交换量高；
3)本发明的碱熔熟料制备阶段采用的是氢氧化钠，在严格控制好合成骨架中的硅铝比满足4A分子筛要求的同时，其制备工艺简单、过程易于控制，成产成本低，对环境污染小。
附图说明
图1为本发明所述的煤矸石在煅烧之前和煅烧之后的XRD图。
图2为实施例1制得的4A分子筛XRD图。
图3为实施例1制得的4A分子筛SEM图。
图4为实施例2制得的4A分子筛XRD图。
图5为实施例2制得的4A分子筛SEM图。
图6为实施例3制得的4A分子筛XRD图。
图7为对比例1所得产品的XRD图。
图8为对比例2和对比例3所得产品的XRD图。
图中，A表示出现的4A分子筛特征峰，S表示出现的方钠石特征峰，X表示出现的X型分子筛特征峰。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本发明的优选实施方式。应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
一种煤矸石制备4A分子筛的方法，包括如下步骤：
(1)煤矸石活化：将煤矸石在500～800℃煅烧，得到煅烧煤矸石；在优选实施方式中，煤矸石煅烧的时间为2～6h，煅烧的温度为650～800℃，例如700℃、750℃等；本领域技术人员可理解，煅烧可选择本领域常用的设备，例如，使用在高温煅烧炉内进行；煤矸石物相组成主要为高岭石和石英，若不经过活化直接利用活性比较低，硅铝不易溶出来；本发明中，煤矸石煅烧之后由高岭石变成了活性更高的偏高岭石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体以质量比为1：(0.6～1.1)混合并研磨均匀后，所得混合物在500～650℃下焙烧得到碱熔熟料；在优选实施方式中，混合物焙烧的时间为90～120min；本发明中，利用煤矸石制备4A分子筛难点就是要控制好合成骨架中的硅铝比以满足4A分子筛的要求，这就需要制备碱熔熟料过程中加入碱的用量要进行优选，过多或过少都会导致最终产品转晶；本领域技术人员可理解，焙烧可选择本领域常用的设备进行，例如，使用碳素焙烧炉或者铂金坩埚等设备内进行；
(3)水热合成：将水与所述碱熔熟料按液固比(6～18)：1混合均匀后，所得固液混合物经搅拌陈化过夜；然后再将固液混合物晶化后得到所述4A分子筛。本领域技术人员可理解，水热合成过程可选择本领域常用的设备进行，例如，在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜内进行。在优选实施方式中，晶化工艺条件为：80～120℃下晶化8～40h；更优选地，晶化温度为90～100℃，晶化时间为8～12h。所述水与所述碱熔熟料按液固比可优选为(12～18)：1。将晶化所得产物取出后自然冷却至室温，过滤、洗涤并干燥即可得4A分子筛。本领域技术人员可以理解，这里的“自然冷却”、过滤、洗涤和干燥均为本领域常用的操作方式和操作条件。
原料来源：
以下各实施例中采用的煤矸石化学成分如表1所示，其在煅烧之前和煅烧之后的XRD图如图1所示。
所用化学试剂在没有特殊说明的情况下位化学纯。
表1煤矸石化学成分分析结果(wB％)
测试方法：
各实施例中XRD测定应用的是德国布鲁克AXS有限公司生产的D8ADVANCE达芬奇型衍射仪，测试条件：Cu靶，40KV，40mA，LynxEyeTM192位阵列探测器，扫描范围1.5°～80°(2θ)；
各实施例中扫描电镜是蔡司SUPRA 55，放大倍数范围：12×～1000.000×；二次电子像分辨率：0.8nm@15kV、1.6nm@1kV、3.5nm@0.2kV。
实施例1
(1)煤矸石活化：将表1中所示煤矸石在700℃煅烧6h，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体按质量比1：0.6混合研磨均匀后，称取5g所得混合物放入铂金坩埚中，于600℃的马弗炉中焙烧熔融2h，得到碱熔熟料；
(3)4A型分子筛的制备：在冷却后的碱熔熟料中按液固质量比为12:1加入去离子水，室温下搅拌至过夜；将该固液混合物倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，升温至100℃晶化8h；晶化结束后，冷却、过滤除去母液，洗涤至中性，于100℃下干燥后得到产品。
经XRD测定，其物相属于4A型分子筛，XRD谱图见图2，谱图中具有4A型分子筛的特征衍射峰，可以说明该实施例所制得的产物为4A型分子筛；峰形尖锐，没有杂峰出现，说明结晶度高，晶相单一；SEM谱图见图3，其形貌为规则的立方体，晶粒大小均匀，属于4A分子筛特有的形貌。
实施例1制备的4A型分子筛的钙离子交换量300mg/g，说明了制备得到的4A型沸石分子筛的钙离子交换量高，4A型沸石分子筛的性能良好。
实施例2
(1)煤矸石活化：将表1中所示煤矸石在800℃煅烧4h，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体按质量比1：1混合研磨均匀后，称取6g所得混合物放入铂金坩埚中，于650℃的马弗炉中熔融2h，得到碱熔熟料；
(3)4A型分子筛的制备：在冷却后的碱熔熟料中按液固质量比为15：1加入去离子水，室温下搅拌至过夜；将该固液混合物倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，升温至90℃晶化12h；晶化结束后，冷却、过滤除去母液，洗涤至中性，于100℃下干燥后得到产品。
经XRD测定，其物相属于4A型分子筛，XRD谱图见图4，谱图中具有4A型分子筛的特征衍射峰，可以说明该实施例所制得的产物为4A型分子筛；峰形尖锐，没有杂峰出现，说明结晶度高，晶相单一；SEM谱图见图5，其形貌为规则的立方体，晶粒大小均匀，属于4A分子筛特有的形貌。
实施例2制备的4A型分子筛的钙离子交换量310mg/g，说明了制备得到的4A型沸石分子筛的钙离子交换量高，4A型沸石分子筛的性能良好。
实施例3
(1)煤矸石活化：将表1中所示煤矸石在500℃煅烧6h，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体按质量比1：1.1混合研磨均匀后，称取6g所得混合物放入铂金坩埚中，于650℃的马弗炉中熔融2h，得到碱熔熟料；
(3)4A型分子筛的制备：在冷却后的碱熔熟料中按液固质量比为15：1加入去离子水，室温下搅拌至过夜；将该固液混合物倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，升温至100℃晶化8h；晶化结束后，冷却、过滤除去母液，洗涤至中性，于100℃下干燥后得到产品。
经XRD测定，其物相属于4A型分子筛，XRD谱图见图6，谱图中具有4A型分子筛的特征衍射峰，可以说明该实施例所制得的产物为4A型分子筛；峰形尖锐，没有杂峰出现，说明结晶度高，晶相单一。
该实施例制备的4A型分子筛的钙离子交换量305mg/g，说明了制备得到的4A型沸石分子筛的钙离子交换量高，4A型沸石分子筛的性能良好。
4A分子筛主要用于洗涤助剂，其作用是交换水中的钙离子产生软化水，本申请通过以煤矸石为原料，不仅合成的4A分子筛对钙离子具有较高的吸附容量，钙离子吸附性能良好，而且原料易得、成本低廉。
对比例1：
4A型沸石分子筛的制备方法和工艺条件与实施例3相同，不同之处在于，碱熔熟料制备中使用碳酸钠固体替代NaOH固体。
得到的产品经XRD表征，没有形成4A分子筛的特征衍射峰，有X型分子筛特征峰出现，其XRD谱图见图7。
对比例2：
(1)煤矸石活化：将表1中所示煤矸石在800℃煅烧2h，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与氢氧化钠固体按质量比1：0.4混合研磨均匀后，分别称取6g所得混合物放入铂金坩埚中，于650℃的马弗炉中熔融2h，得到碱熔熟料；
(3)4A型分子筛的制备：在冷却后的碱熔熟料中按液固质量比为15：1加入去离子水，室温下搅拌至过夜；将该固液混合物倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，升温至100℃晶化8h；晶化结束后，冷却、过滤除去母液，洗涤至中性，于100℃下干燥后得到产品。
得到的产品经XRD表征，形成4A分子筛的特征衍射峰不明显，有形成4A分子筛的迹象，其XRD谱图见图8。
对比例3：
(1)煤矸石活化：将表1中所示煤矸石在800℃煅烧2h，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与氢氧化钠固体按质量比1：1.3混合研磨均匀后，分别称取6g所得混合物放入铂金坩埚中，于650℃的马弗炉中熔融2h，得到碱熔熟料；
(3)4A型分子筛的制备：在冷却后的碱熔熟料中按液固质量比为15:1加入去离子水，室温下搅拌至过夜；将该固液混合物倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜内，升温至100℃晶化8h；晶化结束后，冷却、过滤除去母液，洗涤至中性，于100℃下干燥后得到产品。
得到的产品经XRD表征，虽然形成了4A分子筛，但是分子筛出现了转晶现象，有方钠石峰出现，其XRD谱图见图8。
通过将实施例与对比例2-3所得产品的XRD表征进行比对可知，煤矸石与氢氧化钠质量比为1:0.4条件下，形成4A分子筛的特征衍射峰不明显，有形成4A分子筛的迹象；在质量比为1:1.3条件下，形成了4A分子筛，但是分子筛出现了转晶现象有方钠石峰出现，因此，在碱熔熟料制备阶段本申请选择用氢氧化钠的同时，对其用量也做了优选，最佳比例需要控制在(1:0.6～1.1)。控制好合成骨架中的硅铝比才能满足制备4A分子筛的要求，这就需要加入碱的用量要合适，过多或过少都会导致最终产品转晶，所以在活化时，如何控制碱的用量是本申请的难点。
通过将实施例3与对比例1的所得产品的XRD表征进行比对可知，用碳酸钠替代氢氧化钠后，其他工艺条件不变的情况下，并不能制得4A分子筛。如果在碱熔熟料制备阶段采用碳酸钠，那么就要求活化的温度高且碳酸钠用量增大才能满足要求，这样就增加了制备的成本和能耗。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离本发明主旨的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种煤矸石制备4A分子筛的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)煤矸石活化：将煤矸石在500～800℃煅烧，得到煅烧煤矸石；
(2)碱熔熟料制备：将所得煅烧煤矸石与NaOH固体以质量比为1：(0.6～1.1)混合并研磨均匀后，所得混合物在500～650℃下焙烧得到碱熔熟料；
(3)水热合成：将水与所述碱熔熟料按液固质量比(6～18)：1混合均匀后，所得固液混合物经搅拌陈化过夜；然后再将固液混合物晶化后得到所述4A分子筛。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，煤矸石煅烧的时间为2～6h。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，煤矸石煅烧的温度为650～800℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，混合物焙烧的时间为90～120min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，固液混合物的晶化工艺条件为：晶化温度为80～120℃，晶化时间为8～40h。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述晶化温度为90～100℃，晶化时间为8～12h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述水与所述碱熔熟料按液固比(12～18)：1混合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述晶化后所得产品经过滤、洗涤并干燥，得到所述4A分子筛。
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