CN110562996A - 低温碱溶液直接活化尾矿制备zsm-5分子筛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温碱溶液直接活化尾矿制备ZSM‑5分子筛的方法。有色金属尾矿不经酸浸除杂工艺处理,利用湿法工艺对有色金属尾矿中的晶相石英组分进行有效活化,使其在碱性溶液条件下转变成为合成ZSM‑5所需要的全部硅源、碱源和铝源,采用向合成体系中加入乙醇、少量有机模板剂和晶种的混合导向法快速水热合成出高结晶度及高硅铝比的ZSM‑5分子筛产物。本发明工艺简单、合成快速,无需任何酸处理工艺和高温煅烧处理,克服了由非纯化工原料合成高硅铝比ZSM‑5分子筛的限制性,为一种绿色节能的生产工艺,可以同时制备出高结晶度、高纯度及不同硅铝比的ZSM‑5产物,实现了有色金属尾矿的资源化利用。
Description
技术领域
本发明为一种低温碱溶液直接活化尾矿制备ZSM-5分子筛的方法。涉及到一种以湿法工艺对尾矿中硅质成分进行有效活化及除杂,并制备出ZSM-5分子筛产物。
背景技术
有色金属工业作为国民经济发展的主要动力之一,在国民经济发展中起到重要作用。近年来,有色金属矿山的大量开采产生了大量固体废弃物,这些固体废弃物以堆存的方式处理,形成了大量的尾矿库。因此,有色金属尾矿的资源循环利用成为近年来研究开发的新途径。有色金属尾矿中含有大量硅质成分,同时含有部分有价金属元素。从元素利用角度来考虑,若是将尾矿中高含量的硅元素加以提取和利用,制备出各种硅基成分的功能材料,一方面,可以实现尾矿的高附加值利用,另一方面,在提取硅元素的同时,可以对尾矿中各种有价金属进行有效富集。
ZSM-5作为高硅分子筛的重要一员,其生产主要原料包括高化学活性硅源和铝源。除高岭土外,硅藻土、粉煤灰和累托石等非纯化工硅质原料在实验室合成ZSM-5分子筛已取得一定进展。对于各种非纯化工硅质原料中硅元素的提取,原料中含有大量晶相石英组分,硅组分的活化普遍使用的方法是在矿料中加入一定活化碱后在600℃以上进行煅烧处理后,将焙烧产物进行水解处理即可将大部分硅元素进行提取。此方法虽然能够制备出高结晶度ZSM-5分子筛产物,但产物中依然含有大量其它杂质元素,同时所制备ZSM-5产物硅铝比普遍较低,且高温煅烧活化工艺的能耗也较高。因此,有必要进一步开发更为绿色节能的综合生产工艺,可以同时制备出高结晶度、高纯度及不同硅铝比的ZSM-5产物。
发明内容
本发明的目的是为了解决如何利用内含大量晶相惰性石英组分的矿料在碱性介质条件下利用较低的活化温度对矿料中硅质成分进行有效活化,在无需添加外加硅源的情况下制备出高结晶度、高纯度及高硅铝比的ZSM-5分子筛产物,从而实现内含大量晶相石英矿料的绿色及高附加值生产ZSM-5分子筛的技术可行性。
具体步骤为:
(1)将有色金属矿尾矿料进行磨破处理,得到小于100目的原始磨破矿料,于烘箱内100℃~200℃烘干至失重率小于5%,并测试所得干化矿料中SiO2的质量百分比含量。
(2)将步骤(1)所得干化矿料、固体NaOH和蒸馏水按质量比为1:0.8~2.5:10~50的比例在反应釜内进行混匀。
(3)将步骤(2)所得混匀物料在100℃~230℃条件下于反应釜内体系自生压力进行1~8小时活化处理,得到活化矿料液。
(4)将步骤(3)所得活化矿料液进行离心除杂处理,得到上层除杂活化矿料液,离心转速为1500~3000转/分钟(rpm),时间为10~20分钟。
(5)取步骤(4)所得除杂活化矿料液,在40℃~60℃的恒温条件下搅拌1~2小时;以干化矿料中SiO2的量(即SiO2投料)为基准,计算无水乙醇、四丙级溴化铵(TPABr)、晶种和蒸馏水的用量,比例分别为无水乙醇/SiO2投料摩尔比=0.5~4、TPABr/SiO2投料摩尔比=0.005~0.05、晶种/SiO2投料质量比=0.002~0.02和H2O/SiO2投料质量比=5~50。依次加入所需的无水乙醇、TPABr和晶种,将所需蒸馏水清洗瓶口粘附的晶种冲洗进合成液,搅拌15分钟。所述晶种为ZSM-5分子筛,其SiO2/Al2O3摩尔比=20~45。
(6)在步骤(5)所得物中滴加质量百分比含量为65%的浓硝酸,调节pH至10.0~11.2,搅拌1小时,然后在40℃~60℃的恒温条件下陈化6~12小时;陈化结束后将所得混合悬浮液转移至耐压密封反应釜中,于150~210℃条件下进行3~30小时静置水热晶化反应。反应结束后过滤,滤渣经洗涤后于100℃~200℃烘箱内干燥,得到孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物。
(7)步骤(6)所孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物在马弗炉内以5~10℃/分钟的升温速率升至500℃~600℃煅烧4小时,最终得到脱除模板剂ZSM-5分子筛产物。
本发明的原理如下:
原料活化阶段,利用湿法工艺在自生压力及较低温度条件下将尾矿中石英组分与氢氧化钠溶液进行反应,将其转化为硅酸钠溶液,同时,其它大部分杂质元素在氢氧化钠溶液中沉淀出来,并通过离心沉淀处理,得到高纯度高化学活性硅质组分。整个活化阶段,无酸处理环节和高温煅烧,同时,除离心杂质外,无其它废料及废液排放。
合成阶段,采用向合成体系中同时添加少量有机胺模板剂和晶种,在以乙醇为助剂的情况下快速合成出高结晶度、高纯度及高硅铝比的ZSM-5分子筛产物,能有效减低有机胺模板剂使用量。
本发明工艺简单、合成快速,无需任何酸处理工艺和高温煅烧处理,克服了由非纯化工原料合成高硅铝比ZSM-5分子筛的限制性,为一种绿色节能的生产工艺,能同时制备出高结晶度、高纯度及不同硅铝比的ZSM-5产物,实现了有色金属尾矿的资源化利用。
附图说明
图1为实施例1制得的ZSM-5分子筛的XRD衍射图谱。
图2为实施例1制得的ZSM-5分子筛的SEM图谱。
图3为实施例2制得的ZSM-5分子筛的XRD衍射图谱
图4为实施例2制得的ZSM-5分子筛的SEM图谱。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行详细说明,但应了解本发明不仅仅限定于所述实施例。
实施例1:
(1)原料的来源及成分
所用尾矿原料为广西南丹大厂有色金属锡矿尾矿,其主要成分如表1所示:
表1锡矿尾矿原料主要化学成分(X射线荧光光谱仪XRF检测)
成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | MnO | K<sub>2</sub>O | Na<sub>2</sub>O | P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | TiO<sub>2</sub> | SO<sub>3</sub> |
质量百分比含量(%) | 82.12 | 8.68 | 2.57 | 0.053 | 0.12 | 0.11 | 3.51 | 0.28 | 0.03 | 0.03 | 0.92 |
成分 | Rb<sub>2</sub>O | NiO | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | ZnO | CuO | SrO | PbO | WO<sub>3</sub> | Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | MoO<sub>3</sub> |
质量百分比含量(%) | 0.09 | 0.002 | 0.006 | 0.010 | 0.01 | 0.04 | 0.001 | 0.010 | 0.081 | 0.020 | 0.004 |
(2)将步骤(1)有色金属锡矿尾矿进行磨破处理,得到小于200目的原始磨破矿料,于烘箱内120℃烘干至失重率小于5%,所得干化矿料中SiO2的质量百分比含量为87.00%。
(3)称取2.27g步骤(2)所得干化矿料于100mL反应釜内,并加入2.72g固体NaOH和30mL蒸馏水,将三者在反应釜内进行混匀。
(4)将步骤(3)所得混匀物料在200℃条件下于烘箱内进行4小时反应釜内体系自生压力活化处理,得到活化矿料液。
(5)将步骤(4)所得活化矿料液进行离心除杂处理,得到上层除杂活化矿料液,离心转速为1500rpm,时间为20分钟,得到用于后期ZSM-5分子筛合成所需要硅源、铝源和碱源。
(6)取步骤(5)所得除杂活化矿料液,在45℃的水浴条件下搅拌1小时;以干化矿料中SiO2的量(即SiO2投料)为基准,计算乙醇、四丙级溴化铵(TPABr)、晶种和蒸馏水的用量,比例分别为无水乙醇/SiO2投料摩尔比=1.02、TPABr/SiO2投料摩尔比=0.0353、晶种/SiO2投料质量比=0.0152和H2O/SiO2投料质量比=15;依次加入所需的1.96mL无水乙醇、0.263g TPABr和0.03g晶种,再将所需的30mL蒸馏水清洗瓶口未落入合成液的晶种冲洗进合成液,搅拌15分钟,所述晶种为ZSM-5分子筛,其SiO2/Al2O3摩尔比=38。
(7)在步骤(6)所得物中滴加质量百分比含量为65%的浓硝酸,调节pH至10.80,搅拌1小时,然后在45℃的水浴条件下陈化12小时;陈化结束后将所得混合悬浮液转移至100mL内衬聚四氟乙烯的反应釜中,于恒温箱内170℃条件下进行24小时静置晶化反应,反应结束后过滤,滤渣经洗涤后于120℃烘箱内干燥,得到孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物。
(8)步骤(7)所孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物在马弗炉内以10℃/分钟的升温速率升至550℃煅烧4小时,最终得到脱除模板剂ZSM-5分子筛产物。
ZSM-5分子筛产物相对结晶度的计算采用XRD图谱上22.5~25°之间待测样品与参比商品样品(南开大学催化剂厂,SiO2/Al2O3摩尔比=38)峰面积之比表示。
所得产物相对结晶度为123.85%,产物SiO2/Al2O3摩尔比为90.29。合成产物晶相结构见图1,外貌形状图见图2。
实施例2:
(1)原料的来源及成分
所用尾矿原料为广西新振锰业集团有限公司锰矿干选尾矿,其主要成分如表1所示:
表2锰矿干选尾矿原料主要化学成分(X射线荧光光谱仪XRF检测)
成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | MnO | K<sub>2</sub>O | Na<sub>2</sub>O | P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | TiO<sub>2</sub> | SO<sub>3</sub> |
质量百分比含量(%) | 85.19 | 2.05 | 3.00 | 2.22 | 0.10 | 4.59 | 0.21 | — | 0.13 | 0.080 | 0.021 |
成分 | Rb<sub>2</sub>O | NiO | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | ZnO | CuO | SrO | PbO | WO<sub>3</sub> | Bi<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | MoO<sub>3</sub> |
质量百分比含量(%) | — | 0.007 | 0.0006 | — | 0.0080 | 0.0043 | 0.01 | 0.004 | — | — | — |
(2)将步骤(1)有色金属锡矿尾矿进行磨破处理,得到小于200目的原始磨破矿料,于烘箱内120℃烘干至失重率小于5%,所得干化矿料中SiO2的质量百分比含量为86.82%。
(3)称取2g步骤(2)所得干化矿料于100mL反应釜内,并加入3g固体NaOH和30mL蒸馏水,将三者在反应釜内进行混匀。
(4)将步骤(3)所得混匀物料在190℃条件下于烘箱内进行4小时反应釜内体系自生压力活化处理,得到活化矿料液。
(5)将步骤(4)所得活化矿料液进行离心除杂处理,得到上层除杂活化矿料液,离心转速为1500rpm,时间为20分钟,得到用于后期ZSM-5分子筛合成所需要硅源、铝源和碱源。
(6)取步骤(5)所得除杂活化矿料液,在45℃的水浴条件下搅拌1小时;以干化矿料中SiO2的量(即SiO2投料)为基准,计算无水乙醇、四丙级溴化铵(TPABr)、晶种和蒸馏水的用量,比例分别为无水乙醇/SiO2投料摩尔比=1.00、TPABr/SiO2投料摩尔比=0.0351、晶种/SiO2投料质量比=0.0173和H2O/SiO2投料质量比=10。依次加入所需的1.69mL无水乙醇、0.23gTPABr和0.03g晶种,将加入所需的18mL蒸馏水清洗瓶口未落入合成液的晶种冲洗进合成液,搅拌15分钟。所述晶种为ZSM-5分子筛,其SiO2/Al2O3摩尔比=38。
(7)在步骤(6)所得物中滴加质量百分比含量为65%的浓硝酸,调节pH至10.80,搅拌1小时,然后在45℃的水浴条件下陈化12小时;陈化结束后将所得混合悬浮液转移至100mL内衬聚四氟乙烯的反应釜中,于恒温箱内190℃条件下进行6小时静置晶化反应,反应结束后过滤,滤渣经洗涤后于120℃烘箱内干燥,得到孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物。
(8)步骤(7)所孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物在马弗炉内以10℃/分钟的升温速率升至550℃煅烧4小时,最终得到脱除模板剂ZSM-5分子筛产物。
ZSM-5分子筛产物相对结晶度的计算采用XRD图谱上22.5~25°之间待测样品与参比商品样品(南开大学催化剂厂,SiO2/Al2O3摩尔比=38)峰面积之比表示。
所得产物相对结晶度为114.42%,产物SiO2/Al2O3摩尔比为144.12。合成产物晶相结构见图3,外貌形状图见图4。
Claims (1)
1.一种低温碱溶液直接活化尾矿制备ZSM-5分子筛的方法,其特征在于具体步骤为:
(1)将有色金属矿尾矿料进行磨破处理,得到小于100目的原始磨破矿料,于烘箱内100℃~200℃烘干至失重率小于5%,并测试所得干化矿料中SiO2的质量百分比含量;
(2)将步骤(1)所得干化矿料、固体NaOH和蒸馏水按质量比为1:0.8~2.5:10~50的比例在反应釜内进行混匀;
(3)将步骤(2)所得混匀物料在100℃~230℃条件下于反应釜内体系自生压力进行1~8小时活化处理,得到活化矿料液;
(4)将步骤(3)所得活化矿料液进行离心除杂处理,得到上层除杂活化矿料液,离心转速为1500~3000rpm,时间为10~20分钟;
(5)取步骤(4)所得除杂活化矿料液,在40℃~60℃的恒温条件下搅拌1~2小时;以干化矿料中SiO2的量即SiO2投料为基准,计算无水乙醇、四丙级溴化铵即TPABr、晶种和蒸馏水的用量,比例分别为无水乙醇/SiO2投料摩尔比=0.5~4、TPABr/SiO2投料摩尔比=0.005~0.05、晶种/SiO2投料质量比=0.002~0.02和H2O/SiO2投料质量比=5~50;依次加入所需的无水乙醇、四丙级溴化铵和晶种,将所需蒸馏水清洗瓶口粘附的晶种冲洗进合成液,搅拌15分钟;所述晶种为ZSM-5分子筛,其SiO2/Al2O3摩尔比=20~45;
(6)在步骤(5)所得物中滴加质量百分比含量为65%的浓硝酸,调节pH至10.0~11.2,搅拌1小时,然后在40℃~60℃的恒温条件下陈化6~12小时;陈化结束后将所得混合悬浮液转移至耐压密封反应釜中,于150~210℃条件下进行3~30小时静置水热晶化反应;反应结束后过滤,滤渣经洗涤后于100℃~200℃烘箱内干燥,得到孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物;
(7)步骤(6)所孔道内含有有机模板剂的ZSM-5产物在马弗炉内以5~10℃/分钟的升温速率升至500℃~600℃煅烧4小时,最终得到脱除模板剂ZSM-5分子筛产物。
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