CN113019315A - 一种利用蛋白石页岩制备4a沸石分子筛的方法及其除氮应用 - Google Patents

一种利用蛋白石页岩制备4a沸石分子筛的方法及其除氮应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，包括如下步骤：S1：将蛋白石页岩加入强碱溶液中，搅拌均匀，得到混合溶液A。S2：将偏铝酸钠溶液加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，得到混合溶液B。S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，进行水热反应，得到浑浊液。S4：将步骤S3完成反应的浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。S5：将步骤S4得到的沉淀物烘干，得到4A沸石分子筛。本发明利用廉价易得、高二氧化硅含量的蛋白石页岩，在碱性环境下采用水热法合成4A沸石分子筛，避免了传统方法中价格昂贵的酸处理步骤，避免了废酸液的产生。同时，本发明未使用导向剂，流程简单，价格低廉。

Description

一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法及其除氮应用
技术领域
本发明属于污水脱氮功能材料技术领域，具体涉及一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法及其除氮应用。
背景技术
近年来，随着工业的进步与技术的发展，工业规模日益扩大，各种资源大量使用，促进社会发展的同时也造成了环境破坏与水体污染。农田施肥不当、工业废水排放等原因造成水体富营养化，水中的以氨氮为首的各种污染物严重影响了生态环境与人体健康，对人们的生活质量与用水安全产生威胁。水是人类生存的基础，采取措施改善水环境，治理水体污染是环境保护领域中非常迫切的任务。利用现代技术研制新型功能材料治理水污染已成为材料学科新的研究热点。
目前，吸附法是一种常用且有效的水体净化方法，它以多孔性材料为吸附剂，通过离子交换、静电吸附和络合等过程将水中污染物转移到吸附剂上，以达到去除污染物的目的。吸附法具有水处理效果良好、操作简便等优点，其中应用最广泛的吸附剂是活性炭，其具有比表面积大、活性高的优点，可以对空气和水中的各类物质进行高效吸附。然而，活性炭的机械强度不高，在使用中容易破碎而造成碳粉尘的二次污染，而且活性炭以物理吸附为主，对水中特征离子态污染物不具备吸附选择性，对氨氮一类的水体污染物吸附效果较差。因此人们试图用自然界中其他具有吸附性的多孔性矿物来替代活性炭。其中4A分子筛具有独特的阳离子交换性、吸附选择性和催化性能，已经被用作吸附剂来开发利用。人工合成的分子筛通常采用硅酸钠等工业原料，但这种硅源材料成本高昂，因此近年来研究者尝试采用低成本矿物材料合成4A沸石。沈耀生等人2019年发表《利用高岭土制备4A分子筛》中，介绍了一种制备4A分子筛的方法，即将高岭土煅烧脱羟转化为偏高岭土，在碱性条件下水热合成沸石。申请号为201410485158.2的发明专利公开了一种用粉煤灰制备4A沸石的方法，将粉煤灰用酸性溶液洗涤，再在碱性条件下高温煅烧，冷却结晶得到性能较高的4A沸石。杨洋等人2014年发表的论文《4A分子筛合成研究》中，介绍了用高岭土和凹凸棒石为原料，采用传统的水热法合成4A分子筛。以上方法中所用高岭土、粉煤灰、凹凸棒石等矿物材料均需要经过酸处理，而酸热预处理则导致成本增加及产生大量废酸液的二次污染问题。因此，亟待寻找低成本、高效的4A沸石分子筛合成方法。
蛋白石页岩是我国优势矿产资源，主要产于我国黑龙江嫩江流域与新疆北屯地区，由火山爆发形成的火山灰在空气中灼烧成细小炽热体后落入湖底沉积而成，矿物成分为非晶态蛋白石页岩及少量黏土。蛋白石页岩独特的形成方式使其具有疏松多孔、页状层理、粒度细小且均匀的特征，是用于吸附的良好材料。李青山等人于2003年在《嫩江蛋白石轻质页岩及在高分子材料中的应用》一文中首次报道嫩江蛋白石页岩，文中称“蛋白石页岩矿石呈灰色泥质结构，微层理构造、质地轻、硬度低、均匀粒状易碎；具有孔隙度高、吸水性强、吸附性好等特点。”然而，目前关于嫩江蛋白石页岩的研究较少，尚未寻找到明确的工业应用领域。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术中存在的以硅酸钠作为原料合成4A沸石分子筛造成的成本高、生产过程中酸热预处理导致的成本增加以及产生大量废酸污染物的问题，本发明提供一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法。
另一方面，本发明还提供一种根据上述方法制备得到的4A沸石分子筛在除氨氮方面的应用。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，包括如下步骤：
S1：将蛋白石页岩加入强碱溶液中，搅拌均匀，得到混合溶液A；
S2：将偏铝酸钠溶液加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，得到混合溶液B；
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，进行水热反应，得到浑浊液；
S4：将步骤S3完成反应的浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物；
S5：将步骤S4得到的沉淀物烘干，得到4A沸石分子筛。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S1中，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.1-1mol/L。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S1中，蛋白石页岩为1-20重量份、氢氧化钠为2-5重量份。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S2中，加入偏铝酸钠溶液将SiO2与A12O3的摩尔比调节为1.0-3.0。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S2中，所述偏铝酸钠溶液的浓度为4-12mol/L。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S2中，蛋白石页岩为1-5重量份、偏铝酸钠为0.5-2重量份。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S3中，反应温度为60-130℃，反应时长为6-18h。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S4中，将步骤S3得到的浑浊液在转速为4000-5500rpm下离心2-8min。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S5中，烘干温度为50-60℃，烘干时间为12-24h。
本发明还一种根据上述方法制备得到的4A沸石分子筛在除氨氮方面的应用。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明利用廉价易得、高二氧化硅含量的嫩江蛋白石页岩，在碱性环境下采用水热法合成4A沸石分子筛，避免了传统方法中价格昂贵的酸处理步骤，避免了废酸液的产生。同时，本发明的制备方法中未使用导向剂，大大缩短制备流程、减少废液污染、节约制备成本。
此外，本发明方法所制备的4A沸石分子筛对于氨氮污染物具有优良的吸附去除效果，经实际检测，对氨氮吸附容量最大可达96.35mg/g。
附图说明
图1为本发明中以蛋白石页岩为原料制备的4A沸石分子筛的晶体结构XRD图谱；
图2为本发明中以蛋白石页岩为原料制备的4A沸石分子筛的微观结构图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，包括如下步骤：
S1：将蛋白石页岩加入强碱溶液中，搅拌均匀，得到混合溶液A。
S2：将偏铝酸钠溶液加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，得到混合溶液B。偏铝酸钠溶液的作用是调节SiO2与A12O3的比例。
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，进行水热反应，得到浑浊液。
S4：将步骤S3完成反应的浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。
S5：将步骤S4得到的沉淀物烘干，得到4A沸石分子筛。
本实施例利用廉价易得、高二氧化硅含量的嫩江蛋白石页岩，在碱性环境下采用水热法合成4A沸石分子筛，避免了传统方法中价格昂贵的酸处理步骤，避免了废酸液的产生。同时，本实施例的制备方法中未使用导向剂，大大缩短制备流程、减少废液污染、节约制备成本。
优选地，步骤S1中，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.1-1mol/L。
优选地，步骤S1中，蛋白石页岩为1-20重量份、氢氧化钠为2-5重量份。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S2中，加入偏铝酸钠溶液将SiO2与A12O3的摩尔比调节为1.0-3.0。
如上所述的制备4A沸石分子筛的方法，优选地，步骤S2中，所述偏铝酸钠溶液的浓度为4-12mol/L。优选地，步骤S2中，蛋白石页岩为1-5重量份、偏铝酸钠为0.5-2重量份。
优选地，步骤S3中，反应温度为60-130℃，反应时长为6-18h。
优选地，步骤S4中，将步骤S3得到的浑浊液在转速为4000-5500rpm下离心2-8min。
优选地，步骤S5中，烘干温度为50-60℃，烘干时间为12-24h。
实施例1
本实施例提供一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，包括如下步骤：
S1：称取10g的嫩江蛋白石页岩粉末，加入1mol/L的氢氧化钠溶液20ml，搅拌均匀。
S2：取配制好的8.5mol/L的偏铝酸钠溶液14mL，加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，将SiO2与A12O3的摩尔比调节为1.25，得到混合溶液B。
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，在90℃条件下水热反应4小时，得到浑浊液。
S4：待步骤3所得的溶液冷却至室温后，将浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。
S5：将步骤S4得到的沉淀物在60℃下烘干12小时，得到以蛋白石页岩为原料的4A沸石分子筛。
对本实施例中使用的嫩江蛋白石页岩进行XRF测试，测试结果见表1。
表1蛋白石页岩的元素组成(XRF测试结果)
元素 质量百分比(％)
SiO<sub>2</sub> 85.548
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 9.105
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 2.981
K<sub>2</sub>O 1.193
CaO 0.459
MgO 0.377
TiO<sub>2</sub> 0.339
采用X射线衍射仪对本实施例制备得到的产物进行X射线衍射分析，获得产物的晶体结构XRD图谱，具体见图1。
通过对图1进行分析可知，本实施例利用嫩江蛋白石页岩制备出的产物具有4A沸石分子筛的晶相结构，因此，本实施例成功制备出了4A沸石分子筛。
采用电子显微镜对本实施例制备得到的4A沸石分子筛进行扫描，获得4A沸石分子筛的微观结构示意图，具体见图2。
4A沸石分子筛的典型结构为立方体，而通过图2可知，本实施例利用水热法，以嫩江蛋白石页岩为原料制备得到的沸石同样具有立方体形貌结构。因此，本实施例成功制备出了4A沸石分子筛。此外，对图2进行分析可知，本实施例制备得到的4A沸石分子筛材料尺寸均一，不含杂质，纯度较高。
将本实施例得到的4A沸石分子筛用于除氨氮，具体操作如下：
称取0.01g步骤S5制备的4A沸石分子筛，加入50mL浓度为20mg/L的氯化铵溶液，吸附24小时后，测定溶液中的氨态氮离子浓度。
经过测试，4A沸石分子筛吸附后，溶液中氯化铵的浓度为0.73mg/L，经过计算，本实施例制备的4A沸石分子筛的氨氮吸附容量为96.35mg/g。
实施例2
本实施例提供一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，包括如下步骤：
S1：称取15g的嫩江蛋白石页岩粉末，加入1mol/L的氢氧化钠溶液15ml，搅拌均匀。
S2：取配制好的14mol/L的偏铝酸钠溶液14mL，加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，将SiO2与A12O3的摩尔比调节为1.875，得到混合溶液B。
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，在100℃条件下水热反应12小时，得到浑浊液。
S4：待步骤3所得的溶液冷却至室温后，将浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。
S5：将步骤S4得到的沉淀物在60℃下烘干12小时，得到以蛋白石页岩为原料的4A沸石分子筛。
将本实施例得到的4A沸石分子筛用于除氨氮，具体操作如下：
称取0.01g步骤S5制备的4A沸石分子筛，加入50mL浓度为20mg/L的氯化铵溶液，吸附24小时后，测定溶液中的氨态氮离子浓度。
经过测试，4A沸石分子筛吸附后，溶液中氯化铵的浓度为0.5mg/L，经过计算，本实施例制备的4A沸石分子筛的氨氮吸附容量为97.5mg/g。
实施例3
本实施例提供一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，包括如下步骤：
S1：称取5g的嫩江蛋白石页岩粉末，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液20ml，搅拌均匀。
S2：取配制好的4mol/L的偏铝酸钠溶液10mL，加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，将SiO2与A12O3的摩尔比调节为2.5，得到混合溶液B。
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，在110℃条件下水热反应10小时，得到浑浊液。
S4：待步骤3所得的溶液冷却至室温后，将浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。
S5：将步骤S4得到的沉淀物在60℃下烘干24小时，得到以蛋白石页岩为原料的4A沸石分子筛。
将本实施例得到的4A沸石分子筛用于除氨氮，具体操作如下：
称取0.01g步骤S5制备的4A沸石分子筛，加入50mL浓度为20mg/L的氯化铵溶液，吸附24小时后，测定溶液中的氨态氮离子浓度。
经过测试，4A沸石分子筛吸附后，溶液中氯化铵的浓度为0.82mg/L，经过计算，本实施例制备的4A沸石分子筛的氨氮吸附容量为95.9mg/g。
对比例1
本对比例提供一种4A沸石分子筛的制备方法，包括如下步骤：
S1：将蛋白石废矿进行酸处理以消除蛋白石废矿中凹凸棒石、白云石等杂质的影响。
S2：称取10g经过酸处理的蛋白石粉末，加入1mol/L的氢氧化钠溶液20ml，搅拌均匀。
S3：取配制好的8.5mol/L的偏铝酸钠溶液14mL，加入步骤S2得到的混合溶液A中，搅拌均匀，得到混合溶液B。
S4：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，在90℃条件下水热反应4小时，得到浑浊液。
S5：待步骤4所得的溶液冷却至室温后，将浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。
S6：将步骤S5得到的沉淀物在60℃下烘干12小时，得到以蛋白石废矿为原料的4A沸石分子筛。
称取0.01g上述方法制备的4A沸石分子筛，加入50mL浓度为20mg/L的氯化铵溶液，吸附24小时后，测定溶液中的氨态氮离子浓度。
经过测试，4A沸石分子筛吸附后，溶液中氯化铵的浓度为9.378mg/L，经过计算，本实施例制备的4A沸石分子筛的氨氮吸附容量为53.11mg/g。
对比例2
本对比例提供一种4A沸石分子筛的制备方法，包括如下步骤：
S1：称取10g的嫩江蛋白石页岩粉末，加入1mol/L的氢氧化钠溶液20ml，搅拌均匀。
S2：取配制好的8mol/L的偏铝酸钠溶液5mL，加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，将SiO2与A12O3的比例调节为5.0，得到混合溶液B。
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，在90℃条件下水热反应4小时，得到浑浊液。
S4：待步骤3所得的溶液冷却至室温后，将浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物。
S5：将步骤S4得到的沉淀物在60℃下烘干12小时，得到以蛋白石页岩为原料的4A沸石分子筛。
称取0.01g上述方法制备的4A沸石分子筛，加入50mL浓度为20mg/L的氯化铵溶液，吸附24小时后，测定溶液中的氨态氮离子浓度。
经过测试，4A沸石分子筛吸附后，溶液中氯化铵的浓度为12.5mg/L，经过计算，本实施例制备的4A沸石分子筛的氨氮吸附容量为37.5mg/g。
以上实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种利用蛋白石页岩制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将蛋白石页岩加入强碱溶液中，搅拌均匀，得到混合溶液A；
S2：将偏铝酸钠溶液加入步骤S1得到的混合溶液A中，搅拌均匀，得到混合溶液B；
S3：将步骤S2得到的混合溶液B置于反应釜，进行水热反应，得到浑浊液；
S4：将步骤S3完成反应的浑浊液进行离心，弃去上清液，得到沉淀物；
S5：将步骤S4得到的沉淀物烘干，得到4A沸石分子筛。
2.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S1中，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为0.1-1mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S1中，蛋白石页岩为1-20重量份、氢氧化钠为2-5重量份。
4.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S2中，加入偏铝酸钠溶液将SiO2与A12O3的摩尔比调节为1.0-3.0。
5.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S2中，所述偏铝酸钠溶液的浓度为4-12mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S2中，蛋白石页岩为1-5重量份、偏铝酸钠为0.5-2重量份。
7.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S3中，反应温度为60-130℃，反应时长为6-18h。
8.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S4中，将步骤S3得到的浑浊液在转速为4000-5500rpm下离心2-8min。
9.根据权利要求1所述的制备4A沸石分子筛的方法，其特征在于，步骤S5中，烘干温度为50-60℃，烘干时间为12-24h。
10.一种根据权利要求1-9所述的方法制备得到的4A沸石分子筛在除氨氮方面的应用。
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