環(huán)境功能材料3沸石材料

環(huán)境功能材料3沸石材料第1頁/共63頁1沸石概述2沸石的結(jié)構(gòu)特點、性質(zhì)及應用3沸石的合成方法第2頁/共63頁沸石（zeolite）是一種礦石，最早發(fā)現(xiàn)于1756年。瑞典的礦物學家克朗斯提（Cronstedt）發(fā)現(xiàn)有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒時會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，因此命名為“沸石”（瑞典文zeolit）。在希臘文中意為“沸騰”（zeo）的“石頭”（lithos）。第3頁/共63頁自然界中的沸石晶體第4頁/共63頁第5頁/共63頁第6頁/共63頁工業(yè)中使用的沸石第7頁/共63頁實驗室用的沸石第8頁/共63頁

沸石有很多種，它們的共同特點就是具有架狀結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)分子像搭架子似地連在一起，中間形成很多空腔。因為在這些空腔里還存在很多水分子，這些水分在遇到高溫時會排出來。比如用火焰去燒時，大多數(shù)沸石便會發(fā)泡，像是沸騰一般。沸石的名字就是因此而來。第9頁/共63頁自然界已發(fā)現(xiàn)的沸石有30多種，較常見的有方沸石、菱沸石、鈣沸石、片沸石、鈉沸石、絲光沸石、輝沸石等。它們含水量的多少隨外界溫度和濕度的變化而變化。晶體所屬晶系隨礦物種的不同而異，以單斜晶系和正交晶系（斜方晶系）的占多數(shù)。第10頁/共63頁沸石形成的地質(zhì)條件沸石族礦物常見于噴出巖，特別是玄武巖的孔隙中，也見于沉積巖、變質(zhì)巖及熱液礦床和某些近代溫泉沉積中。沸石主要形成于低溫熱液階段，常見于噴出巖氣孔中，也見于熱液礦床和近代溫泉沉積中。浙江省縉云縣為目前我國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的沸石儲量最高的地區(qū)。第11頁/共63頁內(nèi)蒙古的沸石資源二十世紀九十年代，烏審旗、鄂前旗境內(nèi)發(fā)現(xiàn)方沸石礦產(chǎn)資源，在7平方公里內(nèi)發(fā)現(xiàn)方沸石礦藏儲藏厚度達10多米，有的直接裸露在外，其勘探為2376萬噸，為世界第一大方沸石礦藏。第12頁/共63頁2沸石的結(jié)構(gòu)特點、性質(zhì)及應用沸石結(jié)構(gòu)式為A(x/q)[(AlO2)x(SiO2)y]n(H2O)其中：A為Ca、Na、K、Ba等陽離子，p為陽離子化合價，n為水分子數(shù)，(y/x)通常在1～5之間，(x+y)是單位晶胞中四面體的個數(shù)。第13頁/共63頁沸石基礎結(jié)構(gòu)為硅氧四面體，其中的硅原子，可被鋁原子置換而構(gòu)成鋁氧四面體。但鋁原子是三價的，所以在鋁氧四面體中，有一個氧原子的電價沒有得到中和，而產(chǎn)生電荷不平衡，使整個鋁氧四面體帶負電。為了保持中性，必須有帶正電的離子來抵消，一般是由堿金屬和堿土金屬離子來補償，如Na、Ca及Sr、Ba、K、Mg等金屬離子。第14頁/共63頁沸石的晶體結(jié)構(gòu)是由硅（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各種大小不同的空穴和通道，具有很大的開放性。堿金屬或堿土金屬離子和水分子均分布在空穴和通道中，與格架的聯(lián)系較弱。第15頁/共63頁沸石的構(gòu)造與石英、長石的骨架有些不同。石英、長石的骨架構(gòu)造比較嚴緊，比重2.6~2.7，而沸石的骨架構(gòu)造比較空疏，比重2.0~2.2。其脫水后的空腔可大至47%，如菱沸石。合成沸石甚至可達50%。第16頁/共63頁沸石的水分子與骨架離子和可交換金屬陽離子的聯(lián)系一般都是松弛而微弱的。且金屬陽離子位于晶體構(gòu)造較大并相互通連的孔道或空洞間。因此，陽離子可自由地通過孔道發(fā)土交換作用，而不能影響其晶體骨架。水分子比陽離子更自由地可以移動和出入孔道。在有熱力的趨使下，可自由地脫附而不影響其骨架構(gòu)造。第17頁/共63頁在長石構(gòu)造中，金屬陽離子都限制在O離子構(gòu)成的晶體骨架的空隙間，除非晶體被破壞，這些金屬陽離子是很難自由活動的。Na或K被Ca里換，必須與Si、Al的置換同時進行，即成對置換，必然引起Si/AI比的改變。第18頁/共63頁第19頁/共63頁沸石分子篩1932年，McBain提出了“分子篩”的概念。表示可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料。雖然沸石只是分子篩的一種，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子篩”這兩個詞經(jīng)常被混用。第20頁/共63頁第21頁/共63頁分子篩過濾分離在具體的應用上，分子篩的孔尺寸非常重要。沸石體第22頁/共63頁第23頁/共63頁第24頁/共63頁3沸石的合成方法沸石一般為自然資源，雖然人們已經(jīng)掌握了沸石的人工制備技術(shù)，但極少數(shù)的沸石是人工合成的。因為全世界的沸石產(chǎn)量實在多的不象話，甚至在有些國家大部分的石頭都是沸石，且目前沸石有50%以上是用于制造水泥，可見其普遍的程度，因此人工合成沸石很不經(jīng)濟。盡管如此，人工合成沸石的科學研究一直都在進行中。第25頁/共63頁粉煤灰合成沸石第26頁/共63頁粉煤灰堿液第27頁/共63頁掃面電鏡圖片第28頁/共63頁XRD分析第29頁/共63頁孔結(jié)構(gòu)分析（BET方法）第30頁/共63頁吸附實驗針對某一種類型的污染物進行吸附實驗。做出吸附等溫線，進而得到飽和吸附量等關(guān)鍵參數(shù)。也有研究進行吸附動力學研究，測定吸附速率等。第31頁/共63頁建筑垃圾制備多級孔結(jié)構(gòu)材料的研究沸石制備類研究的實例第32頁/共63頁建筑垃圾的環(huán)境危害2破壞土壤建筑垃圾資源化利用3水源污染1占據(jù)土地4粉塵污染第33頁/共63頁（1）生產(chǎn)環(huán)保型磚塊（2）制備再生骨料混凝土（3）地基加固、道路墊層目前建筑垃圾的主要再生利用方式第34頁/共63頁研究思路水處理濾料建筑垃圾資源化利用建筑材料陶粒產(chǎn)品意義1解決建筑垃圾環(huán)境問題2制備建筑垃圾資源化產(chǎn)品，產(chǎn)生經(jīng)濟效益第35頁/共63頁二、建筑垃圾燒制陶粒的工藝研究

建筑垃圾預處理粉磨混料成球燒結(jié)冷卻水發(fā)泡劑第36頁/共63頁典型建筑垃圾樣品化學成分SiO2CaOAl2O3Fe2O3K2OMgONa2OOthers57.414.912.35.53.12.91.82.1第37頁/共63頁建筑垃圾熱分析熱工工藝第38頁/共63頁稻殼灰稻殼稻殼灰的發(fā)泡效果稻殼的發(fā)泡效果發(fā)泡劑稻殼灰發(fā)泡劑加入量對陶粒性質(zhì)的影響第39頁/共63頁發(fā)泡機理的探討燒結(jié)前后稻殼灰的XRD分析發(fā)泡機理：第40頁/共63頁燒結(jié)工藝參數(shù)升溫速率和保溫時間對產(chǎn)物的影響第41頁/共63頁燒結(jié)過程中氣孔演化過程第42頁/共63頁燒結(jié)前后的物相分析X射線衍射圖譜：（a）燒結(jié)前；（b）燒結(jié)后第43頁/共63頁建筑垃圾陶粒用作建材骨料表觀密度(g/cm3)堆積密度(g/cm3)吸水率筒壓強度（MPa）CDWA1.861.6411.9%-CDWC0.770.541.7%3.78MPaCDWA普通建筑垃圾骨料和建筑垃圾陶粒性質(zhì)的比較第44頁/共63頁CMUs比重抗壓強度(MPa)MinMaxAverageⅠ（CDWA）1.9612.7316.4914.65Ⅱ（CDWC）1.4418.9719.9619.22兩種骨料配成的混凝土試塊的強度比較混凝土試塊外觀第45頁/共63頁建筑垃圾的重金屬浸出特性

生物掛膜后陶粒的外觀建筑垃圾陶粒用作水處理濾料第46頁/共63頁產(chǎn)業(yè)化的工藝流程設計第47頁/共63頁目的與意義以建筑垃圾為原材料制備出孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達的陶粒。并期望將其應用于水處理領域。雖然陶粒表面宏觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，但微觀表面光滑，不利于微生物附著。提出用水熱法在陶粒表面合成沸石，增加其表面積，形成復合孔結(jié)構(gòu)并使其具有吸附和離子交換等性能。三、陶粒沸石化研究第48頁/共63頁技術(shù)路線堿水熱處理燒結(jié)化學活化沸石結(jié)晶建筑垃圾沸石陶粒陶粒第49頁/共63頁不同水熱溫度對產(chǎn)物影響水熱反應參數(shù)對產(chǎn)物的影響不同反應時間對產(chǎn)物影響第50頁/共63頁反應過程及機理

不同反應階段形貌變化：（a）水熱反應前陶粒光滑的表面；（b）溶解作用在反應界面形成的小坑；（c）~（f）沸石相的晶化和聚集第51頁/共63頁多級孔隙結(jié)構(gòu)(mm-μm-nm)0.2~1mm陶粒宏觀孔洞0.5μm沸石相形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)nm級沸石內(nèi)部硅鋁骨架結(jié)構(gòu)第52頁/共63頁(c) 沸石陶粒對重金屬鉛的吸附：（a）鉛離子濃度隨吸附時間的變化（b）

鉛離子初始濃度與去除率之間的關(guān)系（c）

鉛離子的吸附等溫線(a)(b)沸石陶粒吸附重金屬Pb（Ⅱ）第53頁/共63頁鐵負載沸石陶粒吸附砷Fe負載沸石陶粒表面形貌能譜分析結(jié)果第54頁/共63頁負載型沸石陶粒

對砷的吸附老化時間影響pH值影響吸附等溫線第55頁/共63頁四、結(jié)論1.利用建筑垃圾成功制備了陶粒產(chǎn)品。除燒結(jié)溫度外，升溫速率、保溫時間等因素對產(chǎn)物的性能有較大影響。經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后制成的產(chǎn)物可以用作輕質(zhì)建筑骨料，性能指標符合國家相應標準。2.在堿水熱條件下，可在陶粒產(chǎn)品的表面制