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生物质气化发电厂稻壳灰(下文统称为稻壳灰)主要成分是Si02、碳及少量无机氧化物,若大量的稻壳灰得不到合理处理,将造成严重的环境污染。研发高附加值的富硅产品,同时将碳资源充分利用将是稻壳灰高效利用的最佳发展方向。现有文献绝大多数是以实验室自制稻壳灰为原料进行研究,本文直接以生物质气化发电厂废弃稻壳灰为原料,将其与碱液反应进行硅碳分离,利用碱溶制备的硅溶胶水热合成高附加值ZSM-5分子筛,利用滤渣制备高比表面积活性炭。
利用碱溶法对稻壳灰所含硅碳进行分离,考察了颗粒大小,KOH溶液浓度,反应温度和反应时间对Si溶出率的影响,确定了碱溶分离过程最优工艺:100日筛下料为原料,碱溶温度为150℃,KOH浓度为lmol/L,碱溶时间为5h;对碱溶滤液成分和滤渣形貌、孔道结构分析发现,滤液成分较为复杂,加大了ZSM-5分子筛的合成难度,经彻底清洗后的滤渣比表面积达559.56m2/g。
以碱溶滤液为硅源,采用水热合成法制备ZSM-5分子筛。研究了在复杂合成体系中,模板剂种类、模板剂用最、Si/Al比、晶化温度、晶化时间等因素对ZSM-5分子筛合成过程的影响;采用XRD、SEM、ICP、TG-DSC、N2吸附脱附等手段进行表征,结果表明,以乙醇为模板剂未能合成出ZSM-5分子筛,而在同等条件下,以商业水玻璃能合成出晶形较为完备的ZSM-5分子筛,说明在稻壳灰制备的硅溶胶复杂体系中,ZSM-5分子筛合成条件较为苛刻;以TPABr为模板剂在较宽Si/AI比范围内(15-2002)均可合成出ZSM-5分子筛,当Si/Al比为30-2002时,分子筛产物晶形较为完备;晶化时间为24h时,硅铝比为30时收率达最大值86.6%,硅铝比为45时结晶度最好,随着Si/A1比的提高,收率逐渐降低;随着晶化时间的延长,ZSM-5相对结晶度先逐渐增加然后有所降低:ZSM-5分子筛产品结晶度达商业ZSM-5分子筛的93.58%,具有良好的热稳定性和较大的比表面积,微孔分布集中于0.53nm,经550℃焙烧5h后仅含O、Si、Al、K元素。
以碱溶滤渣为原料,采用KOH化学活化法制备活性炭。通过正交实验和单因素实验,考察了活化剂用量、活化时间、活化温度、颗粒度、载气流量等因素对活性炭吸附性能的影响。随着碱碳比的增加、活化时间的延长、活化温度的上升,活性炭的碘吸附值呈先增大然后减小趋势,活性炭收率呈减小趋势。确定了最佳活化工艺:碱碳比为4:1,活化温度为750℃,活化时间为120min,原料粒度为100目筛下料,载气流量为lOOml/L。活性炭产品碘吸附值达1792.26mg/g,比表面积达1587.76 m2/g,极微孔集中分布于0.49nm,微孔集中分布于0.8-1.03nm,中孔集中分布于2-10nmo,灰分含量为1.03%,优于国家标准(GB/T12496.8-1999)。本文认为利用稻壳灰制备ZSM-5分子筛和高比表面积活性炭不仅有助于解决环境污染问题,还具有一定的工业实用价值,具有广阔的应用前景。