方沸石生长调控及钾离子吸附性能研究

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粉煤灰(CFA)是燃煤发电厂产生的工业固体废弃物,随着人们对电力能源需求的不断增大,粉煤灰的排放量也逐年增加。粉煤灰的大量排放不仅占用土地,造成空气和水体污染,而且威胁到人类的健康。由于CFA中含有大量的硅、铝组分,为多孔硅铝酸盐材料的制备提供了可能。本文以粉煤灰中提取的硅酸钠和氢氧化铝为原料,通过水热合成法制备方沸石,优化了方沸石水热合成体系的工艺参数(硅铝比、晶化温度、晶化时间),考察了阴离子型、阳离子型和非离子型有机空间位阻剂对方沸石生长过程的调控作用机制,探究了方沸石的晶化动力学规律,采用XRD、SEM、FT-IR、BET和PSD对方沸石产物进行表征分析,最后探究了空间位阻作用和添加纳米碳纤维协同作用对方沸石的孔道结构的影响,评价了方沸石对K+的吸附性能。研究结果如下:(1)以提取的硅酸钠和氢氧化铝为原料合成高纯度方沸石分子筛条件为:n(SiO2)/n(Al2O3)为8,反应温度210℃,反应时间12 h。(2)添加有机空间位阻剂可有效调控分子筛晶粒大小,提升其比表面积,且产品产率得到提高。其中,当添加0.5wt%SDBS时,分子筛产品结晶度高、尺度均一,晶粒平均尺寸最小达2.0μm。此时制备的方沸石对K+吸附能力强,在25℃下吸附20 min时,K+的最大吸附率可达87.36%。(3)适宜条件下,方沸石晶体生长曲线呈现“S”型生长。一定范围内,晶体的成核速率与温度正相关,与前驱液浓度不成线性关系,温度越高分子筛成核越快、生长速率越大;在反应体系中添加阴离子型空间位阻剂SDBS,晶体成核速率最快、分子筛生长速率最大。(4)添加空间位阻剂使碳纳米纤维的分散性得到提升,碳纳米纤维掺杂方沸石的孔容增大,比表面积增大;空间位阻剂对方沸石孔道调控能力大小为:CTMAB+ANACNF组>SDBS+ANACNF组>PVP+ANACNF组。(5)添加不同空间位阻剂下,碳纳米纤维掺杂的方沸石对K+的吸附能力大小为:CTMAB+ANACNF组>SDBS+ANACNF组>PVP+ANACNF组;方沸石对K+的吸附动力学可通过准二阶动力学方程描述,相关系数R2>0.99。建立Langmuir等温吸附方程得到添加CTMAB时合成方沸石的饱和吸附量最大为78.686mg/g;建立Freundlich等温吸附方程得到添加CTMAB时合成方沸石吸附K+时,相关系数R2>0.99,1/n>1,Freundlich常数KF最大值为528.68。
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