高嶺土的低聚態(tài)處理及其應用——沸石與氣凝膠的高嶺土合成及表征.pdf

1、所謂高嶺土是一種以高嶺石族粘土礦物為主的非金屬礦產，它廣泛應用于造紙、陶瓷、耐火材料、醫(yī)藥、化工，尤其是石油化工等領域。高嶺石是地表最常見的粘土礦物之一，其理想化學式為Al4[Si4O10](OH)8，晶體結構是由鋁氧二八面體層(O)和硅氧四面體層(T）按TO1∶1排列而成，因氧、硅、鋁的豐度位于地殼的前三位，因此是廉價合成鋁硅酸鹽沸石的理想礦物原料。但是晶態(tài)的高嶺石具有極高的化學穩(wěn)定性，無法直接用于沸石合成。所以傳統的生產工藝在高嶺土

2、精礦用于合成沸石之前必須經700～900℃高溫煅燒，將其轉化為無定形的偏高嶺土，以消除高嶺土的化學穩(wěn)定性。但是煅燒工藝需要消耗大量燃料，能耗高、污染重，與低碳經濟和綠色環(huán)保的趨勢背道而馳。此外，高嶺土精礦中所殘存的雜質礦物，如石英和云母，會嚴重影響沸石的產品質量。本文旨在開發(fā)一種新的高嶺土活化新工藝，對高嶺土進行低聚化處理，將高嶺土轉化為不依賴于原料的活性硅鋁低聚態(tài)物質，并應用于合成沸石等鋁硅酸鹽產品。
　　從本質上講，煅燒活化高

3、嶺土是將高嶺石中六配位的AlⅥ部分歧化反應為五配位AlⅤ和四配位的AlⅣ。AlⅤ和AlⅣ具有更高的反應活性，AlⅤ和AlⅣ可以通過H+的攻擊斷裂Al-O-Si鍵轉化為高活性Al3+并脫離原聚集態(tài)。本論文發(fā)明了一種低溫(160～240℃)堿熱活化處理方法，可將高嶺石中AlⅥ全部轉化為AlⅣ，再進行酸性解聚，并通過對處理條件（體系濃度、溫度和時間等）的優(yōu)化，得到低聚態(tài)的高嶺土酸解液，并以此為原料合成了各種沸石分子篩。通過XRD、NMR等分析

4、表證手段對高嶺土的解聚機理進行了深入的探討。利用該方法合成沸石分子篩無需煅燒活化高嶺土，大大降低了能耗，并可以去除高嶺土內的石英和云母或將其轉化為合成原料。此外，該方法獲得的產品較傳統煅燒方法具有均一的粒徑和形貌，更高的白度和離子交換能力。
　　當高Si/Al比時，由于鋁氧四面體[AlO4]被硅氧四面體[SiO4]緊密包圍，高穩(wěn)定性的硅氧四面體[SiO4]阻止了H+對AlⅣ的攻擊，最終導致后續(xù)酸性解聚反應的失敗。本論文對上述低溫(

5、160～240℃)堿熱活化處理工藝又進行了進一步優(yōu)化，不僅可將高嶺石中AlⅥ全部轉化為AlⅣ，同時還可避免四配位的鋁氧四面體[AlO4]被硅氧四面體[SiO4]緊密包圍，即避免不溶硅鋁酸鹽在活化過程中出現，解決了對高嶺土和石英共存體系低聚化處理中的關鍵問題。在此基礎上通過優(yōu)化探索實驗條件分別合成了納米級的Y型沸石、絲光沸石、ZSM-5沸石和SAPO-34沸石等產品，為最終實現高嶺土原礦直接合成沸石提供了實驗基礎。
　　上述高嶺土低

6、聚化處理關鍵性問題的解決，為克服硅、鋁組分對來源的依賴，將高嶺土應用于具有高附加值的領域提供了可能，本文首次以高嶺土為原料成功合成出硅鋁氣凝膠。硅鋁氣凝膠材料具有極低的密度和超高的比表面積，是典型的多孔材料，極佳的催化劑載體和保溫材料。高嶺土成分與硅鋁氣凝膠成分相似但是卻無法作為硅鋁氣凝膠的合成原料。高嶺土經過煅燒后，其中高嶺石的晶體結構雖然被破壞，但是其中的氧化硅和氧化鋁依然保持高聚態(tài)，只有激烈礦化條件才能完成硅鋁的解離和重排。而高嶺