[发明专利]一种陶粒-沸石复合型高性能吸附材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种陶粒‑沸石复合型高性能吸附材料及其制备方法，具体是以粉煤灰和煤矸石为原料，煤粉为发泡剂，第一步进行烧结，制备陶粒；然后将焙烧后的陶粒和十水碳酸钠研磨混合后直接置入反应釜，在一定温度下密封静置合成陶粒‑沸石复合型高性能吸附材料。本发明合成的沸石化陶粒吸附性能远高于常规陶粒，对废水中的重金属吸附效果良好，且陶粒沸石化过程不产生碱性废水，合成过程更加环保。本发明以粉煤灰和煤矸石为原料，采用烧结‑无溶剂晶化“二步法”制备陶粒‑沸石复合型高性能吸附材料，工艺简单、沸石化过程绿色环保、适用范围广，不仅可以缓解粉煤灰和煤矸石带来的环境问题，也可实现粉煤灰和煤矸石的高附加值利用。

技术领域

本发明属于高性能吸附材料制备领域，具体涉及一种以粉煤灰和煤矸石为原料制备的陶粒-沸石复合型高性能吸附材料及采用烧结-无溶剂晶化“二步法”的制备工艺。

背景技术

目前，随着国家环境保护政策的不断加强以及国家可持续发展政策提出，有关大宗工业固废的综合利用实验研究得到更多的支持。工业固废的治理已经从单纯的以堆放为主向综合利用，资源化利用转变。粉煤灰主要来自以煤为燃料的火力发电厂，为燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰中的化学成分主要以(28.5-66.0wt.％)SiO₂及(12.5-55.0wt.％)Al₂O₃为主，并含有一定量的金属化合物以及未燃尽的有机质。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石，采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。煤矸石主要成分为(45-60wt.％)SiO₂及(20-30wt.％)Al₂O₃，以石英、高岭石等形式存在，还有少量金属氧化物。粉煤灰与煤矸石在环境修复领域均有巨大的应用价值，研究表明，粉煤灰与煤矸石中的一些SiO₂、Al₂O₃等组分对污水中的磷酸盐、重金属等具有较强的吸附效果，因此，目前很多研究都以粉煤灰与煤矸石作为制备陶粒的原料，实现其资源化利用。

陶粒形态、成分均匀，且密度小、强度高、耐磨损、内部多孔隙，具有质轻、强度高、吸音、耐酸碱、耐腐蚀及抗震、抗冻、抗渗、化学稳定性好等优良性能，因此作为吸附剂广泛应用于水处理领域。改变烧制原料中粉煤灰的占比，能够影响陶粒的性能。粉煤灰占比为10％-20％时可烧制超轻陶粒、粉煤灰占比为20％-50％时可烧制轻质陶粒。研究发现将粉煤灰掺入玻璃制备的过程中，随着掺入量增加，大部分重金属浸出浓度均在1mg/L以下。煤矸石制备陶粒工艺，当煤矸石和页岩的混合比例为4:1，并适当掺入辅料，最终烧成陶粒熟料的强度较高，达到800级；当煤矸石、粉煤灰和添加剂比例为78：15：7时，陶粒熟料的堆积密度785kg/m³、筒压强度5.9MPa、吸水率3.5％。但普通陶粒的孔径分布主要是大孔道为主，这将导致其吸附量和吸附率降低，将严重影响其工业化应用。

沸石分子筛材料一种含结晶水的碱金属或碱土金属的铝硅酸盐晶体，其内部充满了细微的孔穴和通道，具有非常好的吸附性能。当前沸石均以化学试剂、工业固废、农业固废为原料进行制备，其中利用固废制备沸石是当前研究热点，但利用固废制备沸石需进行活化处理来满足沸石制备的原料要求，活化过程常需高温焙烧、碱熔活化、酸浸除杂等工序，且合成沸石为单一沸石晶体结构，难以满足当下复杂、多成分复合污染物的处理要求，存在应用结构单一、适用性差等弊端。同时，当前所制备的沸石均以粉末形式存在，在应用中必须经过成型操作(如球形、柱形、条形颗粒等)方可进入反应器，存在过程复杂、材料强度低、重复利用效率差等问题。

本研究通过分析当前陶粒及沸石利用存在的问题，提出陶粒-沸石复合型高性能吸附材料。充分发挥陶粒强度大、孔道丰富、孔隙尺寸范围大、易于分离，以及沸石吸附性能优异、比表面积大等特点，开发新型固废基复合材料。通过调整粉煤灰与煤矸石用量，调整陶粒-沸石复合型高性能吸附材料的硅铝比，为粉煤灰与煤矸石的高附加值利用开发一个新思路。

发明内容