由工业废渣制备SiO2气凝胶及沸石材料的研究

论文摘要

SiO2气凝胶是一种轻质纳米多孔材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积和低热导率等特点，在许多领域具有广阔的应用前景。而沸石作为一种孔结构丰富的结晶硅铝酸盐，具有比表面积大、水热稳定性高等性能，广泛应用于催化剂、吸附剂、离子交换和新型功能材料等领域。本文旨在利用工业废渣粉煤灰为原料同时制备NaP1型沸石和SiO2气凝胶这两种高附加值多孔材料以及利用工业废渣硅粉为原料来制备SiO2气凝胶。达到粉煤灰和硅粉的“资源化”利用的要求。以工业废渣粉煤灰为原料，将两种新型多孔材料的制备技术融于一条工艺路线中，同时制备出NaP1型沸石和SiO2气凝胶，讨论了不同工艺条件对合成沸石的影响。通过XRD、SEM、FTIR对所合成沸石和气凝胶的物相、显微结构和化学基团进行了观察与分析并讨论了NaP1型沸石对重金属铜离子的吸附性能。结果表明：粉煤灰滤液制备出的SiO2气凝胶呈现出表面比较平整的小孔硅网络结构，比表面积为743m2·g-1，孔体积为2.32mL·g-1，平均孔径为9nm；Si/Al摩尔比为3:1的粉煤灰滤渣和氢氧化钠溶液在90℃下可以水热合成得到结晶度较高的NaP1型沸石；NaP1型沸石对于铜离子具有较高的吸附量，初期其吸附速度较快，30min时吸附量为52.8mg·g-1，之后吸附速度稍有减缓，吸附时间为60min时接近吸附饱和，饱和吸附量可达到82.7mg·g-1。以工业废渣硅粉为原料，通过水热法合成硅酸钠先驱体，采用溶胶-凝胶法制得SiO2湿凝胶，用正己烷/乙醇/三甲基氯硅烷混合溶液对湿凝胶进行改性后，再经常压干燥制备了SiO2气凝胶。利用SEM、FTIR、BET吸附-脱附测试方法对SiO2气凝胶的微观结构、形貌和性质进行了研究。结果表明，SiO2气凝胶具有连续多孔网络结构，比表面积为767～828m2·g-1，孔隙率为91.5%～95.1%。吸附机油的测试结果表明，SiO2气凝胶对于机油模拟的废水表现出优良的吸附性能，饱和吸油率最高可达到1105%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 粉煤灰概述
• 2.1.1 粉煤灰的定义
• 2.1.2 粉煤灰的形成
• 2.1.3 粉煤灰的化学组成成分
• 2.1.4 粉煤灰的性质
• 2.1.5 粉煤灰的显微结构
• 2.1.6 粉煤灰对环境和人类的危害
• 2.1.7 粉煤灰的综合利用现状
• 2.1.7.1 用于建筑工业
• 2.1.7.2 用于处理废水
• 2.1.7.3 用于烟气脱硫
• 2.1.7.4 用于农业方面
• 2.1.7.5 用于化学工业
• 2.2 工业硅粉概述
• 2.2.1 工业硅粉的定义
• 2.2.2 工业硅粉的形成
• 2.2.3 工业硅粉的化学成分
• 2.2.4 工业硅粉的性质
• 2.2.5 工业硅粉的物相结构及其他性能
• 2.2.6 工业硅粉对环境和人类的危害
• 2.2.7 工业硅粉的综合利用
• 2.2.7.1 用于水泥工业
• 2.2.7.2 用于砂浆和混凝土
• 2.2.7.3 用于材料工业中
• 2.2.7.4 其他用途
• 2.3 二氧化硅气凝胶概述
• 2.3.1 二氧化硅气凝胶简介及研究进展
• 2.3.2 二氧化硅气凝胶的性质
• 2.3.3 二氧化硅气凝胶的制备
• 2.3.3.1 溶胶-凝胶过程
• 2.3.3.2 湿凝胶的表面修饰
• 2.3.3.3 湿凝胶的干燥
• 2.3.4 二氧化硅气凝胶的应用
• 2.3.4.1 保温隔热材料
• 2.3.4.2 光学方面的应用
• 2.3.4.3 声阻抗耦合材料及其它方面应用
• 2.4 沸石概述
• 2.4.1 沸石的定义、基本结构
• 2.4.2 沸石的性能特性
• 2.4.3 沸石的分类
• 2.4.4 粉煤灰合成沸石的方法
• 2.4.5 沸石的应用
• 2.4.5.1 沸石处理废水的应用前景
• 2.4.5.2 沸石在治理废气方面的应用
• 2.4.5.3 沸石作为环境材料的应用
• 2.4.5.4 沸石催化剂及其它应用
• 2.5 选题意义
• 第三章 实验方法
• 3.1 实验药品及实验仪器
• 2气凝胶和沸石材料'>3.2 粉煤灰同时制备SiO₂气凝胶和沸石材料
• 3.2.1 粉煤灰的预处理
• 3.2.2 粉煤灰滤渣与滤液的制备
• 2水凝胶'>3.2.3 粉煤灰滤液制备 SiO₂水凝胶
• 2水凝胶的制备'>3.2.4 SiO₂水凝胶的制备
• 3.2.5 粉煤灰滤渣制备沸石多孔材料
• 2气凝胶的工艺'>3.3 利用工业硅粉常压干燥合成SiO₂气凝胶的工艺
• 3.3.1 水玻璃的制备
• 2气凝胶的制备'>3.3.2 SiO₂气凝胶的制备
• 2气凝胶的相关表征'>3.4 SiO₂气凝胶的相关表征
• 3.5 沸石的相关表征
• 3.6 水玻璃模数的测定
• 2气凝胶的密度测定'>3.7 SiO₂气凝胶的密度测定
• 2气凝胶吸附机油的实验研究'>3.8 SiO₂气凝胶吸附机油的实验研究
• 2气凝胶吸附不同油类的实验研究'>3.9 SiO₂气凝胶吸附不同油类的实验研究
• 3.10 沸石材料吸附重金属铜离子的实验研究
• 第四章 结果与讨论
• 2气凝胶的结果与讨论'>4.1 利用工业废渣粉煤灰同时制备沸石和SiO₂气凝胶的结果与讨论
• 4.1.1 X 射线衍射分析
• 4.1.1.1 粉煤灰、粉煤灰经 600℃高温煅烧和粉煤灰滤渣的 XRD 分析
• 4.1.1.2 水热反应温度对于粉煤灰滤渣合成沸石的影响
• 4.1.1.3 不同 Si/Al 摩尔比对于粉煤灰滤渣合成沸石的影响
• 4.1.2 扫描电镜分析
• 4.1.3 红外光谱分析
• 4.1.4 N2吸附-脱附等温线和孔尺寸分析
• 4.1.5 差热分析
• 4.1.6 NaP1 型沸石吸附铜离子的实验分析
• 4.1.6.1 沸石吸附重金属离子的机理分析
• 4.1.6.2 NaP1 型沸石吸附铜离子的性能研究
• 2气凝胶的结果与讨论'>4.2 利用工业废渣硅粉制备SiO₂气凝胶的结果与讨论
• 4.2.1 原始工业硅粉与 600℃煅烧后的工业硅粉 XRD 分析
• 4.2.2 气凝胶的形成机理
• 2气凝胶相关物性参数'>4.2.3 不同碱渣比制备的 SiO₂气凝胶相关物性参数
• 4.2.4 气凝胶的扫描电镜分析
• 4.2.5 气凝胶的红外光谱和疏水性分析
• 4.2.6 气凝胶的 N2吸附-脱附等温线和孔尺寸分析
• 4.2.7 气凝胶的吸油性能分析
• 4.2.7.1 气凝胶的吸油机理探讨
• 2气凝胶吸油性能研究'>4.2.7.2 不同碱渣比制备的 SiO₂气凝胶吸油性能研究
• 4.2.7.3 气凝胶吸附不同油类的研究
• 第五章 结论
• 5.1 实验结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 作者在硕士期间发表的论文