论文总字数：22046字

目 录

一 绪论 6

1.1凹凸棒石结构和性质 6

1.1.1 结构 6

1.1.2 性质 7

1.2凹凸棒土的应用 8

1.2.1 水处理 8

1.2.2 分子筛 8

1.3凹凸棒土的改性 8

1.3.1热处理改性 9

1.3.2有机改性 9

1.3.3 酸处理改性 10

1.4研究目标及主要内容 10

二 实验方法 12

2.1实验材料及设备 12

2.1.1 原料 12

2.2实验过程 12

2.2.1凹凸棒土的热处理实验 12

2.2.2 吸附实验 12

2.3 性能表征 13

2.3.1热分析 13

2.3.2 X射线衍射分析 13

2.3.3红外光谱分析 13

2.3.4 透射电子显微镜 13

2.3.5 数码相机 14

三 热处理对凹凸棒土结构和形貌的影响 14

3.1凹凸棒土的热分析 14

3.2 凹凸棒土的形貌分析 15

3.2.1 数码照片观察 15

3.3 凹凸棒土的结构分析 21

3.3.1 XRD分析 21

3.3.2 FTIR分析 24

四 凹凸棒土的吸附性能研究 26

4.1吸附性能实验 26

4.1.1 吸附性能与时间的关系 28

4.1.2 吸附动力学 29

4.2 热处理温度对吸附性能的影响 29

4.2.1 吸附性能与热处理温度的关系 29

4.2.2 热处理温度对吸附性能的影响机理 30

五 结论 31

参考文献 31

致谢 34

热处理对凹凸棒土的结构和性能影响研究

陈玉春

，China

Abstract: Modification is needed before the application of attapulgite. Heat treatment is used to improve the properties of attapulgite. In this paper, finer attapulgite powders came from Xu Yi, Jiangsu province were heated at a range of temperature. Then the methods of DSC, XRD, FTIR and TG were used to analysis the sintered powders. Ultraviolet spectrophotometry was used to test the decolorization ability of the sintered attapulgite to methyl blue solution. The results showed that microporous structure of attapulgite kept completely when the temperature of heat treatment is lower than 800℃. While microporous structure distortion begun to be observed in the samples sintered at the temperature higher than 800℃, which led to destruction of the attapulgite structure finally. Attapulgite sintered at 200℃ showed the best decolorization ability to methyl blue solution, and the rate of decolorization attained a peak value.

Keywords: Attapulgite; Heat treatment; Crystal structure; Adsorption performance; Methylene blue

一 绪论

凹凸棒石矿物世界各地均有分布,中国,美国和西班牙等国家都有大量ATP矿产资源。许冀泉等研究人员于1976年在中国江苏省六合县发现了凹凸棒石粘土矿,由此开始了对凹凸棒土的研究与应用。二十世纪八十年代初，,研究人员在江苏盱眙县也发现该矿,经过南京地勘部门勘查,发现盱眙凹凸棒石矿矿床规模很大;1984年南京地质队在安徽省嘉山县一带也找到了凹凸棒石矿,之后全国各地都发现了凹凸棒石粘土矿,但是各地矿床大小质量参差不齐。盱眙地区的矿藏资源丰富、储存量很大,该地区已经查明储存量的凹凸棒石粘土总量在6700万吨以上。

从1935年凹凸棒土发现凹凸棒土,有关于凹凸棒石的研究历史有七十多年了,国外美国和欧洲部分国家对凹凸棒土研究已有大量矿物学文献。中国研究凹凸棒土历史较晚,始于1980苏皖地区凹凸棒石矿被发现以后,随后在全国多个地区发现了该矿床,我国对凹凸棒土的作为功能性材料的研究才渐渐兴起,并在二十一世纪初达到高峰。

1.1凹凸棒石结构和性质

1.1.1 结构

凹凸棒石(ATP,也称为坡缕石)是一种天然水分与纳米镁铝硅酸盐矿物。凹凸棒石外形表现出土状或致密块状,一般由沉积岩和风化岩中的泥土产出,颜色有灰白色,米色,青灰绿色和灰色等,粉质松软，有些具有丝绸光泽。土质十分细腻,有滑腻触感,质量很轻很脆,吸水性能很强。润湿时具有粘性和可塑性,干燥之后收缩率小所以裂纹不明显,遇水浸泡会发生崩散。悬浮液若是遇到电介质会产生不絮凝状沉淀。

凹凸棒石结构特征为2:1型层链状，像夹心饼干型。结构中会出现晶格置换,所以容易

图1 凹凸棒土理想结构示意图

与外界离子结合。晶体中含有不等量的Na 、Al³ 、Fe³ 、Ca² 等阳离子,晶体呈现出纤维状、纤维聚集状或针状。凹凸棒石八面体中含有元素为Al、Mg和Fe,可看作这些养离子的类质同象置换。而且,类质同象置换量的不同,会直接影响到其结构中八面体阳离子的结构电荷和空位量。Si是四面体匹配多面体中心重要的离子。OH^-是八面体中阴离子,通常占据八面体M1和M2匹配阴离子位置。理想结构（如图1）的ATP化学式^［1］为,由于部分Mg可能被Fe或Al替代,实际成分不同地区都不同。其结构可看作两个二氧化硅键与铝离子八面体结合。凹凸棒石中所含微量矿物为碳酸盐矿物杂质O、O、CaO等,也含有少量伊利石和蒙脱石。

凹凸棒土区别于其它硅酸盐矿物在于,它含有四种形态水,第一种为表面吸附水、第二种为晶体结构内的结晶水、第三种晶体内部孔道的沸石水,第四种为与中间层阳离子结合的结构水。

1.1.2 性质

ATP具有高度有序的孔隙结构(如沸石),这使得它在吸附/催化应用方面有潜力,因为它具有独特的组合属性例如水热稳定性、酸度和毛孔存在稳定性等。凹凸棒石具有突出的的高温稳定、分散均匀、和耐酸碱等性质,所以其性质十分稳定,可在酸碱环境下使用，且具有极高的胶体塑性质和吸附性。还具备一定的可塑性能及粘结能力。凹凸棒石莫氏硬度为2-3,比重大约为2.05-2.32,堆积密度为0.68以下,可加热到700-800摄氏度。凹凸棒土晶体结构排列有序,具有独特的晶体结构，其结构会伴随着很特多物理化学工艺性能。凹凸棒土具有许多优良的性能,其主要物理化学性能和工艺性能有:吸水脱水性、离子交换性、脱色性、结构可恢复性、吸附性,和膨胀容。凹凸棒土有着特殊的结构从而决定了其具有大的比表面积。天然凹凸棒石总是通常含有矿物杂质,因为凹凸棒石有很多的晶格缺陷,晶格置换性强,所以其实际比表面积会地小于理论值。这样会影响凹凸棒土性能的发挥。一般凹凸棒石的比表面积理论值在146-210。凹凸棒土的吸附过程分为物理吸附过程和化学吸附过程。凹凸棒土的吸附作用主要是通过物理和化学吸附过程的结合来实现。凹凸棒止的吸附性能的评估主要取决于其比表面积大小和膨胀容。

凹凸棒石在表面含很多的碱性中心和酸性中心,其性能具有较强的极性,所以具有选择吸附性能^[2],优先选择吸附极性强的物质,这为污染物质提供了一些物质的富集、干燥和净化新方法,这提高了凹凸棒土的研究价值。近几年,研究人员大量地研究凹凸棒土的吸附性能,也得到了一些数据 。研究表明,凹凸棒土对镉^[3]、铅^[4]、铜^[5]等重金属具有特殊的吸附作用,可以应用于重金属的污水处理和污染土壤的清洁^[6]等,对环保有重要意义。

在工业中,ATP价格约为200$每吨,是沸石价格的十分之一^[7]。由于其具有低成本,环保等性能和特殊结构,ATP的研究受到重视。当前对ATP的应用主要集中在一些低增值领域。作为干燥剂使用是工业ATP最主要市场之一。ATP同样可作为脱色剂和增粘剂。在这些情况下,ATP原材料未经处理或与其他添加剂简单混合。发展高增值应用ATP(如用沸石做吸附剂和催化剂)是迫切需要的。根据之前的调查和深入分析,发现狭窄多孔网络分子尺寸限制诱导吸附物/反应物的扩散,这严重阻碍了活动网的可用性,使得ATP体积不能充分利用^[8]。

研究人员采用一些方法旨在提高ATP的性能,酸活化是一种常用方法。例如,用盐酸(HCL)处理ATP在很大程度上改变其结构和表面性能。然而,盐酸水溶液在八面体中优先提取金属离子。孔隙度和催化性能的提高不明显。除了酸活化,用有机改性增强ATP吸附容量和选择性。虽然ATP表面性能改性,其有机组织、毛孔和渠道保持不变。裁剪沸石孔隙结构的合成方法已经有所发展,然而,提高ATP孔隙率的有效方法的发展仍是一个伟大的挑战。

1.2凹凸棒土的应用

我国凹凸棒石矿产资源丰富,具有很高的工业价值,且相比于其他国家性能优良。在建材方面,凹凸棒石具阻燃作用和增强用,可作为阻燃材料和增强材料。因为其有很好的长短距离比和曲折的的内孔道,在高温下脱水会产生水蒸气,占用了氧气的空间,把氧气排出,这样能起到阻隔氧气的作用,并产生氧化物隔离层。在显微镜里观察到凹凸棒石涂料的涂膜晶体呈现蜘蛛网状排列,这使得凹凸棒石涂料覆盖完全,匀称地分布在有机粘结剂中。与传统的涂料相比,凹凸棒土涂料具有很多优点:涂刷性好,不流挂,节省涂料的用量。

1.2.1 水处理

在脱色及水处理方面,凹凸棒土有良好的的吸附性能,工业凹凸棒石粘土是较为理想的吸附剂,吸附性能良好，可替代活性炭。它清除颜色、除臭、重金属离子和致癌物质,具备选择性能。它可作为冰箱除臭剂、油脂精炼脱色剂,和污水处理剂,效果明显，成本低廉。在医药方面,一般用凹凸棒土作药物的载体、填充物和添加剂。在吸附过程中和污水处理中,凹凸棒石粘土都可以重复利用,环保。水净化的主要顺序是经过凝结、沉淀、滤过和化学处理,能明显地除去大多数污染沉淀和杀死大多数细菌虫子,但是除去毒素和重金属离子等物质还有待研究。这时候可以用凹凸棒石粘土可实现,通过吸附污染水可以消除这些细菌。若要使利用过的凹凸棒土能再次利用,可以用高温加热或加化学剂的改性方法使凹凸能重复利用。在酿造工业方面,凹凸棒土能用来吸附葡萄酒和啤酒等, 可以除去酒中的杂质,这样能保证酒质量,改善酒质外观，使酒质纯净。

1.2.2 分子筛

凹凸棒土还可以作为原料用于分子筛方面。分子筛的粒子直径为2-10mm,含有水的量1.5%,密度在0.68以下,能广泛应用在化工工业中。我国每年需要消耗很多分子筛,比如4A分子筛消费120万吨,而凹凸棒土具有比较强选择吸附性能,所以能作为分子筛的原料,所以凹凸棒土资源对于化工业的发展有重大意义。凹凸棒土还可以作为干燥剂,作为干燥剂需要精加工制成,制成的成品具有蜂窝状的孔隙,这使得干燥剂有很强吸附性，干燥剂的比表面积增大,使吸湿率增大，理论吸湿率变化范围23.38-27.43%。

1.3凹凸棒土的改性

凹凸棒土因其具有自身矿物局限性,所以有很多性能如吸附性不能很好的表达,需要对凹凸棒土原材料进行改性处理,以获得良好的性能。目前有很多关于凹凸棒土结构及表面性能改性的研究^[9-12]。凹凸棒土改性方法众多,常用的改性方法分为无机改性和有机改性。无论哪种方法，其目的都是一样，即疏通凹凸棒土结构中的孔道。无机改性可以分为高温活化和酸活化;两者原理大致相同。有机改性有两种理论:有的研究者认为通过有机改性剂与凹土间的化学键或实现凹凸棒土的有机改性;有其他研究表明可通过一定量的有机离子来做凹凸棒土有机改性实验。

1.3.1热处理改性

高温活化是通过对凹凸棒土进行高温焙烧可以脱除凹凸棒土水份及孔隙中的杂质,破坏凹凸棒土表面形成的水分子薄膜,减小吸附阻力,从而提高了凹凸棒土的吸附性能。黄健花^[13]等人研讨了凹凸棒土在加热过程各种水的变化,理论上热处理凹凸棒土会脱出很多种类的水，实验过程可能发生以下变化:
0-200℃主要为干燥剂吸附环境的水脱出，250℃吸附水被除去:



剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22046字

相关图片展示：