摘 要

高岭土和铝土矿在我国储量丰富，属于廉价的矿物资源。选取两者作为合成沸石分子筛的铝源、硅源，既合理利用了资源，又拓展了其应用，提高了两种矿物的附加值。

本文以高岭土和铝土矿为原料，经酸化、焙烧活化、陈化、晶化过程制备了单一晶相的4A沸石。详细探究了焙烧温度、焙烧时间、SiO₂/Al₂O₃(摩尔比)、Na₂O/SiO₂(摩尔比)、陈化及晶化条件对制备4A沸石的影响，确定了制备4A沸石较佳的工艺条件：焙烧温度850℃、焙烧时间2h、SiO₂/Al₂O₃(摩尔比)为2.00、Na₂O/SiO₂(摩尔比)为2.20、陈化温度70℃、陈化时间2h、晶化温度90℃、晶化时间5h。对较佳工艺条件下制备的A型沸石进行了XRD、SEM、FT-IR、N₂吸附-脱附表征分析，并测定其钙离子交换量为314mgCaCO₃/g-干基。进一步研究了较佳工艺条件下制备的4A型沸石对Pb(Ⅱ)离子的吸附性能。结果表明，4A型沸石吸附性能较好，0.05g沸石吸附50mL、500mg/L的Pb(Ⅱ)离子溶液时，吸附量为477.6mg/g。本工艺方法无需添加额外的硅源和铝源，具有生产成本低，工艺简单，生产周期短，去除铁杂质后制备的4A沸石性能良好的优点。

关键词：高岭土；铝土矿；焙烧；4A沸石

Abstract

The reserves of kaolin and bauxite are abundant in our country and belong to cheap mineral resources. The both of them are used as the silicon source and aluminum source for synthesizing zeolite molecular sieves, which not only makes reasonable use of resources, but also expands their application and improves the added value of the two minerals.

A single crystal phase 4A zeolite was synthesized by kaolin and bauxite as raw materials after acidifying, calcined activating, ageing and crystallizing. The effects of calcination temperature, calcination time, SiO₂/Al₂O₃ (molar ratio), Na₂O/SiO₂ (molar ratio), aging and crystallization conditions on the synthesis of 4A zeolite were investigated in detail. The optimum conditions were as follows: calcination temperature 850℃, calcination time 2h, SiO₂/Al₂O₃ (molar ratio) is 2.00, Na₂O/SiO₂ (molar ratio) is 2.20, aging temperature is 70℃, aging time is 2h, crystallization temperature is 90℃, and crystallization time is 5h. XRD, SEM, FT-IR and N₂ adsorption-desorption analysis were carried out for the synthesis of zeolite A with the optimum conditions. The amount of calcium ion exchange was 314mgCaCO₃/g-dry basis. The adsorption of Pb(Ⅱ) by zeolite 4A synthesized under the optimum conditions was studied and the adsorption performance was better, 0.05g zeolite adsorbed 50mL of a 500mg/L lead ion solution with an adsorption capacity of 477.6mg/g. The process does not need to add additional silicon source and aluminum source, which has the advantages of low production cost, simple process, and short production cycle and has a good performance of 4A zeolite after iron removal.

Keywords: kaolin; bauxite; roasting; 4A zeolite

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1高岭土和铝土矿的组成及应用 1

1.1.1高岭土的组成及应用 1

1.1.2铝土矿的组成及应用 1

1.2 由天然矿物合成沸石分子筛研究 2

1.2.1 4A沸石分子筛 2

1.2.2 合成方法 3

1.2.3合成工艺 3

1.3含铅废水 4

1.3.1来源 4

1.3.2危害 5

1.3.3处理 5

1.4研究背景 5

1.5研究目标 6

第二章 实验部分 7

2.1 实验仪器与试剂 7

2.2 实验表征 8

2.2.1 XRD 8

2.2.2 XRF 8

2.2.3 FT-IR 9

2.2.4 SEM 9

2.2.5 N₂吸附-脱附 9

2.3 性能测试 9

2.3.1钙离子交换量的测定 9

第三章 高岭土和铝土矿合成4A沸石分子筛的研究 11

3.1 4A型沸石分子筛的合成 11

3.1.1 高岭土的成分及结构分析 11

3.1.2 铝土矿的成分及结构分析 12

3.1.3 高岭土的酸浸除铁 13

3.1.4 实验过程 14

3.2 影响合成A型沸石分子筛的因素 15

3.2.1 焙烧温度 15

3.2.2 焙烧时间 17

3.2.3 SiO₂/Al₂O₃(摩尔比) 18

3.2.4 Na₂O/SiO₂(摩尔比) 19

3.2.5酸化 21

3.2.6 陈化及晶化条件 21

3.3 合成A型沸石分子筛的表征 23

3.3.1 XRD 23

3.3.2 FT-IR 24

3.3.3 SEM 24

3.3.4 N₂吸附-脱附 25

3.4合成A型沸石对铅离子的吸附 26

3.4.1 pH值的影响 27

3.4.2 沸石投加量的影响 28

3.4.3 吸附时间的影响 29

3.4.4 循环再生性 30

第四章 结论与展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1高岭土和铝土矿的组成及应用

1.1.1高岭土的组成及应用

高岭土是一种在我国储量极其富厚的矿物产品，以高岭石族等矿物为主^[1]。高岭土的结构式为A1₄Si₄(OH)₈，属于层状硅酸盐，其理想成分是SiO₂45.54%、Al₂O₃39.5%、H2O13.96%，同时还含有TiO₂、Fe₂O₃、MgO、CaO、K₂O、Na₂O等成分，对于大多数高岭土样品来说，要么SiO₂含量过多或者Al₂O₃含量过多。高岭土主要含有高岭石等矿物，还含有一些杂质型矿物，比如有长石族矿物、二氧化钛、二氧化硅、云母族矿物、白铁矿、胶岭石和一些含铁的氧化物等。

高岭土的结构式是A1₄Si₄(OH)₈，主要为硅铝酸盐化合物，而且成分中含有水，是一种层状构造，具有较小的粒状性，和其他一般的矿物进行比较，有着十分特殊的性质^[2]，因而有着十分普遍的应用。其应用主要为以下几个方面：