環(huán)境功能材料-3-沸石材料課件

沸石材料沸石材料11沸石概述2沸石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性質(zhì)及應(yīng)用3沸石的合成方法1沸石概述2沸石（zeolite）是一種礦石，最早發(fā)現(xiàn)于1756年。瑞典的礦物學(xué)家克朗斯提（Cronstedt）發(fā)現(xiàn)有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒時會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，因此命名為“沸石”（瑞典文zeolit）。在希臘文中意為“沸騰”（zeo）的“石頭”（lithos）。沸石（zeolite）是一種礦石，最早發(fā)現(xiàn)于1756年。瑞典3自然界中的沸石晶體自然界中的沸石晶體4環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件5環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件6工業(yè)中使用的沸石工業(yè)中使用的沸石7實驗室用的沸石實驗室用的沸石8沸石有很多種，它們的共同特點(diǎn)就是具有架狀結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)分子像搭架子似地連在一起，中間形成很多空腔。因為在這些空腔里還存在很多水分子，這些水分在遇到高溫時會排出來。比如用火焰去燒時，大多數(shù)沸石便會發(fā)泡，像是沸騰一般。沸石的名字就是因此而來。沸石有很多種，它們的共同特點(diǎn)就是具有架狀結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)分子像9自然界已發(fā)現(xiàn)的沸石有30多種，較常見的有方沸石、菱沸石、鈣沸石、片沸石、鈉沸石、絲光沸石、輝沸石等。它們含水量的多少隨外界溫度和濕度的變化而變化。晶體所屬晶系隨礦物種的不同而異，以單斜晶系和正交晶系（斜方晶系）的占多數(shù)。自然界已發(fā)現(xiàn)的沸石有30多種，較常見的有方沸石、菱沸石、鈣沸10沸石形成的地質(zhì)條件沸石族礦物常見于噴出巖，特別是玄武巖的孔隙中，也見于沉積巖、變質(zhì)巖及熱液礦床和某些近代溫泉沉積中。沸石主要形成于低溫?zé)嵋弘A段，常見于噴出巖氣孔中，也見于熱液礦床和近代溫泉沉積中。浙江省縉云縣為目前我國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的沸石儲量最高的地區(qū)。沸石形成的地質(zhì)條件沸石族礦物常見于噴出巖，特別是玄武巖的孔隙11內(nèi)蒙古的沸石資源二十世紀(jì)九十年代，烏審旗、鄂前旗境內(nèi)發(fā)現(xiàn)方沸石礦產(chǎn)資源，在7平方公里內(nèi)發(fā)現(xiàn)方沸石礦藏儲藏厚度達(dá)10多米，有的直接裸露在外，其勘探為2376萬噸，為世界第一大方沸石礦藏。內(nèi)蒙古的沸石資源二十世紀(jì)九十年代，烏審旗、鄂前旗境內(nèi)發(fā)現(xiàn)方沸122沸石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性質(zhì)及應(yīng)用沸石結(jié)構(gòu)式為A(x/q)[(AlO2)x(SiO2)y]n(H2O)其中：A為Ca、Na、K、Ba等陽離子，p為陽離子化合價，n為水分子數(shù)，(y/x)通常在1～5之間，(x+y)是單位晶胞中四面體的個數(shù)。2沸石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性質(zhì)及應(yīng)用沸石結(jié)構(gòu)式為13沸石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為硅氧四面體，其中的硅原子，可被鋁原子置換而構(gòu)成鋁氧四面體。但鋁原子是三價的，所以在鋁氧四面體中，有一個氧原子的電價沒有得到中和，而產(chǎn)生電荷不平衡，使整個鋁氧四面體帶負(fù)電。為了保持中性，必須有帶正電的離子來抵消，一般是由堿金屬和堿土金屬離子來補(bǔ)償，如Na、Ca及Sr、Ba、K、Mg等金屬離子。沸石基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為硅氧四面體，其中的硅原子，可被鋁原子置換而構(gòu)成14沸石的晶體結(jié)構(gòu)是由硅（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各種大小不同的空穴和通道，具有很大的開放性。堿金屬或堿土金屬離子和水分子均分布在空穴和通道中，與格架的聯(lián)系較弱。沸石的晶體結(jié)構(gòu)是由硅（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各15沸石的構(gòu)造與石英、長石的骨架有些不同。石英、長石的骨架構(gòu)造比較嚴(yán)緊，比重2.6~2.7，而沸石的骨架構(gòu)造比較空疏，比重2.0~2.2。其脫水后的空腔可大至47%，如菱沸石。合成沸石甚至可達(dá)50%。沸石的構(gòu)造與石英、長石的骨架有些不同。石英、長石的骨架構(gòu)造比16沸石的水分子與骨架離子和可交換金屬陽離子的聯(lián)系一般都是松弛而微弱的。且金屬陽離子位于晶體構(gòu)造較大并相互通連的孔道或空洞間。因此，陽離子可自由地通過孔道發(fā)土交換作用，而不能影響其晶體骨架。水分子比陽離子更自由地可以移動和出入孔道。在有熱力的趨使下，可自由地脫附而不影響其骨架構(gòu)造。沸石的水分子與骨架離子和可交換金屬陽離子的聯(lián)系一般都是松弛而17在長石構(gòu)造中，金屬陽離子都限制在O離子構(gòu)成的晶體骨架的空隙間，除非晶體被破壞，這些金屬陽離子是很難自由活動的。Na或K被Ca里換，必須與Si、Al的置換同時進(jìn)行，即成對置換，必然引起Si/AI比的改變。環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件18環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件19沸石分子篩1932年，McBain提出了“分子篩”的概念。表示可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料。雖然沸石只是分子篩的一種，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子篩”這兩個詞經(jīng)常被混用。沸石分子篩1932年，McBain提出了“分子篩”的概念。表20環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件21分子篩過濾分離在具體的應(yīng)用上，分子篩的孔尺寸非常重要。沸石體分子篩過濾分離在具體的應(yīng)用上，分子篩的孔尺寸非常重要。沸石體22環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件23環(huán)境功能材料-3-沸石材料ppt課件243沸石的合成方法沸石一般為自然資源，雖然人們已經(jīng)掌握了沸石的人工制備技術(shù)，但極少數(shù)的沸石是人工合成的。因為全世界的沸石產(chǎn)量實在多的不象話，甚至在有些國家大部分的石頭都是沸石，且目前沸石有50%以上是用于制造水泥，可見其普遍的程度，因此人工合成沸石很不經(jīng)濟(jì)。盡管如此，人工合成沸石的科學(xué)研究一直都在進(jìn)行中。3沸石的合成方法沸石一般為自然資源，雖然人們已經(jīng)掌握了沸石25粉煤灰合成沸石粉煤灰合成沸石26粉煤灰堿液粉煤灰堿液27掃面電鏡圖片掃面電鏡圖片28XRD分析XRD分析29孔結(jié)構(gòu)分析（BET方法）孔結(jié)構(gòu)分析（BET方法）30吸附實驗針對某一種類型的污染物進(jìn)行吸附實驗。做出吸附等溫線，進(jìn)而得到飽和吸附量等關(guān)鍵參數(shù)。也有研究進(jìn)行吸附動力學(xué)研究，測定吸附速率等。吸附實驗針對某一種類型的污染物進(jìn)行吸附實驗。做出吸附等溫線，31建筑垃圾制備多級孔結(jié)構(gòu)材料的研究沸石制備類研究的實例建筑垃圾制備多級孔結(jié)構(gòu)材料的研究沸石制備類研究的實例32建筑垃圾的環(huán)境危害2破壞土壤建筑垃圾資源化利用3水源污染1占據(jù)土地4粉塵污染建筑垃圾的環(huán)境危害2破壞土壤建筑垃圾資源化利用3水源污染33（1）生產(chǎn)環(huán)保型磚塊（2）制備再生骨料混凝土（3）地基加固、道路墊層目前建筑垃圾的主要再生利用方式（1）生產(chǎn)環(huán)保型磚塊（2）制備再生骨料混凝土（3）地基加固34研究思路水處理濾料建筑垃圾資源化利用建筑材料陶粒產(chǎn)品意義1解決建筑垃圾環(huán)境問題2制備建筑垃圾資源化產(chǎn)品，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益研究思路水處理濾料建筑垃圾資源化利用建筑材料陶粒產(chǎn)品意義35二、建筑垃圾燒制陶粒的工藝研究

建筑垃圾預(yù)處理粉磨混料成球燒結(jié)冷卻水發(fā)泡劑二、建筑垃圾燒制陶粒的工藝研究建筑垃圾預(yù)處理粉磨混料成球燒36典型建筑垃圾樣品化學(xué)成分SiO2CaOAl2O3Fe2O3K2OMgONa2OOthers57.414.912.35.53.12.91.82.1典型建筑垃圾樣品化學(xué)成分SiO2CaOAl2O3Fe2O3K37建筑垃圾熱分析熱工工藝建筑垃圾熱分析熱工工藝38稻殼灰稻殼稻殼灰的發(fā)泡效果稻殼的發(fā)泡效果發(fā)泡劑稻殼灰發(fā)泡劑加入量對陶粒性質(zhì)的影響稻殼灰稻殼稻殼灰的發(fā)泡效果稻殼的發(fā)泡效果發(fā)泡劑稻殼灰發(fā)泡劑加39發(fā)泡機(jī)理的探討燒結(jié)前后稻殼灰的XRD分析發(fā)泡機(jī)理：發(fā)泡機(jī)理的探討燒結(jié)前后稻殼灰的XRD分析發(fā)泡機(jī)理：40燒結(jié)工藝參數(shù)升溫速率和保溫時間對產(chǎn)物的影響燒結(jié)工藝參數(shù)升溫速率和保溫時間對產(chǎn)物的影響41燒結(jié)過程中氣孔演化過程燒結(jié)過程中氣孔演化過程42燒結(jié)前后的物相分析X射線衍射圖譜：（a）燒結(jié)前；（b）燒結(jié)后燒結(jié)前后的物相分析X射線衍射圖譜：（a）燒結(jié)前；（b）燒結(jié)后43建筑垃圾陶粒用作建材骨料表觀密度(g/cm3)堆積密度(g/cm3)吸水率筒壓強(qiáng)度（MPa）CDWA1.861.6411.9%-CDWC0.770.541.7%3.78MPaCDWA普通建筑垃圾骨料和建筑垃圾陶粒性質(zhì)的比較建筑垃圾陶粒用作建材骨料表觀密度堆積密度吸水率筒壓強(qiáng)度CDW44CMUs比重抗壓強(qiáng)度(MPa)MinMaxAverageⅠ（CDWA）1.9612.7316.4914.65Ⅱ（CDWC）1.4418.9719.9619.22兩種骨料配成的混凝土試塊的強(qiáng)度比較混凝土試塊外觀比重抗壓強(qiáng)度MinMaxAverageⅠ（CDWA）1.9645建筑垃圾的重金屬浸出特性

生物掛膜后陶粒的外觀建筑垃圾陶粒用作水處理濾料建筑垃圾的重金屬浸出特性生物掛膜后陶粒的外觀建筑垃圾陶粒用46產(chǎn)業(yè)化的工藝流程設(shè)計產(chǎn)業(yè)化的工藝流程設(shè)計47目的與意義以建筑垃圾為原材料制備出孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的陶粒。并期望將其應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。雖然陶粒表面宏觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，但微觀表面光滑，不利于微生物附著。提出用水熱法在陶粒表面合成沸石，增加其表面積，形成復(fù)合孔結(jié)構(gòu)并使其具有吸附和離子交換等性能。三、陶粒沸石化研究目的與意義以建筑垃圾為原材料制備出孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的陶粒。并期望48技術(shù)路線堿水熱處理燒結(jié)化學(xué)活化沸石結(jié)晶建筑垃圾沸石陶粒陶粒技術(shù)路線堿水熱處理燒結(jié)化學(xué)活化沸石結(jié)晶建筑垃圾沸石陶粒陶粒49不同水熱溫度對產(chǎn)物影響水熱反應(yīng)參數(shù)對產(chǎn)物的影響不同反應(yīng)時間對產(chǎn)物影響不同水熱溫度對產(chǎn)物影響水熱反應(yīng)參數(shù)對產(chǎn)物的影響不同反應(yīng)時間對50反應(yīng)過程及機(jī)理

不同反應(yīng)階段形貌變化：（a）水熱反應(yīng)前陶粒光滑的表面；（b）溶解作用在反應(yīng)界面形成的小坑；（c）~（f）沸石相的晶化和聚集反應(yīng)過程及機(jī)理不同反應(yīng)階段形貌變化：51多級孔隙結(jié)構(gòu)(mm-μm-nm)0.2~1mm陶粒宏觀孔洞0.5μm沸石相形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)nm級沸石內(nèi)部硅鋁骨架結(jié)構(gòu)多級孔隙結(jié)構(gòu)(mm-μm-nm)0.2~1mm0.5μ52(c) 沸石陶粒對重金屬鉛的吸附：（a）鉛離子濃度隨吸附時間的變化（b）

鉛離子初始濃度與去除率之間的關(guān)系（c）

鉛離子的吸附等溫線(a)(b)沸石陶粒吸附重金屬Pb（Ⅱ）(c) 沸石陶粒對重金屬鉛的吸附：(a)(b)沸石陶粒吸附重53鐵負(fù)載沸石陶粒吸附砷Fe負(fù)載沸石陶粒表面形貌能譜分析結(jié)果鐵負(fù)載沸石陶粒吸附砷Fe負(fù)載沸石陶粒表面形貌能譜分析結(jié)果54負(fù)載型沸石陶粒

對砷的吸附老化時間影響pH值影響吸附等溫線負(fù)載型沸石陶粒

對砷的吸附老化時間影響pH值影響吸附等溫線55四、結(jié)論1.利用建筑垃圾成功制備了陶粒產(chǎn)品。除燒結(jié)溫度外，升溫速率、保溫時間等因素對產(chǎn)物的性能有較大影響。經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后制成的產(chǎn)物可以用作輕質(zhì)建筑骨料，性能指標(biāo)符合國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。2.在堿水熱條件下，可在陶粒產(chǎn)品