高燒失硅藻土的炭化處理及吸附特性研究

I硅藻土與腐殖土的炭化處理及吸附特性研究摘要硅藻土是遠(yuǎn)古時期硅藻類植物的遺骸，主要成分是非晶態(tài)蛋白石，在其表面沉積附著著大量的天然有機(jī)物。這些成分復(fù)雜的有機(jī)物在適當(dāng)?shù)奶幚項l件下，可發(fā)生炭化反應(yīng)，在多孔的硅藻土表面原位附著一層炭化膜，改變原來的 SiO2的表面性質(zhì)及吸附性能。但一直以來這方面的研究還非常有限。腐殖土作為植物的殘骸，其中所含的有機(jī)物與硅藻土中的有機(jī)質(zhì)有著一定的相似之處，因此可以對腐殖土進(jìn)行類似處理，來對硅藻土的炭化進(jìn)行對照研究。利用硅藻土表面沉積的有機(jī)質(zhì)原位合成炭化膜，主要是控制反應(yīng)過程中 O2的參與，因此可以考慮不使用惰性氣體保護(hù)焙燒法、碳熱還原法及水熱炭化法等?？紤]到現(xiàn)有的實驗條件，選擇以碳熱還原法為主，水熱炭化法為輔，研究硅藻土有機(jī)質(zhì)的炭化過程，以及由此產(chǎn)生的影響。本論文分別以國產(chǎn)的低品位高燒失內(nèi)蒙硅藻土及市售腐殖土為原料，采用碳熱還原法及水熱炭化法進(jìn)行炭化處理，在材料表面制成具有一定吸附能力的活性炭膜。研究炭化條件（包括溫度和 pH）對炭化效果的影響。通過 X 射線衍射儀、差熱-熱重分析等技術(shù)手段對炭化后的硅藻土、腐殖土進(jìn)行元素組成、礦物相、熱性能、形貌分析表征。實驗結(jié)果表明：在 600-1000區(qū)間內(nèi)，缺氧煅燒的硅藻土燒失量及對亞甲基藍(lán)的吸附性能隨溫度的升高而逐漸降低。同樣條件下，腐殖土在 800的燒失量最高并且吸附性最好。經(jīng)過參考資料及對實驗結(jié)果的分析，可以初步確定硅藻土的最佳炭化條件為缺氧 600。水熱炭化實驗中，在給定的范圍內(nèi)，pH 越高、反應(yīng)時間越短、離子強(qiáng)度越大，炭化硅藻土的吸附效果越好。因此，最佳水熱炭化條件為 180水熱24h、pH=10、有 NaCl。關(guān)鍵詞：硅藻土；腐殖土；炭化處理；水熱炭化；吸附性能IIDiatomite and humus soil carbonized processing and its residue of adsorption performanceAbstractDiatomite is the remains of ancient times diatom plants, and its main component is amorphous silica, and plenty of natural organic matter attach to the surface. These complicated component of organic matter can take the carbonation reaction in proper processing condition. Attach a layer of carbonation membrane on the surface of porous diatomite, change the surface properties and adsorption properties. But the research of this aspect is still very limited.As plant debris, the organic matter in humus soil has a certain similarity of that in diatomite. So, we can do the similar treatment between humus soil and diatomite to do the research of diatomites carbonized processing and its residue of adsorption. In-situ synthesis carbonation membrane by using the surface depositional organic matter of diatomite, mainly control the oxygens participation during the process of reaction. So we can consider to use the method of roasting under the protection of inert gas, Carbothermic Reduction method and hydrothermal carbonization method. Considering the existing experimental conditions, the choice is given priority to Carbothermic Reduction method, and given auxiliary to hydrothermal carbonization method. study the carbonation process of organic matter on the surface of diatomite and the resulting effects.This paper on the basis of the Nei monggol low-grade diatomite and humus soil for raw material, using the Carbothermic Reduction method and hydrothermal carbonization method to its carbonized, manufacture the activated carbon with adsorption properties. Research carbonized conditions(include the temperature and pH and ion intensity)to the influence of carbon. By X-ray diffraction, differential thermal analyzer and thermogravimetric analyzer to the diatomite carbonization composition, mineral phases for elements, thermal properties, morphology characterized. The experimental results show that: in 600-1000 range, oxygen calcined diatomite ignition loss and adsorption properties of methylene blue was gradually IIIdecreased with the rise of temperature.Hydrothermal carbonization experiment, within the scope of the given conditions, the higher the pH, shorter reaction time, ion strength, the greater the income of the carbonized diatomite adsorption effect is better. Therefore, optimum hydrothermal carbonization conditions for the pH = 10, 24 h with NaCl.Key words：diatomite; humus soil;carbonization;Hydrothermal carbonization; adsorption performance目錄摘要 .IAbstract.II目錄 .4第 1 章 緒論 .11.1 硅藻土概述 .11.3 活性炭的性質(zhì) .41.4 活性炭的制備方法 .41.5 硅藻土的炭化方法 .71.6 研究意義與內(nèi)容 .7第 2 章 實驗部分 .92.1 原土處理與表征 .92.2 實驗方法 .122.3 實驗儀器及藥品 .152.4 分析表征儀器及方法 .16第 3 章 結(jié)果與討論 .173.1 炭熱還原法的炭化效果 .173.2 水熱炭化法的炭化效果 .223.3 樣品對亞甲基藍(lán)的吸附效果 .29第 4 章 結(jié) 論 .32參考文獻(xiàn) .33致 謝 .34英文翻譯 .I中文翻譯 .XIII第 1 章 緒論 1第 1 章 緒論1.1 硅藻土概述1.1.1 硅藻土的定義硅藻土是海洋湖泊中生長的單細(xì)胞硅藻類植物的殘骸在水底沉積，經(jīng)自然環(huán)境作用而逐漸形成的一種非金屬礦物。這種硅藻能夠吸收水中游離的硅，從而導(dǎo)致其殘骸主要礦物成分是非晶態(tài)的二氧化硅，另外還含有少量鉀、鈉、鈣、鎂、鋁等元素的氧化物及少量其他礦物成分。我國硅藻土資源豐富，是世界上硅藻土儲量多的國家之一。1.1.2 硅藻土的性質(zhì)硅藻土主要以藻殼狀存在的，這些藻殼呈弱酸性，原因是它們的表面存在著大量的羧基。硅藻殼體上面的為空分布均勻、分體密度小、比表面積大，具有較強(qiáng)的吸附特性及過濾能力。硅藻土在顏色上，從白色到灰白、淺灰褐色，其中以白色硅藻土質(zhì)量最佳。具有細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔性、吸水性及滲透性強(qiáng)的特性；形貌上，有針、孔、圓盤及羽狀等。硅藻土的硬度低，孔隙率高，硅藻土是聲、熱、電的不良導(dǎo)體，熔點在 1650-1750，能夠吸收自身重量 1.5-4 倍的水。除氫氟酸以外不溶于任何強(qiáng)酸，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。1.1.3 硅藻土的主要用途硅藻土有著廣泛的用途，這主要取決于它眾多優(yōu)良的特性。細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔性、吸水性及滲透性強(qiáng)等特性可以應(yīng)用在污水處理，第 1 章 緒論 2催化劑載體方面、助濾劑、表面活性劑及輕質(zhì)建材等方面。硅藻土聲、熱、電的不良導(dǎo)體特性，使其可以作為輕質(zhì)材料、絕緣材料以及隔音材料。這里介紹一些近期硅藻土的應(yīng)用：橡膠業(yè)：在車輛輪胎、汽車腳墊等各種橡膠制品中作為填料使用。其利用的優(yōu)點：能明顯增強(qiáng)制品的剛性及強(qiáng)度，使其沉降體積達(dá) 95%，并且能夠有效地提高產(chǎn)品在耐熱、耐磨、保溫、抗老化等方面的性能。建筑保溫業(yè)：屋頂?shù)母魺釋?、保溫磚、隔音保溫防火裝飾板等一系列保溫、隔熱、隔音建材、地磚、陶瓷制品等。硅藻土在水泥生產(chǎn)中作添加劑，在生產(chǎn)水泥時添加 5%硅藻土，可提高強(qiáng)度，可作為搶險水泥使用。塑料業(yè)：生活、建筑塑料制品塑料制品，農(nóng)用、窗門塑料、塑料管道、其它輕重工業(yè)。原因在于其有優(yōu)良的延伸性，有較高的沖擊、拉伸、撕裂強(qiáng)度，質(zhì)輕、耐磨性好等方面的特性。油漆涂料業(yè)：家具、辦公用油漆、建筑涂料、機(jī)械、家電油漆、油印墨、瀝表、汽車油漆等各種油漆涂料填料；其利用的優(yōu)點在于 pH 值中性、無毒，細(xì)度 120 目至 1200 目，質(zhì)輕軟，是油漆中的優(yōu)質(zhì)填料。1.2 硅藻土的利用現(xiàn)狀1.2.1 國外硅藻土的利用現(xiàn)狀1 助濾劑硅藻土的一個主要用途是生產(chǎn)助濾劑，它的品種最多、用量最大。粉狀的硅藻土制品可以有效地去除液體中的固體顆粒物質(zhì)、懸浮物及膠體粒子，甚至對于細(xì)菌又有濾除作用。助濾劑在啤酒業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、過濾凈水、有機(jī)染料涂料、調(diào)味料等。2 涂料及填料將硅藻土用作填料就是將硅藻土添加到材料或者產(chǎn)品中，用以改善及提高其性能，所以填料通常也叫做功能材料 1。目前國外硅藻土制品中有 21% 23%都應(yīng)用在填料上。美國硅藻土填料的年產(chǎn)量為 10 萬噸左第 1 章 緒論 3右，但是這個數(shù)字正在逐漸減少。德國用于生產(chǎn)油漆、塑料填料以及炸藥吸收劑的原料是法國生產(chǎn)的硅藻土填料，這種填料擁有較高的白度。3 建材及絕熱保溫材料外國生產(chǎn)硅藻土建材及保溫材料的國家主要有羅馬尼亞、丹麥、日本、英國、俄羅斯等。硅藻土制品主要有隔熱磚、硅鈣板、粉料、硅酸鈣制品以及水泥添加劑、輕質(zhì)骨料、瀝青路面混合添加劑等。1.2.2 我國硅藻土利用現(xiàn)狀1 硅藻土助濾劑的發(fā)展硅藻土助濾劑廣泛地應(yīng)用在醫(yī)藥、化工、石油、污水處理等方面。成都理工大學(xué)將硅藻土助濾劑應(yīng)用于綜合的血漿過濾；咸陽的非金屬礦研究院使用硅藻土研制顯像管熒光粉，質(zhì)量大為提高，效果達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水準(zhǔn) 2。2硅藻土涂料及填料的發(fā)展硅藻土廣泛應(yīng)用于熟料、橡膠等復(fù)合材料的填料。填料的性能主要取決于硅藻土的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、顆粒的粒度及形狀、表面性質(zhì)等。現(xiàn)代新型復(fù)合材料不僅要求所用填料能夠降低成本，更重要的是要能夠提高填充材料的特性或者具有補(bǔ)強(qiáng)、增強(qiáng)的作用。3 建筑材料及絕熱保溫材料的發(fā)展近年來，以硅藻土為主要材料，添加一些其他的化合物，可以制得多種新型的高性能建材。例如在硅藻土里添加 K2O 及一些其他有機(jī)化合物，經(jīng)高溫處理以后可以制成可導(dǎo)電、防火的涂料。從硅藻土里提取SiO2、少量的 Al2O3，再添加一些堿金屬，按照一定的工序處理，可以制得隔熱性、吸聲性很好的泡沫玻璃。在保溫絕熱材料中，硅藻土具有比海泡石、輕質(zhì)碳酸鈣更好的性能 3。4 硅藻土的綜合利用發(fā)展前景在催化劑載體上，硅藻的利用僅限于釩觸媒及鎳觸媒，在其他方面的應(yīng)用還比較少。在不久的將來，伴隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，利用硅藻土做載體將會應(yīng)用到水合、氣化、加氫及脫氫等反應(yīng)當(dāng)中。國家建委已經(jīng)下發(fā)文件，要大力發(fā)展輕質(zhì)建筑材料，來減輕建筑負(fù)擔(dān)，這樣的話第 1 章 緒論 4對于利用硅藻土生產(chǎn)輕質(zhì)磚及輕質(zhì)骨料的發(fā)展將會有很大的促進(jìn)作用。1.3 活性炭的性質(zhì)活性炭主要有含碳量較高的物質(zhì)組成，除了碳以外，還含有少量的氫、氧、氮，色澤為黑色。作為一種多孔徑的炭化物，有著十分豐富的空隙構(gòu)造，具有很好的吸附性?；钚蕴康奈轿皆碇饕譃槲锢砦揭约盎瘜W(xué)吸附?；钚蕴康奈教匦圆粌H取決于其空隙結(jié)構(gòu)，還取決于其化學(xué)組成。物理吸附只要用于除去液相及氣相中的雜質(zhì)?；钚蕴康亩嗫捉Y(jié)構(gòu)使其具有很大的比表面積（1500m 2/g 以上） ，使得它可以輕易地吸收其他相中的雜質(zhì)。不同大小孔徑的活性炭只能吸附比其孔徑小的雜質(zhì)?；瘜W(xué)吸附主要是由于活性炭的表面存在著少量有機(jī)物，這些有機(jī)物可以與雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而被吸附到活性炭表面。活性炭吸附性的分析及表征的指標(biāo)主要有甲基橙的吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值、碘值及焦炭脫色率等 4。其吸附性受自身孔結(jié)構(gòu)的影響較大。影響硅藻土孔結(jié)構(gòu)的因素主要有：孔徑結(jié)構(gòu)、孔隙形態(tài)、孔隙開閉狀態(tài)、孔內(nèi)灰分雜質(zhì)的多少等。1.4 活性炭的制備方法1.4.1 物理活化法物理活化法是先將原料進(jìn)行炭化，然后再在氣體（水蒸氣、CO 2 等）活化劑的處理下制備活性炭的方法，通常又稱為氣體活化法（具體流程見圖 1.1） 。使用氣體活化主要有以下三個作用：除去孔隙結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)物質(zhì)；選擇性地活化