环境功能材料 3 沸石材料

0.0
0
0.1
0.2
0.4
0.8
发泡剂与建筑垃圾的质量比
稻壳灰发泡剂加入量对陶粒性质的影响
发泡机理的探讨
发泡机理：
烧结前后稻壳灰的XRD分析
烧结工艺参数
2.2 2.0 1.8 1.6 1.6
视密度 孔径
1.8
1.4 1.2 1.0
2.5
视密度
1.6
孔径
1.4
2.0
视密度
1.4 1.2 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
100
50
0
100
50
200
50
300
（c） 铅离子的吸附等温线
Ce (mg/L)
铁负载沸石陶粒吸附砷
(a) (b)
1 - Analcime 2 - Magnetite
intensity
2
(c)
2 1
20 m
FMZC
20 m
(d)
1 1 1 11
10 m
1
1
ZC
8 m
10
20
30 40 50 60 Fe负载沸石陶粒表面形貌
500
adsorption time (h)
(a)
0 0
75 initial concentration of 75 Pb2+ (mg/L)
0
2 0 4 2 6 4 8 6 10 8 12 10 14 12 16 14
(b)
70
16
0
70
100 0
200 100
300 200
2+
400 300
500 400
沸石分子筛
• 1932年，McBain提出了“分子筛”的概 念。表示可以在分子水平上筛分物质的 多孔材料。虽然沸石只是分子筛的一种， 但是沸石在其中最具代表性，因此“沸 石”和“分子筛”这两个词经常被混用。
分子筛过滤分离
• 在具体的应用上，分 子筛的孔尺寸非常重 要。
沸石体
3 沸石的合成方法
2 沸石的结构特点、性质及应用
• 沸石结构式为
• A(x/q) [ (AlO2)x (SiO2)y ] n(H2O)
• 其中：A为Ca、Na、K、Ba等阳离子，p为阳离子化合
价，n为水分子数， (y/x)通常在1～5之间，(x+y)是单
位晶胞中四面体的个数。
• 沸石基础结构为硅氧四面体，其中的硅原子， 可被铝原子置换而构成铝氧四面体。 • 但铝原子是三价的，所以在铝氧四面体中，有 一个氧原子的电价没有得到中和，而产生电荷 不平衡，使整个铝氧四面体带负电。
颗粒
筛选机 烘干机 球磨机
细粉
混合机
球磨机
混合浆
稻壳
球磨机
稻壳炭
细粉炭
成球机
成品陶粒
陶粒
筛分机
烧结窑 雷蒙磨 粉煤燃烧器
烧成品 成品陶砂
料球
三、陶粒沸石化研究
目的与意义
1. 以建筑垃圾为原材料制备出孔隙结构发 达的陶粒。并期望将其应用于水处理领 域。 2. 虽然陶粒表面宏观孔隙结构发达，但微 观表面光滑，不利于微生物附着。 3. 提出用水热法在陶粒表面合成沸石，增 加其表面积，形成复合孔结构并使其具 有吸附和离子交换等性能。
4 粉尘污染 3 水源污染 2 破坏土壤
1 占据土地
建筑垃圾资源化利用
目前建筑垃圾的主要再生利用方式
（3）地基加固、道路垫层 （2）制备再生骨料混凝土
（1）生产环保型砖块
研究思路
建筑垃圾
资源化利用
陶粒产品
建筑材料 1 解决建筑垃圾环境问题
水处理滤料
意义
2 制备建筑垃圾资源化产品，产生经济效益
二、建筑垃圾烧制陶粒的工艺研究
70
80
2 / degree
能谱分析结果 m2/g 比表面积变化
陶粒 Wt. % 2.07 At. %
Element
Fe 48.83 22.47
C 9.91 21.20
O
27.88 44.79
沸石陶粒 0.96 0.65 45.56 1.07 0.68
0.4
0.0
2
1.0
K2O 3.1
★
0.8
the C&D waste used MgO in this study Na2O
Others
2.9
0.6
1.8
2.1
0.6
0.4
0.8
0.2
Al O 1.0
2 3
0.0 Flux 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0
建 筑 垃 圾 热 分 析
0
8
200
qe (mg/g)
experiment data langmuir fit for experiment data
150
（a）铅离子浓度随吸附时间的变化 （b） 铅离子初始浓度与去除率之间的关系
100
150
qe (mg/g)
100
qe (mg/g)
experiment data experiment data langmuirlangmuir fit for experiment data fit for experiment data
视密度
1.5
孔径(mm)
孔径(mm)
1.2 1.0 1.0 0.5
0.8
0.8 0.0 0.6 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0.6 0 10 20 30 40
0.0
升温速率(℃/min)
保温时间(min)
升温速率和保温时间对产物的影响
烧结过程中气孔演化过程
烧结前后的物相分析
• 自然界已发现的沸石有30多种，较常见的有方 沸石、菱沸石、钙沸石、片沸石、钠沸石、丝
光沸石、辉沸石等。它们含水量的多少随外界
温度和湿度的变化而变化。晶体所属晶系随矿
物种的不同而异，以单斜晶系和正交晶系（斜
方晶系）的占多数。
沸石形成的地质条件
• 沸石族矿物常见于喷出岩，特别是玄武岩的孔隙中， 也见于沉积岩、变质岩及热液矿床和某些近代温泉沉
CMUs
比重 Min
抗压强度 (MPa) Max 16.49 Average 14.65
混凝土试块外观
Ⅰ（CDWA）
1.96
12.73
Ⅱ（CDWC）
1.44
18.97
19.96
19.22
建筑垃圾陶粒用作水处理滤料
建筑垃圾的重金属浸出特性
生物挂膜后陶粒的外观
产业化的工艺流程设计
破碎机
建筑垃圾
炭化设备
• 为了保持中性，必须有带正电的离子来抵消， 一般是由碱金属和碱土金属离子来补偿，如Na、 Ca及Sr、Ba、K、Mg等金属离子。
• 沸石的晶体结构是由硅（铝）氧四面体 连成三维的格架，格架中有各种大小不 同的空穴和通道，具有很大的开放性。 碱金属或碱土金属离子和水分子均分布 在空穴和通道中，与格架的联系较弱。
自然界中的沸石晶体
工业中使用的沸石
实验室用的沸石
•
沸石有很多种，它们的共同特点就是具有架状结构， 晶体内分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空
腔。
• 因为在这些空腔里还存在很多水分子，这些水分在遇 到高温时会排出来。比如用火焰去烧时，大多数沸石 便会发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是因此而来。
发泡剂 预处理 粉磨 混料 水 成球 烧结 冷却
建筑垃圾
SiO 典型建筑垃圾样品化学成分
SiO2 57.4
composition limits from which a sufficiently viscous glass CaO Al O Fe2O3 enough to insure2 3 0.2 good bloating (Riley C.M. 1951) 14.9 12.3 5.5
2 / degree 2 / degree
不同水热温度对产物影响 不同反应时间对产物影响
反应过程及机理
(a)
(b)
不同反应阶段形貌变化：
（a）水热反应前陶粒 光滑的表面； （b）溶解作用在反应 界面形成的小坑；
5 m 3 m
25 m
2 m
(c)
(d)
(e)
(f)
（c）~（f）沸石相的晶 化和聚集
沸石材料
• 1 沸石概述 • 2 沸石的结构特点、性质及应用
• 3 沸石的合成方法
• 沸石（zeolite）是一种矿石，最早发现于 1756年。瑞典的矿物学家克朗斯提 （Cronstedt）发现有一类天然硅铝酸盐 矿石在灼烧时会产生沸腾现象，因此命 名为“沸石”（瑞典文zeolit）。在希腊 文中意为“沸腾”（zeo）的“石头” （lithos）。
A A
A A A A A A 140℃ 6 hours
4 hours 120℃ 2 hours D
40 40
A AQ P PA P PA P A Q A P PA P Q Q
Q
Q
P
10 10
Q Q P P
20 20
D P
30 30
Q Q
50 50
Q Q
60 60
100℃ 0 hours
70 70 80 80
• 沸石一般为自然资源，虽然人们已经掌握了沸 石的人工制备技术，但极少数的沸石是人工合 成的。 • 因为全世界的沸石产量实在多的不象话，甚至 在有些国家大部分的石头都是沸石，且目前沸 石有50%以上是用于制造水泥，可见其普遍的 程度，因此人工合成沸石很不经济。
• 尽管如此，人工合成沸石的科学研究一直都在 进行中。