煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂及其制备方法，所述吸附剂中煤矸石空心微珠与铝硅酸盐聚合物中铝硅氧矿物质量比为10‑200％；所述吸附剂密度为1‑2g/cm

说明书

技术领域

本发明涉及煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料的制备方法，尤其涉及一种通过预烧结控制微珠活性的方式将其作为造孔剂制备煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

铝硅酸盐聚合物，作为一种新型绿色环境友好材料，不像普通陶瓷和精细陶瓷那样需要高温烧结而又称其为“低温免烧陶瓷”。它具有密度低，耐酸碱腐蚀，耐高温和阻燃特性，在航天器、船舶、汽车和建筑材料的防火保温方面获得了一定应用。近年来，多孔铝硅酸盐聚合物的特殊三维网络凝胶结构且分布着毛细孔道，为污水提供了一定的吸附及传导作用，在工业废水中化学药品和重金属离子的吸附方面显示出很大的应用潜能。其吸附效果主要受材料的孔隙率及比表面积因素影响，目前利用此类材料作为吸附剂主要集中在单一材料体系及特定组成，孔隙率与比表面积的进一步提高受到限制。

煤矸石是一种夹杂在煤系地层中的岩石混合固体废弃物，经破碎后的粉体因其自身较大的比表面积与膨松多孔的结构，可作为吸附剂变废为宝，对染料废水有较佳的吸附功能。以煤矸石为原料的煤矸石空心微珠因其特殊的空心结构，不仅可以满足其比表面积大的需求，还可以提高其流动性及单位体积的堆积程度，且同样具有良好的吸附功能，这为良好吸附剂的开发提供了有效的新思路。将煤矸石空心微珠引入铝硅酸盐聚合物中，可以作为造孔剂丰富吸附剂的孔隙结构并提高其比表面积，提高复合材料的吸附功能。目前前期经验表明，将煤矸石空心微珠直接引入碱性铝硅酸盐聚合物激发液的过程中存在一定的反应及分散不均等缺点，且煤矸石空心微珠经过适当的高温预处理后吸附效果明显提高，将预处理后的固废空心微珠添加于铝硅酸盐聚合物中的研究报道较少。利用煤系固废微珠的成本低廉、制备简单、可大规模生产、吸附功能好的特点，实现煤矸石空心微珠与铝硅酸盐聚合物基体材料的复合，获得高吸附效果的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料，绿色环保，变废为利，工艺简单便于操作。

发明内容

本发明针对煤矸石的回收利用及微珠与铝硅酸盐聚合物的复合问题，提供了一种利用预烧结方式控制微珠活性将其作为造孔剂引入铝硅酸盐聚合物基体中合成煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料及其制备方法。利用预先烧结对微珠的反应活性可控的特点，将微珠作为造孔剂完整引入复合材料中，克服了微珠与碱性基体在合成过程中发生化学反应的问题，保留了微珠的孔结构，制备了一种煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料，提供了一种煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料的制备方法，解决了上述问题。本发明采用如下技术方案：

本发明利用预先烧结方式控制煤矸石空心微珠活性将其作为造孔剂制备的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料，其特征在于：以高活性铝硅氧矿物粉体、碱性激发前驱液和煤矸石空心微珠为原料，煤矸石空心微珠预先烧结排除杂质且降低活性，碱性前驱液激发高活性铝硅氧矿物粉体成为铝硅酸盐聚合物浆料，微珠与浆料的搅拌复合，复合材料经破碎酸洗至中性，获得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂。煤矸石空心微珠与铝硅酸盐聚合物中铝硅氧矿物质量比为10-200％；所述吸附剂密度为1-2g/cm³，比表面积30-40m²/g。

本发明利用预先烧结方式控制煤矸石空心微珠活性将其作为造孔剂制备的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂，制备过程按照如下步骤进行：

步骤一、煤矸石空心微珠预烧结：将煤矸石粉体通过喷雾干燥法制备成空心微珠、微珠放于马弗炉中在适宜温度(700-1100℃)预烧结，保温一定时间(0.5-4h)后随炉冷却后取出。

步骤二、碱性激发前驱液的制备：将氢氧化钾倒入质量分数为25％～45％的硅溶胶中并伴随磁力搅拌混合，其摩尔比为1:0.5～2，搅拌1-3天后得到碱性激发前驱液；

步骤三、煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物混合浆料的配置：将高活性铝硅氧矿物粉体加入步骤二所得的碱性激发前驱液中，超声并机械搅拌20～40分钟，后得到硅/铝比为1～4:1的铝硅酸盐聚合物料浆，将步骤一中预烧后的煤矸石空心微珠加入料浆中，再超声并机械搅拌5～15分钟，加入去离子水调节料浆粘度，使其在剪切速率60～80S^-1时粘度为200mPa·s～600mPa·s之间。

步骤四、煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物混合浆料的固化成型：将步骤三制得的混合浆料倒入塑料模具中，置于40～80℃的鼓风干燥箱内固化24～240小时，即制得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料。

步骤五、煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物混合复合材料的破碎酸洗中和：将步骤四得到的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料机械破碎，通过10-100目筛子，得到颗粒状粉体，洗掉少量过剩碱至pH≈7，置于40～80℃的鼓风干燥箱内干燥至恒重获得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料。

与已有技术相比，本发明的优异效果体现在：本发明制备得到的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附复合吸附剂材料剂，将煤矸石空心微珠作为造孔剂引入铝硅酸盐聚合物基体中，利用预先烧结方式控制煤矸石空心微珠活性，使微珠多孔结构完整保留于复合材料中，进而得到多孔结构的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料。由于预先高温处理可以改变微珠活性并排除其中的有机杂质，高温处理后的微珠更容易分散于铝硅酸盐聚合物浆料中，与基体有很好的相容性。复合材料经过固化、破碎及酸洗中和，得到煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂材料，制得的吸附剂密度为1-2g/cm³之间，比表面积30-40m²/g，对亚甲基蓝和碱性品红的吸附量分别达到10mg/g，相比于基体材料有所提高。本发明制备中的煤矸石空心微珠经预先高温处理，孔隙结构可调，活性可控，解决了微珠在铝硅酸盐聚合物中的引入方式及分散问题，获得的吸附剂吸附效果好，制备工艺简单，成本低廉，并使铝硅酸盐聚合物材料更具备结构功能一体化潜能，可用于环保材料的开发及吸附剂的使用。

附图说明

图1为本发明实施例1所得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂的宏观照片。

图2为本发明实施例1所得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂的XRD图。

图3为本发明实施例1所得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

用预先烧结方式控制煤矸石空心微珠活性，将其作为造孔剂。煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂的制备步骤如下进行：

步骤一、煤矸石空心微珠预烧结：将煤矸石粉体通过喷雾干燥法制备成空心微珠、微珠放于马弗炉中在适宜温度900℃预烧结，保温一定时间2h后随炉冷却后取出；

步骤二、碱性激发前驱液的制备：将氢氧化钾倒入质量分数为40％的硅溶胶中并伴随磁力搅拌混合，其摩尔比为1:1，搅拌3天后得到碱性激发前驱液；

步骤三、煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物混合浆料的配置：将偏高岭土粉体加入步骤二所得的碱性激发前驱液中，超声并机械搅拌40分钟，后得到硅/铝比为2:1的铝硅酸盐聚合物料浆，将步骤一中预烧后的煤矸石空心微珠加入料浆中，再超声并机械搅拌10分钟，加入去离子水调节料浆粘度，使其在剪切速率60～80S^-1时粘度为200mPa·s～600mPa·s之间。

步骤四、煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物混合浆料的固化成型：将步骤三制得的混合浆料倒入塑料模具中，置于65℃的鼓风干燥箱内固化72小时，即制得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料。

步骤五、煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物混合复合材料的破碎酸洗中和：将步骤四得到的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料机械破碎，通过10-100目筛子，得到颗粒状粉体，洗掉少量过剩碱至pH≈7，置于65℃的鼓风干燥箱内干燥至恒重获得煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂。

图1为实施例1最后获得的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂的宏观照片。从图中可以看出吸附剂为粉末颗粒状。

图2为实施例1所得吸附剂的XRD图谱。从图中可以看出，复合材料的物相与基体一致，保持了铝硅酸盐聚合物的非晶结构特点，其中石英相的峰源于原料偏高岭土中的杂质未参与合成反应。

图3为实施例1所得吸附剂的SEM图；扫描形貌可以看出微珠与基体界面结合良好，仍保持球形开孔结构。

本实施例煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂中煤矸石微珠与铝硅酸盐聚合物基复合材料中偏高岭土质量比为50％，制得的吸附剂密度为1.2g/cm³，比表面积37.3m²/g，吸附剂用量为4mg/L时，对100mg/L亚甲基蓝和碱性品红的吸附量分别达到24.6mg/g和24.7mg/g。

实施例2

与实施例1不同在于步骤一中煤矸石微珠预先处理温度800℃。

本实施例利用预烧结方式控制煤矸石空心微珠活性将其作为造孔剂制备的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂，吸附剂密度为1.3g/cm³，比表面积39.7m²/g，吸附剂用量为4mg/L时，对100mg/L的亚甲基蓝和碱性品红的吸附量分别达到24.6mg/g和24.8mg/g。

实施例3

与实施例1不同在于煤矸石微珠预先处理温度1000℃。

本实施例利用预烧结方式控制煤矸石空心微珠活性将其作为造孔剂制备的煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合材料，吸附剂密度为1.2g/cm³，比表面积30.5m²/g，吸附剂用量为4mg/L时，对100mg/L的亚甲基蓝和碱性品红的吸附量分别达到24.4mg/g和24.7mg/g。

实施例4

与实施例1不同在于煤矸石微珠预先处理温度1100℃。

实施例5

与实施例1不同在于煤矸石微珠预先处理温度700℃。

实施例6

与实施例1不同在于步骤三中高活性铝硅氧矿物粉体可为粉煤灰粉体。

综合以上各数据分析，说明本方法成功制备出煤矸石空心微珠/铝硅酸盐聚合物复合吸附剂。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。