Гидротермальный синтез цеолитов
Марковска Ирена,
доктор наук, доцент,
Михалев Тодор,
аспирант.
Университет «Профессор доктор Асен Златаров», г. Бургас, Болгария.
Введение
Синтетические цеолиты получаются путем нагревания водно-щелочных алюмосиликатных смесей [1]. Они синтезируют от химически чистых реагентов с доказанной чистотой и концентрацией. Это придает синтетическим цеолитам очень точную структуру и однородность пор. Соответственно, адсорбционные свойства лучше и можно контролировать технологично, как синтез и его свойства. Это дает возможность широкого и многостороннего спектра применения цеолитов в промышленности. В некоторых отраслях, цеолиты оказались незаменимым продуктом, как например, для удаления тяжелых металлов из живых организмов [2], а также с успехом использовать для предотвращения загрязнения в почве [3], и окружающей среде [4].
Эксперементальная часть
В качестве сырья для синтеза цеолитов используется каолин, который имеет следующий химический состав: Al2O3 - 36,59%, CaO - 49,43 %, Fe2O3 - 0,79%, TiO2 - 0,24 %, МgO - 0,23 %, CaO - 0,18 %, Na2O - 0,16 %, K2O - 0,55 %, LО.I. - 2,45%.
Каолин подвергся следующей обработке:
Перемолен на мельнице модели „Retsch”, просеян через вибрационное сито модели „Retsch”, высушен при 120 оС в течении 2 h в сушке модели “J.P.SELECTA,s.a.”. Исходным материалом является каолин с содержанием минерала каолинита между 80-90%, и с низким содержанием SiO2. Для синтеза каолин нагрет при 650 °С в течение 2 h в сушильном шкафу модели “Carbolite CSF 1100”. При этом нагревании каолин активируется и переходит в метакаолинит по следующей реакции:
Каолинит Al2O3.2SiO2.2H2O → 650 оС, 2 h → Метакаолинит Al2O3.2SiO2
Используется и NaOH в "Scharlau", подготовленный в виде водного раствора с деионизированной водой. Используемая концентрация NaOH составляет 8 М. Гидротермальный синтез осуществлен в автоклаве, который продемонстрирован на рис. 2, металлический цилиндр из нержавеющей стали, объемом 350 см3. В металлический цилиндр помещают два фарфоровый тигеля по 50 мл / рис. 3 /. Нагрев автоклава осуществляется путем помещения его в электрическую сушилку при регулировании температуры и нагревании до 100 °С.
В ходе эксперимента, взвешивается 25 г метакаолинита и заливается 10 см3 раствором NaOH с концентрацией 8 М. Интенсивно перемешивается и затем консистенция ставится в тигли. Нагревание проходит при температуре 60 °С на протяжении 36 ч. После нагревания полученный цеолит промывают деионизированной водой рН = 7.
Рис. 1. Дифрактограмма рентгеноструктурного анализа синтетического цеолита.
Рис. 2. Рис. 3.
Результаты и обсуждение
При проведенном синтезе на рис. 1 показана дифрактограмма рентгеноструктурного анализа синтетического цеолита. На ней виден синтетический цеолит NaA со следующий минеральный составом:
Цеолит (Na96A196Si96О384.216H20) - 75 %
Содалит {Na[Al6Si6O24 ] [OH]2[H2O]2 } – 12%
Кварц (SiO2) - 10 %
Гематит (F2 O3) – 3%
На рис. 4 и рис. 5 изображены фотографии синтезированного цеолита при 10 µm и 5 µm.. На фотографиях видны синтетические кристаллы цеолита. При низком уровне температуры синтеза можно видеть, что степень цеолитизации составляет 75%, что является удовлетворительным результатом. Анализ показывает, что остаточный диоксид кремния (SiO2) на 10% не вступил в реакцию, когда Al2O3 вступил в реакцию полностью. Предположительное добавление активированного Al2O3 могло увеличить степень цеолитизации до 10%. Следует отметить, что это возможно не привело бы к увеличению уровня цеолитизации, а исследования в этом направлении могут способствовать положительным результатам, что является предметом дальнейшего исследования. Из проведенных экспериментов становится ясно, что химический состав каолина подходит для получения цеолита.
Рис. 4. Рис. 5.
Выводы
1. Цеолит синтезирован в лабораторных условиях из порошкообразного каолина.
2. Химическая формула полученного цеолита следующая (Na96A196Si96О384.216H20).
3. Цеолит подтвержден рентгеноструктурным анализом и микроскопическими изображениями.
4. Степень цеолитицации составляет 75%, остаток SiO2 составляет 10%.
Литература
1. Жданов С.П., Хвощев С.С., Самулевич Н.Н. Синтетические цеолиты: Кристализация, структурно-химическое модифицирование и адсорбционые свойства – М.: Химия, 1981.
2. Гамко, Л.Н., Природный цеолит как абсорбент тяжелых металлов в организме Зоотехния -1997. № 2. –С. 14-16.
3. Минеев, В.Г. Использование природных цеолитов для предотвращения загрязнения почвы и растений тяжелыми металлами Агрохимия – 1989. - № 8.-С. 89-95.
4. Бенев, Д., Применения природного цеолита – клиноптилолита в экологии, Science & Technologies, Volume I, Number 4, 2011.
Поступила в редакцию 13.08.2015 г.