CN109399663A - 超细nh4-sti粉的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种超细NH4‑STI粉的制作方法,其特征在于,包括:步骤1:将粗颗粒的STI矿粉放入搅拌磨并在搅拌磨中进行湿法研磨;步骤2:研磨结束后,用高速离心机对所述研磨后的STI矿粉进行固液分离;步骤3:经离心机分离后的被磨细STI粉呈滤饼状,所述滤饼经烘干打粉后即得超细的NH4‑STI粉产物。利用搅拌磨湿法研磨时用铵盐溶液替代水为介质,将磨细‑交换的繁杂工序简化为一体化的加工方法,在STI晶粒被粉碎至1微米左右时,其可交换的阳离子如Ca2+、Mg2+、Na+等就已经被NH4 +离子交换为NH4‑STI。通过三轮研磨‑交换,产品的晶粒尺寸D50为1.08微米、D90为3.5微米,阳离子交换度达到96‑98%,效果理想。
Description
技术领域
本发明涉及矿物加工技术领域,尤其涉及一种超细NH4-STI粉的制作方法。
背景技术
STI(Stilbite,辉沸石)沸石,一种天然矿物,我国内蒙、广西储藏的该矿品位高、储量大、开采成本低,在福建、湖南、江西等地也有发现,是一种有潜在应用前景的新矿物资源。该天然沸石晶体呈板状或束状集合体。露天开采或者从矿洞中开采出来的矿石为有玻璃光泽的块状物,硬度3.5-4.0,单块重达数公斤至数十公斤,未见其粉状晶。STI沸石与共生的花岗石、长石等性状差异很大,很容易通过简单的分选获得纯度很高的STI矿石。STI沸石晶体骨架具有开放的十元环孔道(0.49nm×0.62nm)和与其交叉的八元环孔道(0.27nm×0.56nm)。天然STI沸石硅铝摩尔比(SAR)很低,而且范围较窄(SAR=3.3-3.6),结构热稳定性差。典型的矿石晶胞化学组成为(Ca,Na2,K2)[Al2Si7O18]·7H2O。不同矿区产的STI沸石,可交换的阳离子Ca、Na或K的比例区别很大,有富钙型和富钾型等,我国发现的多为富钙型。天然STI沸石虽然晶体结构属于含规则孔道的分子筛,具有对分子形状和尺寸的吸附选择性和分子择形催化性质。但富钙STI沸石晶体结构经350℃焙烧2小时脱除其吸附和结晶水时,骨架完全被破坏而变成无定形的硅铝酸盐,失去了沸石分子筛应有的分子择形吸附性质和催化性质,故在催化和吸附等领域的应用受到极大限制,往往只能以一般无定形的硅铝酸盐原料用于生产水泥辅料或涂料、墙体的填充料等。个别情况下,也有利用其离子交换性制成去除重金属离子的净水剂,其分子筛的吸附和催化性能的价值难以体现。Mortier等发现,STI沸石结构稳定性与脱水过程中可交换阳离子的位置及种类有关,其中Ca-STI沸石稳定性最差、而H-STI沸石结构最稳定[2005年第63卷化学学报V0L·63,2005,No.8,P720]。因此通过阳离子交换将其制成H-STI就是使该天然沸石成为真正的可实用的沸石分子筛的唯一手段。
STI沸石在孔结构上与正烯骨架异构化工业催化剂所用人工合成FER沸石(ZSM-35,镁碱沸石)相近。FER沸石的骨架孔结构是由具有十元环孔道(0.42nm×0.54nm)和与其交叉的八元环孔道(0.35nm×0.48nm)构成。
一种名为TNU-10的高硅合成沸石[J.AM.CHEM.Soc.9VOL.126,NO.18,2004 5823]与STI沸石的骨架结构相同,故也可称为人工合成的STI沸石。其合成的有机导向剂是1,4-双(N-甲基-吡咯烷鎓)丁烷-即1,4-MPB(1,4-bis(N-methyl-pyrrolidinium)butane)。合成原料还包括NaOH,硫酸铝,白炭黑(无定形二氧化硅)。合成反应物配料硅铝摩尔比(SAR)30-120,水热合成温度160℃、耗时7-14天。合成产品的SAR=13-15,晶粒尺寸0.5X 1.0X 0.1微米。TNU-10在500-600℃下焙烧脱去有剂导向剂时的晶体结构保持稳定。其微孔容积为0.172ml/g。经离子交换制成的H-TNU-10相对于H-FER工业催化剂、400℃下正丁烯异构化制异丁烯反应的转化率较高、而选择性较低。在NO催化还原为N2的反应中载钴的Co-TNU-10,550℃下的转化率>95%,明显高于Co-FER的70%,由此在废气催化脱氮上显示出应用前景。
但是,人工合成STI沸石所用有机导向剂不易制备,价格高,且沸石合成的条件比较苛刻,实现其工业生产难度比较大。没有大量产品提供,后续的深入研究也难以为继。
上述事实说明,如果把我国品位高、储量大的天然STI矿石开采出来,磨细成微米级微晶粉,再通过离子交换改性,使其晶体结构的热和水热稳定提高,就可能将该天然沸石的分子筛的分子择型吸附和催化性质开发出来应用于工业生产。
国内研究[化学学报,2005,63(8),720-724;Microporous and MesoporousMaterials;2005,83,233-243]和专利[ZL 200510027083.4;ZL 200810208013.2],报道了通过改性使得国产STI沸石晶体结构的热稳定性和水热稳定性大幅提高实现其结构的“超稳化”。典型的作法是将矿山开采的STI矿石经机械粉碎加工(干磨)成细度1000目(5–10微米)的STI矿粉,用1摩尔浓度的氯化铵水溶液(或硝酸铵水溶液、硫酸铵水溶液、醋酸铵水溶液等)以固/液比为1/10的比例在90-100℃搅拌条件下重复交换3-4次,每次2小时,将天然STI沸石晶体中可交换的阳离子如Ca2+、Mg2+、Na+等通过NH4 +离子交换为NH4-STI。洗涤烘干后的NH4-STI经400-600℃焙烧1-4小时脱除NH3后即制成目标产物H-STI。该产物的在550℃水蒸气条件下焙烧3小时制成的H-STI的BET表面积352m2/g,孔容积0.189ml/g[Microporousand Mesoporous Materials 149(2012)10–15],与人工合成的H-TNU-10十分接近。水蒸气条件下的焙烧制成的H-STI的骨架硅铝摩尔比提高到13.4,水热稳定性高达至650℃以上。
很显然,天然的STI沸石的超稳化改性的主要工艺第一步是矿石的粉碎,要将大块矿石干磨至1000目、晶粒尺寸在5-10微米。作为制造分子择形吸附剂和催化剂的原料粉,最好再将其晶粒尺寸进一步降低到1-2微米,使其接近于合成的TNU-10。因为分子在小晶粒的分子筛孔道中扩散路程短,扩散速度明显高于在大晶粒的孔道中,这对该分子筛在吸附分离和催化方面的应用至关重要。机械粉碎干磨法很难将矿石加工到如此细小的尺寸。2009年第5期“中国非金属矿工导刊总第78期P43-44”报道,用搅拌磨湿法超细研磨STI沸石所用的介质中加入0.4%的三乙醇胺为助磨剂、累积研磨3小时,所得辉沸石样品粒度分布D50=3.72微米、D90=9.48微米。这说明,在助磨剂存下用搅拌磨湿法研磨可以有效地将STI矿粉晶粒磨细至数微米级,但离1微米左右仍有相当的差距。
超稳化改性的主要工艺第二步是阳离子交换。由于1000目细度的商品STI矿粉晶粒尺寸较大,必须以水为介质按一定的固液比将矿粉与水混合后使用搅拌磨湿法搅拌6-8小时,才可将矿粉的晶粒尺寸磨细至1微米左右。磨细的微小STI矿物晶粒用精密过滤方法与介质分离后、烘干,再将粉碎后的细小STI沸石晶粒在一定浓度的铵盐溶液中,以固/液比为1/10的比例在90-100℃搅拌条件下重复交换3-4次,每次2小时,把沸石晶体中可交换的阳离子如Ca2+、Mg2+、Na+等通过NH4 +离子交换为NH4-STI。洗涤烘干后的NH4-STI经400-600℃焙烧1-4小时脱除NH3后即制成目标产物H-STI。这种湿式研磨-交换的工序比较复杂、费时较长、效率低、能耗高。
发明内容
为此,本发明提供一种超细NH4-STI粉的制作方法,用以克服现有技术中离子交换率低的问题。
为实现上述目的,本发明提供一种超细NH4-STI粉的制作方法,包括:
步骤1:将粗颗粒的STI矿粉放入搅拌磨并在搅拌磨中进行湿法研磨;
步骤2:研磨结束后,用高速离心机对所述研磨后的STI矿粉进行固液分离;
步骤3:经离心机分离后的被磨细STI粉呈滤饼状,所述滤饼经烘干打粉后即得超细的NH4-STI粉产物。
进一步地,所述研磨介质为氨盐的水溶液。
进一步地,所述铵盐水溶液为硝酸铵、硫酸铵、氯化铵和醋酸铵中的一种或多种混合溶液。
进一步地,所述铵盐水溶液中铵盐的浓度0.2-2.0摩尔。
进一步地,所述磨料为氧化锆球。
进一步地,所述氧化锆球直径为1毫米。
进一步地,所述氧化锆球的重量与待磨的矿粉的比例是0.6-1.0。
进一步地,所述研磨-交换可以是一轮,或者二轮、三轮,以逐渐提高产物NH4-STI粉的粒度和交换度。
进一步地,所述加工方法中可间歇地进行多轮的研磨-交换。
进一步地,每一轮所述研磨-交换的时间为10-30分钟,用过的交换液作为废液。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于,利用搅拌磨湿法研磨时用铵盐溶液替代水为介质,将磨细-交换的繁杂工序简化为一体化的加工方法,在STI晶粒被粉碎至1微米左右时,其可交换的阳离子如Ca2+、Mg2+、Na+等就已经被NH4 +离子交换为NH4-STI。通过三轮研磨-交换,产品的晶粒尺寸D50为1.08微米、D90为3.5微米,阳离子交换度达到96-98%,效果理想。
附图说明
图1为本发明研磨-交换一体化加工工序示意图;
图2为经激光粒度分析仪测试后体积粒度分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白,下面结合实施例对本发明作进一步描述;应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
以下结合附图,对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非在限制本发明的保护范围。
实施例1
一种超细NH4-STI粉的制作方法,包括:
步骤1:取细度1000目的STI原料矿粉100g、在圆底烧瓶中用1M硝酸铵溶液500ml作为离子交换液、加热至90℃,搅拌1h进行阳离子交换,其固/液比为1/5;
步骤2:所述步骤1中阳离子交换结束后用铺有滤纸的布氏过滤漏斗在真空吸滤瓶上抽滤,抽滤完成后将滤纸上的滤饼放回到圆底烧瓶中注入1M新鲜的硝酸铵溶液500ml,并按照所述步骤1中交换的时间和温度进行第二次阳离子交换,如此共进行3次,每次交换后均使用去离子水洗涤滤饼1次。
步骤3:经过3次阳离子交换后,将所述滤饼烘干并用激光粒度仪分析其粒度及其粒度分布曲线、用XRF(X射线荧光光谱仪)分析化学成分并以此判断其阳离子交换度。本实施例研磨-交换加工STI产物的粒度分布(LPD)曲线见图2,LPD与XRF分析数据列于表1。
实施例2
本实施例所述超细NH4-STI粉的制作方法的工序如图1所示,包括:
步骤1:将存放于矿粉罐R1中细度1000目的天然STI矿粉1公斤倒入到存有3公斤1.0摩尔NH4NO3溶液的研磨介质罐R2中,其中固液比为1:3,搅拌均匀后将其投入至2L容量的搅拌磨J1中,该搅拌磨J1中装有约800克粒径1.0毫米的氧化锆球磨料。搅拌磨J1在电机驱动下高速旋转、氧化锆球将悬浮在NH4NO3溶液中的STI矿粉进行研磨,同时,硝酸铵溶液中的NH4 +离子对STI沸石中的可交换的Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子进行阳离子交换。搅拌磨J1中的隔膜泵不断地将磨腔体内的STI粉与硝酸铵溶液混合浆料在搅拌磨和容器R3之间循环使研磨均匀,搅拌磨J1运行15分钟后,第一轮次加工结束。
步骤2:将混合浆料输入至高速固-液离心分离机J2中并将上述第一轮磨细的STI粉与交换液固液分离,使用过的滤液作为废液排入废液罐R4中,所述磨细的STI粉在高速固-液离心分离机J2的滤布上聚集为滤饼。
步骤3:对上述步骤2中制得的滤饼进行取样后,用激光粒度仪分析其粒度分布(LPD)曲线及粒度分布数据、用XRF(X射线荧光光谱仪)分析化学成分测定其阳离子交换度,检验是否达到预定的要求并将滤饼存入R5,如果分析测试结果表明第一轮加工的滤饼已达到预定要求,即可将其用烘干机J3烘干后打粉并作为成品放入成品罐R6中。本轮研磨-交换加工STI产物的粒度分布(LPD)曲线见图2,LPD与XRF分析数据列于表1。
实施例3
在上述实施例2中,如果第一轮研磨-交换产生的STI粉的粒度和阳离子交换度未能达到预定要求,可将其从R5中转移到装有3公斤新鲜的1.0摩尔NH4NO3溶液的研磨介质罐R2中、搅拌均匀后再送入搅拌磨J1中进行第二轮研磨-交换加工。其加工条件和处理过程与上述实施例2中的第一轮研磨-交换加工相同。第二轮加工的STI粉产物的粒度分布(LPD)曲线见图2,LPD与XRF分析数据列于表1。
实施例4
在上述实施例3中,如果第二轮研磨-交换产生的STI粉的粒度和阳离子交换度未能达到预定要求,可将其从湿料罐R5中转移到装有3公斤新鲜的1.0摩尔NH4NO3溶液的研磨介质罐R2中、搅拌均匀后再送入搅拌磨J1中进行第三轮研磨-交换加工,其加工条件和处理过程上述实施例2中的第一轮研磨-交换加工相同。第三轮加工的STI粉产物的粒度分布(LPD)曲线见图2,LPD与XRF分析数据列于表1。
上述四个实施例中加工后的STI粉产物的粒度分布(LPD)曲线如图2所示,其中:
A-实施例1,三次常规阳离子交换后的STI粉;
B-实施例2,第一轮研磨-交换后的STI粉;
C-实施例3,第二轮研磨-交换后的STI粉;
D-实施例4,第三轮研磨-交换后的STI粉。
上述实施例中加工后的STI粉产物LPD与XRF分析数据列如表1所示。
实施例5
将上述实施例3中研磨-交换一体化加工二轮后获得的NH4-STI粉放入马福炉中500℃焙烧2小时脱除了NH3制成的H-STI分子筛粉,用低温氮吸附法测定其BET表面积为448m2/g,总孔容积0.284ml/g,微孔容积0.156ml/g,也与人工合成的STI即TNU-10相接近。
实施例6
将200毫克上述实施例5中制成的NH4-STI分子筛粉置于真空电子吸附天平中,在350℃,10-1Tor的真空度下脱气2小时、降至室温后,称量其重量为185毫克。再导入饱和甲醛蒸汽、观察其重量增加至恒重,此时的重量显示为210毫克,由此计算出甲醛在NH4-STI分子筛上的饱和吸附量为135mg/g。
用相同的测试方法将1000目STI原矿粉210毫克置于真空电子吸附天平中,250℃,10-1Tor的真空度下脱气2小时、降至室温后,称量其重量为191毫克。再导入饱和甲醛蒸汽、观察其重量增加至恒重,此时的重量显示为203毫克,由此计算出甲醛在STI原矿粉上的饱和吸附量为64mg/g。
表1研磨-交换一体化产物化学成分与粒度分析数据
根据表1可以得出,用常规的离子交换的方法,1000目的STI矿粉在1.0摩尔的硝酸铵溶液中搅拌并加热至90℃、离子交换1h、固液比为1/5,如此反复3次,总交换费时3小时,交换后的STI产物的粒度D50为9.35nm、与交换前相同,其阳离子交换度为81.3%。在搅拌磨中用同样浓度的硝酸铵溶液在室温下以固/液比1/3进行研磨-交换加工1轮15分钟,STI产物的粒度D50即可降至2.98nm,阳离子交换度88.5%。二轮研磨-交换加工,STI产物的粒度D50即可降至1.82nm,阳离子交换度上升至96.0%。如果再继续进行第三轮研磨-交换加工,STI产物的粒度D50即可降至1.08nm,阳离子交换度上升至98.0%。可见,本发明提出的研磨-交换一体化加工方法在研磨的同时进行阳离子交换,STI矿粉在被磨细的同时,其交换效率较传统阳离交换的交换时间缩短4-6倍,交换用硝酸铵溶液的用量节约1.6-2.5倍,获得的产物NH4-STI的粒度与人工合成的STI、即TNU-10相接近。且整个研磨-交换过程不需要加热。
至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案,但是,本领域技术人员容易理解的是,本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换,这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明;对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,包括:
步骤1:将粗颗粒的STI矿粉放入搅拌磨并在搅拌磨中进行湿法研磨;
步骤2:研磨结束后,用高速离心机对所述研磨后的STI矿粉进行固液分离;
步骤3:经离心机分离后的被磨细STI粉呈滤饼状,所述滤饼经烘干打粉后即得超细的NH4-STI粉产物。
2.根据权利要求1所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,在所述步骤1中,所述搅拌磨中的研磨介质为氨盐的水溶液。
3.根据权利要求2所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述铵盐的水溶液为硝酸铵、硫酸铵、氯化铵或醋酸铵中的一种或多种混合液。
4.根据权利要求3所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述铵盐水溶液中铵盐的浓度0.2-2.0摩尔。
5.根据权利要求1所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述磨料为氧化锆球。
6.根据权利要求5所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述氧化锆球直径为1毫米。
7.根据权利要求6所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述氧化锆球的重量与待磨的矿粉的比例是0.6-1.0。
8.根据权利要求1所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述研磨-交换可以是一轮,或者二轮、三轮,以逐渐提高产物NH4-STI粉的粒度和交换度。
9.根据权利要求8所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,所述加工方法中可间歇地进行多轮的研磨-交换。
10.根据权利要求9所述的超细NH4-STI粉的制作方法,其特征在于,每一轮所述研磨-交换的时间为10-30分钟,用过的交换液作为废液。
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