天然矿物质及工业农业固体废弃物合成ZSM-5技术与发展

　　ZSM-5是美国 Mobil 公司在 1972 年研发的一种高硅铝比三维直通孔道结构的硅铝酸盐沸石分子筛，因其具有规整的孔道结构、大比表面积、高的水热稳定性、良好的离子交换性能以及可调变的表面性质，被广泛应用于吸附、催化、离子交换和污染处置等领域。例如，作为吸附剂，ZSM-5 可以用于废水处理、气体分离及富集等环境治理方面；工业上，ZSM-5 应用最为成熟的是流化床催化裂化（FCC ）工 艺 ，另 外 ZSM - 5 在 甲 醇 制 汽 油（MTG）、甲 醇 制 芳 烃（ MTA）、甲 醇 制 丙 烯（MTP）等在催化反应中表现出优良的催化活性；以离子交换方法在 ZSM-5 分子筛中引入金属离子后，ZSM-5 可以表现出更为广阔的应用性能和潜力。水热合成法是当前最为成熟和广泛应用的ZSM-5 合成方法。以导向剂为基础，主要分为单模板剂合成法、直接合成法、晶种合成法以及衍生的混合模板剂合成法。其中，单模板剂合成法又可分为有机胺模板剂、无机胺模板剂以及醇类模板剂等合成方法；混合模板剂法指的是在水热合成体系中加入2 种或2 种以上模板剂或者同时加入模板剂与晶种的方法。

　　以天然矿物质及固体废弃物为原料合成ZSM-5进展以纯化工原料合成ZSM-5 时，生产成本高，随着经济的快速发展以及矿产资源的迅速消耗，以可利用硅铝质天然矿物质及固体废弃物为原料合成ZSM-5成为一个诱人的方向。研究人员在以可利用硅铝质天然矿物质及固体废弃物为原料合成ZSM-5方面取得了一定的进展

　　可合成ZSM-5天然矿物质及固体废弃物简介

    迄今为止，已被实验或工业应用于ZSM-5 合成的天然矿物质原料大都属于硅铝质天然原料，主要有黏土类 、岩石类，固体废弃物主要为工业农业固体残渣等。这些硅铝系列矿物质原料富含合成ZSM-5 所需要的硅铝质成分，但因其组成复杂，且硅质成分大多以晶状形式存在，所以并不适宜直接进行ZSM-5 的合成；另外，若忽略各种杂质组分对 ZSM-5 分子筛合成的影响及原料向 ZSM-5 分子筛转化条件的差异，则硅铝质系列矿物原料中SiO2、Al2O3 的有效含量及其比值成为决定分子筛合成种类的关键。对于ZSM-5，其骨架SiO2 与Al2O3 质量比大于12。因此，对于一般富含硅铝质的矿物原料，根据原料的特性进行适当预处理来调整物料组成后合成 ZSM-5，是对硅铝质固体废弃物利用的一条可行的途径。

　　可利用硅铝质原料预处理技术

　　在利用硅铝质矿物质为原料合成分子筛时，首先必须进行一定程度的预处理，包括原料中硅铝质成分的分离与提纯、硅铝质晶相成分破坏及活化、原料中杂质组分的去除等。

　　将原矿物质固体原料中的硅铝质成分进行分离与提纯后，采用分离出来的硅铝质原料来合成分子筛，在一定程度上可以得到与以纯化工原料合成的分子筛相媲美的产物，但工艺复杂，原料利用率低，产生三废物质多，因此对矿物原料的有效利用限制性高，对以矿物质为原料合成分子筛不值得提倡。

　　对于原料中硅铝质成分的破坏与活化，目前采用的方法有高温活化法、高温碱融活化法、酸溶液活化法以及碱溶液活化法，但各种活化方法对于矿物质原料的类型均有一定限制，原料若没有经过有效活化，后期所得产物中会出现一定量的杂晶组分。

　　高温活化法适用于具有层状结构硅酸盐矿物的矿料，如高岭土；高温碱融活化法适用于绝大多数矿物原料，尤其内含大量石英晶体相结构的矿料；酸溶液活化法适用于矿料中含有大量能与酸反应生成自由离子，且通过简单水洗过滤即可除去大量杂质的碱。天然矿物质及工业农业固体废弃物合成ZSM-5 技术与发展 2018年第8期性矿料；碱溶液活化法适用于酸性及两性含石英的硅质原料或硅铝质的矿物原料。因此，活化方法的选择对于后期所合成样品的纯度具有一定的决定性。

　　另外，以天然矿物质为原料合成分子筛时，原料中杂质成分对分子筛的精确设计尤为不利，所以若想得到精确且可控的分子筛产物，必须将原料中无效或者有害杂质降到一定标准，才能得到合成分子筛的合格原料。在提纯除杂过程中，实验室最常用到的为酸浸法，即通过一定程度的酸浸条件处理，除掉矿料中可溶于酸的杂质组分使得原料达到合格原料的标准