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| 不同產(chǎn)地高嶺土的組成和結(jié)構(gòu)研究 |
| 來(lái)源：中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2016-01-18 10:14:51 瀏覽次數(shù)： |
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高嶺土是一種天然礦產(chǎn)，在我國(guó)有豐富的儲(chǔ)藏，現(xiàn)已探明地質(zhì)儲(chǔ)量約30億t，主要分布在粵、桂、贛、閩、蘇等地。高嶺土除了廣泛應(yīng)用于造紙、陶瓷、塑料、橡膠、化工、電子、涂料、耐火材料等領(lǐng)域外，還可以作為石油催化劑的載體以及制備FCC催化劑的原料。由于地質(zhì)形成原因不同，不同產(chǎn)地的高嶺土其組成、結(jié)構(gòu)也有所差異。茂名、蘇州、北京房山這三個(gè)產(chǎn)地高嶺土產(chǎn)量大，雖然研究高嶺土的文章不少，但多是對(duì)高嶺土的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用及某一方面結(jié)構(gòu)和性能的研究報(bào)道，對(duì)這三個(gè)產(chǎn)地高嶺土的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究(尤其是北京高嶺土)的報(bào)道還沒(méi)發(fā)現(xiàn)，所以本文選取茂名、蘇州、北京房山三個(gè)產(chǎn)地的高嶺土作為研究對(duì)象進(jìn)行研究對(duì)比，對(duì)指導(dǎo)高嶺土的使用具有一定意義。
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及分析儀器
ZSX-100X-射線熒光光譜儀，英國(guó)LEO公司435VP環(huán)境掃描電鏡，Quanta chrome公司AS-3自動(dòng)吸附儀，SIMENSD5005X-射線衍射儀，Nicolet公司560傅立葉變換紅外光譜儀,Universal V2.6D TA Instruments熱分析儀。
1.2 實(shí)驗(yàn)原料
本實(shí)驗(yàn)采用蘇州、茂名、北京房山三個(gè)產(chǎn)地的高嶺土作為原料進(jìn)行其組成和結(jié)構(gòu)分析。
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1 化學(xué)成分分析
高嶺土的化學(xué)組成是影響其使用的重要因素之一，尤其是其中的雜質(zhì)含量，對(duì)高嶺土的使用性能有比較大的影響。本文采用ZSX-100X-射線熒光光譜儀分析(XRF)這三種產(chǎn)地高嶺土的化學(xué)組成，結(jié)果如下表所示。
2.2 SEM觀察
高嶺土的形貌研究是高嶺土結(jié)構(gòu)研究的重要部分，本文采用英國(guó)LEO公司435VP環(huán)境掃描電鏡對(duì)不同產(chǎn)地高嶺土進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果見(jiàn)圖1。
2.3 BET分析
高嶺土常用作石油催化劑的載體，而作為載體，其比表面積對(duì)催化劑的性能有一定影響，所以本文采用Quanta chrome公司AS-3自動(dòng)吸附儀測(cè)定了高嶺土的比表面積，所得BET(m2/kg)數(shù)據(jù)為：茂名17000；蘇州25000；北京23000。從BET數(shù)據(jù)可以看出：蘇州高嶺土比表面積最大，其次是北京高嶺土，這兩者差別不大，茂名高嶺土比表面積明顯比蘇州高嶺土和北京高嶺土小。從掃描電鏡照片來(lái)看，蘇州高嶺土和北京高嶺土分散得較好，茂名高嶺土全部是片狀晶體，顆粒之間堆積比較緊密，還有疊片現(xiàn)象，所以比表面積小。對(duì)用作石油催化劑的載體來(lái)說(shuō)，蘇州和北京高嶺土優(yōu)于茂名高嶺土，這兩種產(chǎn)地的高嶺土可以提供大的比表面積，同樣重量的高嶺土可以擔(dān)載更多的催化劑。
2.4 XRD衍射分析
X-射線衍射是分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有力手段，本文采用SIMENS D5005X-射線衍射儀分析了三種產(chǎn)地高嶺土的結(jié)構(gòu)，所得曲線見(jiàn)圖2。其中2θ在35°~40°之間的六指峰是典型的高嶺土衍射峰。經(jīng)常用020(2θ=19.3)、110(2θ=20.4)、111(2θ=21.4)晶面衍射峰的強(qiáng)度和分裂程度來(lái)衡量高嶺土的有序度。從X-射線衍射曲線可以看出：這三種高嶺土的二個(gè)強(qiáng)衍射峰(晶面001，2θ=12.5，晶面002，2θ=25.1)的強(qiáng)度差別不大，蘇州高嶺土的020、110、111強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)稍弱一些，這說(shuō)明蘇州高嶺土有序性較差。此外茂名高嶺土和北京高嶺土中還含有少量石英，蘇州高嶺土中雜質(zhì)含量較少。高嶺土的有序性和用它制備的FCC催化劑的性能之間有密切的關(guān)系，高嶺土的有序性越差，制備的分子篩結(jié)晶度越高，但磨損強(qiáng)度也越低；高嶺土的有序性越高，制備的分子篩結(jié)晶度越低，但磨損強(qiáng)度也越高，所以作為制備催化劑的原料時(shí)，應(yīng)選用中等有序的高嶺土。
在高嶺土亞族礦物結(jié)構(gòu)研究中，紅外光譜也是一種很重要的表征手段，高嶺土有自己的特征峰，而且其結(jié)構(gòu)有序性越高，峰形越尖銳。圖3是不同產(chǎn)地高嶺土的IR光譜圖。其中3694、3621、1100、1032、1008、913、694、539、471cm-1處的峰都是高嶺土的特征峰。這三種高嶺土的IR曲線相似，只是北京高嶺土在1032cm-1的峰更尖銳，此峰是Si-O伸縮振動(dòng)引起的，說(shuō)明北京高嶺土中Si-O伸縮振動(dòng)更強(qiáng)烈一些。
2.6 差熱分析
高嶺土在加熱過(guò)程中，發(fā)生一系列相變，300℃以前主要是吸附水緩慢脫去，550～600℃左右主要是高嶺土脫羥基轉(zhuǎn)變成偏高嶺土，950～1050℃放熱轉(zhuǎn)變成尖晶石。在DTA研究中(圖4)，高嶺土有序性好，則脫水和相變溫度高。茂名高嶺土脫羥基溫度范圍寬，從500℃開(kāi)始脫羥基，峰尖溫度在601.55℃，在1005.26℃放熱轉(zhuǎn)變成尖晶石，蘇州高嶺土從490℃開(kāi)始脫羥基，峰尖溫度在583.17℃，在1006.34℃放熱轉(zhuǎn)變成尖晶石，北京高嶺土脫羥基溫度范圍比較窄，從560℃開(kāi)始脫羥基，峰尖溫度在601.55℃，在1005.36℃放熱轉(zhuǎn)變成尖晶石。蘇州高嶺土脫羥基峰尖溫度明顯比茂名高嶺土和北京高嶺土脫羥基峰尖溫度低，說(shuō)明蘇州高嶺土有序性比茂名高嶺土和北京高嶺土有序性低，這一點(diǎn)也可以從X-射線衍射圖中看出。在一些應(yīng)用領(lǐng)域，需要使用煅燒高嶺土，如制備沸石分子篩(A型、Y型等)、土聚水泥等，高嶺土的熱轉(zhuǎn)變溫度不同，需要的煅燒溫度和煅燒時(shí)間也不同，所以在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)其熱轉(zhuǎn)變溫度來(lái)選擇合適的煅燒溫度和煅燒時(shí)間。
3.結(jié)論
高嶺土晶體結(jié)構(gòu)是由一層Si-O四面體和一層Al(O，OH)八面體組成，其中Si是4配位，Al是6配位，二者通過(guò)氧原子的共享交錯(cuò)堆積而成，其理想化學(xué)組成為Al2O3·2SiO2·2H2O。從以上XRF、SEM、BET、XRD、IR、DTA分析可以得出結(jié)論：不同產(chǎn)地的高嶺土因其成因不同，它們的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)都有所差異，所以我們?cè)谶x用原料時(shí)一定要根據(jù)使用要求來(lái)選用合適產(chǎn)地的高嶺土。
作者：王雪靜，周繼紅，黃浪，方克明(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院理化系，北京100083；2.中國(guó)石化集團(tuán)石油化工科學(xué)研究院，北京100083)
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