煤矸石基催化剂载体的制备研究*

2023-10-28马小丰姚丽菲刘艳娟刘大成

陶瓷 2023年10期

马小丰姚丽菲刘昆刘艳娟李悦刘大成

(1 开滦煤化工研发中心河北唐山 063018)

(2 河北省煤基材料与化学品技术创新中心河北唐山 063018)

(3 唐山学院新材料与化学工程学院河北唐山 063000)

煤矸石是煤矿煤炭伴生的一种尾矿石,大量的煤矸石堆积给环境造成了不良的影响。为此,许多材料工作者对煤矸石利用进行了大量的研究。为实现煤矸石的高附加值利用,笔者利用煤矸石制备催化燃烧用催化剂载体,研究原料配比、烧成制度、造孔剂种类及添加量等对其性能和显微结构的影响,以制备高气孔率的催化燃烧用催化剂载体。

1 实验

1.1 实验用原料及试剂

主要原料为煤矸石取自某煤矿;实验用的粘土均取自陶瓷厂;实验使用原料的化学成分(见表1);煤矸石X-射线衍射图(见图1);主要矿物相为方石英和高岭石。

图1 煤矸石XRD 衍射图

表1 原料化学组成(%)

1.2 仪器设备

本实验所用主要仪器有Smartlab SEX-射线衍射仪(XRD)(日本理学);JSM-7900F 扫描电子显微镜(日本电子株式会社);KSL-1200X 高温箱式炉(合肥科晶材料技术有限公司)。

1.3 实验方法

(1)煤矸石预处理方法。将煤矸石磨细,于稀盐酸中浸泡24 h,水洗至体系p H 为中性,离心分离,对固相进行烘干,备用。

(2)煤矸石基催化剂载体制备方法。将一定量的煤矸石、结合剂及造孔剂经研磨混合,过180目标准筛筛分,加水搅拌制成泥料,经困料后,用催化剂成形挤出装置挤出成形,成形坯体经干燥、烧成制得了催化剂载体。

2 结果与讨论

2.1 煤矸石基催化剂载体制备

2.1.1 可塑泥料的制备

根据煤矸石利用最大化的原则,同时考虑煤矸石组成和泥料可塑性,故配方选择在煤矸石在配方中利用量较高、且生成抗热震性能好、热膨胀系数低及抗化学侵蚀性强的莫来石矿相及良好的可塑性。

粘土选择了苏州土、D-粘土、Z-粘土、T-粘土及L-粘土共5种,分别实验,与选定煤矸石配合苏州土的效果最好,故本次实验选定可塑性优良的苏州土作为结合粘土。

煤矸石与苏州土的比例(质量比)为6∶4、7∶3、8∶2、9∶1。外加1%纤维素,加水量为外加10%,困料24 h,用催化剂载体挤出装置进行挤出实验,实验结果(见表2)。

表2 催化剂载体挤出实验结果

由表2数据可知,当煤矸石与苏州土的最佳比例为8∶2时较好地符合了本配方的设计原则。

2.1.2 造孔剂加入量对催化剂载体气孔率的影响

按照煤矸石与苏州土8∶2的比例,按照外加剂加入15%、25%、35%、45%的造孔剂,加入一定量的水和1%的纤维素,经研磨混合及困料,挤出成形、干燥后,于1 040℃、30 min保温进行烧结,测定制品的吸水率和气孔率。实验结果(见表3)。

表3 造孔剂对催化剂载体气孔率的影响

由表3可见,所选择的3种造孔剂,随着造孔剂添加数量的提高,烧结体(催化剂载体)吸水率和气孔率均提高。且由35%到45%时,吸水率和气孔率变化趋缓。所选造孔剂中活性炭吸水率和气孔率最高,且在加入量35%时,吸水率和气孔率分别达37.7%和49.2%,故选定造孔剂为活性炭,加入量为35%。

图2中(a)～(d)分别是较为合理的工艺技术条件下添加活性炭量为15%、25%、35%、45%时催化剂载体断面的SEM 图。从图2可以看出,催化剂载体内部形成了骨架结构,其中形成了大小不等,形状不规则的孔道,且交错的三维网状结构贯穿其中。随着造孔剂添加量增加,催化剂载体气孔率增加。

图2 样品断面的SEM 图

2.1.3 烧结温度对催化剂载体性能的影响

选择煤矸石与苏州土的比例为8∶2,造孔剂选定活性炭,按35%外加计制备催化剂载体,在不同烧结温度下,保温30 min,制备催化剂载体。实验中,在1 000℃时,烧结后的催化剂载体强度较低,1 020℃及以上时催化剂载体具有较好的强度。烧结后催化剂载体吸水率和气孔率,如表4所示。

表4 烧结制度对样品性能的影响

由表4可见,随着烧结温度的提高,吸水率逐渐下降。气孔率也逐渐下降,这是由于原料的原因,致使烧结体在较低的温度下产生液相。随着烧结温度的提高,液相烧结使空隙填充,导致吸水率和气孔率下降,但是1 040℃后变化逐渐趋缓,故选定合适的烧结温度为1 040℃。1 040℃时,制备的催化剂载体X-射线衍射图见3。由图3可见,制备的催化剂载体主要矿物相为莫来石和石英。

图3 1 040℃时,制备的催化剂载体X-射线衍射图