wpływ zawartości si i al w popiele lotnym na
Transkrypt
wpływ zawartości si i al w popiele lotnym na
WPŁYW ZAWARTOŚCI SI I AL W POPIELE LOTNYM NA TWORZENIE SIĘ FRAKCJI ZEOLITOWYCH TYPU NA-P1 INFLUENCE OF CONTENTS OF SILICON AND ALUMINIUM ON FORMED ZEOLITE TYPE NA-P1 Dominika Bukalak, Izabela Majchrzak-Kucęba, Wojciech Nowak Politechnika Częstochowska, Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Ochrony Atmosfery, ul. Dąbrowskiego 73, 42-200 Czestochowa, e-mail: [email protected] ABSTRACT Classical, hydrotermiczna method of the synthesis is leading structures of fly ashes to transformations in different types of zeolites. At the undermentioned was introduced work about synthesis Na-P1 zeolite from fly ashes coming from Polish power stations. The process of the synthesis was carried in laboratory conditions with applying 3.0M solution of the sodium hydroxide. Fly ash was subjected by alterations with NaOH solution in temperature 125 C for the 8h period. Received products were characterized by contents of zeolites phases type P,A, X and sodalite and cancrinite. Keywords: zeolites, Na-P1, hydrothermal treatment. 1. WPROWADZENIE Energię elektryczną i cieplną wytwarza się w Polsce w procesie spalania węgla kamiennego i brunatnego. W rezultacie powstają miliony ton ubocznych produktów spalania, w tym popiołów lotnych, które obecnie stanowią największą grupę odpadów tego rodzaju. Wiele gałęzi przemysłu wykorzystuje ten odpad jako surowiec do produkcji nowych materiałów o bardzo dobrych właściwościach. Jedną z alternatyw zagospodarowania popiołów lotnych jest synteza materiałów zeolitowych, które po odpowiedniej modyfikacji mogą stać się adsorbentem do wychwytywania zanieczyszczeń gazowych. Na- P1 to zeolit o wzorze ogólnym Na6Al6Si10O32*12H2O. Podstawową metodą wytwarzania tego typu zeolitów na bazie popiołów lotnych, jest synteza hydrotermiczna, która powoduje, że gładka powierzchnia ziaren popiołu lotnego ulega zmianom podczas reakcji z roztworem NaOH, na skutek czego staje się ona chropowata wskazując na to, że na powierzchni cząstek popiołu wykrystalizował zeolit. Wpływ na reakcje zeolityzacji mają takie czynniki jak temperatura, stężenie zasady (NaOH, KOH) oraz czas aktywacji materiału. To właśnie te trzy parametry kształtują metody wytwarzania zeolitów z popiołów lotnych. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat opracowano na całym świecie szereg metod otrzymywania materiału zeolitowego na bazie popiołów lotnych.( Goni S. i in, 2006; Majchrzak-Kucęba I. i in,2005; Querol X. i in, 2007, Wanbok K. I in,1997) Według Inady i in [4] największą skuteczność tworzenia się różnych typów zeolitów zaobserwowano przy 24- godzinnym cyklu, a głównym produktem z zastosowaniem 1.0-3.5 M roztworu NaOH był zeolit Na-P1. Największą efektywność syntezy uzyskano z zastosowaniem 2.0 M roztworu NaOH, przy czym efektywność ta zmniejszała się wraz z wzrostem stężenia roztworu. Zmiany w typie powstałego produktu, wyjaśnione są rozpuszczalnością krzemu (Si) i glinu (Al.), która zmienia się w zależności od stężenia roztworu. W swoich badaniach Wanbok K i in (Wanbok K. I in,1997) zastosowali 2,3,4,5 M roztwór NaOH oraz temperaturę 100-160°C w celu otrzymania zeolitu Na-P1. W rezultacie zaobserwowano, że w przypadku gdy stężenie NaOH wzrasta do 4.0 M, wraz z Na-P1 powstaje faza zeolitowa fojozytu, a przy stężeniu powyżej 5.0 M obok zeolitu Na-P1 zaczynają się kształtować fazy hydroksylsodalitu. Przejście jednej fazy zeolitu w drugą podczas syntezy mają również miejsce przy zmianach temperatur, ponieważ przy wzroście temperatury do 160 °C i stężeniu NaOH 4.0 M zaobserwowano pojawienie się w, miejsce NaP1,analcymu. Na podstawie przeglądu literatury (Goni S. i in, 2006; Majchrzak-Kucęba I. i in,2005; Querol X. i in, 2007, Wanbok K. I in,1997) Goni S. i in, 2006; Majchrzak-Kucęba I. i in,2005; Querol X. i in, 2007, Wanbok K. I in,1997 stwierdzono, iż warunkami optymalnymi dla tworzenia się zeolitów typu Na-P1 są temperatura 100°C oraz roztwór o stężeniu 2.0-3.0 M. Warunki te zastosowano w niniejszej pracy. 36 Celem było określenie wpływu zawartości Si i Al w popiołach lotnych na tworzenie się zeolitów typu Na-P1. Eksperymenty syntezy przeprowadzono z zastosowaniem 14 różnych typów popiołów lotnych w warunkach laboratoryjnych, a otrzymane wyniki będą pomocne do optymalizacji warunków prowadzenia syntezy na skalę półprzemysłową. Syntezę zeolitów na bazie wybranych 14 typów popiołów lotnych, pochodzących z polskich elektrowni i elektrociepłowni, przeprowadzono stosując 3M roztwor wodorotlenku sodu, czas procesu 8 oraz temperaturę aktywacji 125°C. Szczegółowe warunki prowadzenia procesu przedstawione zostały w tabeli 1. 2. MATERIAŁY I METODY Tabela 1. Warunki prowadzenia procesu syntezy zeolitów typu Na-P1 Metoda I Stężenie czynnika NaOH Czas prowadzenia procesu Temperatura aktywacji Stosunek popiół lotny/ roztwór 3M 8h 125°C 1:4 Popiół lotny został zmieszany z wodnym roztworem wodorotlenku sodu o stężeniu 3.0M w ilości: 4ml roztworu NaOH na 1g popiołu lotnego. Próbki ogrzewano w temperaturze 125°C w czasie 8h. Materiał po procesie aktywacji został schłodzony do temperatury pokojowej i filtrowany w celu usunięcia pozostałego po aktywacji roztworu. Następnie próbki przemywano wodą destylowaną do uzyskania pH ok. 10. Końcowym etapem syntezy było suszenie próbek w temperaturze 90°C . 3. WYNIKI I DYSKUSJA Materiały bazowe do syntezy to popioły lotne pochodzące z różnych rodzajów kotłów zarówno fluidalnych jak i pyłowych (tabela 2) z polskich elektrowni i elektrociepłowni. Dodatkowo zastosowane zostały popioły ze spalania biomasy (nr 13), oraz ze współspalania biomasy z węglem kamiennym (nr 14). Materiały te w odróżnieniu od pozostałych charakteryzował wysoki stosunek Si/Al. Tabela 2. Charakterystyka ogólna materiału wyjściowego. typ popiołu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 popiół lotny popiół lotny popiół fluidalny popiół fluidalny popiół fluidalny popiół lotny popiół lotny popiół lotny popiół fluidalny popiół lotny popiół lotny popiół fluidalny popiół fluidalny popiół lotny Ze względu na różnice jakościowe pomiędzy poszczególnymi rodzajami popiołu lotnego wykonano analizę własności fizykochemicznych przed procesem syntezy. Skład chemiczny materiału bazowego do syntezy zeolitów oznaczony został wg normy PN79/G-04528, a wyniki tej analizy przedstawione zostały w tabeli 4. rodzaj paliwa węgiel kamienny węgiel brunatny węgiel brunatny węgiel kamienny węgiel kamienny węgiel kamienny węgiel kamienny węgiel brunatny węgiel kamienny węgiel kamienny węgiel brunatny węgiel kamienny biomasa węgiel kamienny + biomasa Głównym kierunkiem wstępnych badań surowców (popiołów lotnych) było określenie zawartości tlenków krzemu i glinu (stosunek Si/Al), których ilość ma decydujący wpływ na jakość otrzymanych z popiołów lotnych produktów. 37 Rys. 1. Zawartość SiO2 i Al2O3 w popiołach lotnych użytych do syntezy. Rys. 2. Stosunek zawartości SiO2 do zawartości Al2O3 w popiołach lotnych Na rysunku 1 przedstawiono stosunki wagowe głównych składników popiołów lotnych- SiO2 i Al2O3. Jak widać analizowane popioły lotne to materiały zasobne w tlenki krzemu i tlenki glinu, dzięki temu stanowią one idealną bazę do syntezy zeolitów. Kluczową rolę w tworzeniu się frakcji zeolitowych ogrywa stosunek zawartości tlenku krzemu do tlenku glinu w składzie chemicznym bazowego materiału. Jak widać na rysunku 2 popiołami o najwyższym stosunku SiO2/Al2O3 są popioły 13 i 14. Wpływ na taką wysoką wartość tego parametru miał niewątpliwie rodzaj paliwa zastosowany w procesie spalania- biomasa. Na podstawie danych literaturowych frakcje zeolitowe typu Na- P1 tworzą się w popiołach, w których stosunek Si/Al mieści się w granicach 0.8- 2.0 (QUEROL X i in., 2000). W zastosowanych do syntezy popiołach lotnych stosunek Si/Al wynosił od 1.3 (nr 3) do 5.32 (nr 14). Ponadto dokonano analizy składu mineralogicznego popiołów lotnych, która wykazała obecność charakterystycznych dla tych materiałów faz: tlenku krzemu, mulitu, hematytu oraz magnetytu. Ponadto w niektórych popiołach zidentyfikowano związki wapnia (1,3,4,5,7,8,10,11,13,14), które zdecydowanie źle wpływają na formowanie się materiałów zeolitowych. Po przeprowadzonych procesach syntezy otrzymane materiały poddane zostały analizie XRD w celu stwierdzenia obecności poszczególnych faz materiałów zeolitowych w próbkach. Rodzaje materiałów zidentyfikowanych za pomocą analizy XRD przedstawione zostały w tabeli 3. 38 Tabela 3. Rezultaty syntezy zeolitów z popiołów lotnych. Stosunek Si/Al w popiele Czas Otrzymane produkty lotnym Temperatura procesu 1. 125 °C 1.63 8h sodalit, SiO2, mullit 2. 125 °C 2.43 8h zeolit P, mullit, SiO2 3. 125 °C 1.51 8h sodalit, mullit, SiO2, 4. 125 °C 2.20 8h sodalit, SiO2, kankrynit 5. 125 °C 2.52 8h sodalit, SiO2, kankrynit, krzemian sodu 6. 125 °C 1.76 8h sodalit, SiO2, mullit 7. 125 °C 2.16 8h mullit, sodalit, SiO2, zeolit P, zeolit A 8. 125 °C 2.37 8h sodalit, SiO2 9. 125 °C 1.82 8h mullit sodalit, SiO2, 10. 125 °C 2.18 8h SiO2, sodalit, mullit 11. 125 °C 1.91 8h mullit, SiO2, sodalit, zeolit P 12. 125 °C 1.79 8h SiO2, sodalit, kankrynit 13. 125 °C 5.20 8h SiO2, Ca(OH)2, CaCO3 14. 125 °C 6.04 8h SiO2, zeolit A Tabela 4. Skład chemiczny popiołów lotnych użytych do syntezy zeolitów. Straty 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13 14. 550 5,2 1,11 0,74 3,82 2 3,21 0,83 1,96 8,51 2,58 0,05 0,02 0,01 0,03 800 5,56 1,26 0,95 4,06 3,06 3,56 1 2,08 9,57 2,7 0,07 0,05 0,04 0,11 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O Mn2O3 P2O5 TiO2 50,49 54,77 48,42 44,09 46,55 46,15 56,52 47,97 51,85 49,18 49,92 45,77 55,9 40,76 4,8 4,46 4,26 7,07 5,12 8,4 5,57 4,24 3,97 8,78 6,3 10,79 3 3,5 5,46 7,9 2,69 10,29 18,93 4,87 3,11 24,78 3,69 5,2 6,83 8,56 18,05 24,67 0,93 0,66 0,66 0,56 0,52 0,58 0,63 0,56 0,81 0,73 4,1 2,5 2,8 2,55 0,98 1,78 2,14 4,1 0,98 3,11 1,35 0,97 1,43 2,87 1,97 1,67 0,98 1,02 2,1 1,09 1,97 2,85 1,71 1,8 2,28 0,27 1,31 2,04 2,91 1,84 3,39 2,28 0,41 0,16 0,12 0,36 0,1 0,2 0,22 0,16 0,04 0,27 0,19 0,17 0,55 0,32 0,003 0,004 0,005 0,004 0,006 0,005 0,016 0,006 0,026 0,009 0,08 0,08 0,27 0,27 0,2 2 2 0,2 0,2 0,6 0,2 0,6 0,2 0,4 0,4 0,2 0,2 0,2 31,06 22,56 32 20 18,48 26,25 26,12 20,27 28,56 22,56 26,13 25,62 10,76 6,75 Rysunek 3 przedstawia dyfraktogramy faz zeolitowych otrzymanych w wyniku modyfikacji poszczególnych rodzajów popiołów lotnych. Na podstawie przeprowadzonych badań, obecność zeolitu Na-P1 stwierdzono w próbkach 2,7 i 11. Aktywacja pyłowego popiołu lotnego nr 2, 3M roztworem NaOH przyniosła następujące wyniki. Główną frakcją oznaczoną analizą XRD była frakcja zeolitu P. Wpływ na wytworzenie się tego typu produktu mogła mieć wysoka zawartość mulitu w materiale bazowym. Zaobserwować możemy również wysoki pik tlenku krzemu. Zawartość mulitu w próbce świadczyć może o niedostatecznej długości trwania aktywacji, która w tym przypadku wynosiła 8h. Analiza XRD próbki otrzymanej na bazie popiołu lotnego nr 7 również wykazała obecność zeolitu P. Materiał wyjściowy charakteryzował się wysokim stosunkiem Si/Al. który w surowym popiele wynosił 2.16. Ponadto otrzymano zeolit A, którego główną metodą otrzymywania jest metoda fuzji. Zawartość mulitu oznaczona za pomocą półilościowej analizy XRD w popiele lotnym nr 7 była najwyższa ze wszystkich badanych popiołów co miało niewątpliwie wpływ na obecność tej fazy w produktach końcowych. Analiza półilościowa materiału bazowego (popiołu lotnego) nr 11 przed procesem syntezy wykazała wysoką zawartość mulitu oraz hematytu. Stosunek zawartości krzemu do zawartości glinu był w tym przypadku najniższa spośród tych popiołów, w których otrzymano frakcję zeolitu P i wynosił on 1.91. Ponadto w próbce zidentyfikowano obecność innej fazy zeolitowej- sodalitu oraz pozostałości z popiołów lotnych (mulitu i tlenku krzemu) . Podobne warunki syntezy (125 °C, 8h) zastosował w swoim eksperymencie Querol (QUEROL X i in.; 2007) Głównym produktem syntezy przeprowadzonej przez autora był zeolit Na-P1. Synteza przeprowadzona z zastosowaniem 14 różnych typów popiołów lotnych nie przyniosła tak dobrych rezultatów jakie osiągnął autor w przeprowadzonym przez siebie eksperymencie. Popiół lotny zastosowany do syntezy charakteryzował się stosunkiem SiO2/Al2O3 równym 2.4. W próbce 2, w której otrzymano zeolit typu P stosunek ten był bardzo zbliżony. Na wyniki eksperymentu wpływ mogły mieć różnice wynikające ze składu mineralogicznego próbek. Querol zastosował popiół ubogi w mulit i kwarc. Na wyniki przeprowadzonej syntezy z zastosowaniem tak zróżnicowanego pod względem składu chemicznego jak i mineralogicznego niewątpliwie parametry dobrane do prowadzenia procesu. ( np. zbyt wysoka temperatura lub zbyt krótki czas reakcji). Dalsze badania będą prowadzone w kierunku doboru odpowiednich parametrów prowadzenia procesu syntezy zeolitu typu Na-P1 Parametry dobrane do prowadzenia syntezy są optymalne dla tworzenia się sodalitu, gdyż krystalizował on w prawie każdej próbce ( wyjątek nr2, nr13, nr14) S M - mulit S - SiO 2 M A M H popiół nr 1 C M SiO 2 So modyfikacja So M SiO 2 So SiO 2 H - hematyt C - CaO A - anhydryt So - sodalit M - mulit 40 S iO 2 Hr M M M - m u lit P - z e o lit P H r - h a r c e n it M M M Hr popiół nr 2 M P M P modyfikacja M P P S iO P M 2 M M P P Q A S- sodalit M - m ullit A - anhydryt Q - kwarc H - hem atyt C - CaO CC - CaCO3 C SiO 2 SiO 2 CC C S popiół nr 3 H S SiO 2 modyfikacja SiO 2 S S M S M M M S S 41 S iO 2 S - s o d a lit K - k a n k ryn it A - a n h yd ryt C - CaO CC - CaCO 3 H - h e m a tyt A S iO 2 popiół nr 4 modyfikacja S iO 2 S K K H S iO 2 CC S iO 2 K S iO 2 K S iO 2 H C K S S K SiO 2 S- sodalit K - kankrynit H - hematyt A - anhydryt C - CaO CC- CaCO3 A SiO 2 popiół nr 5 SiO 2 S modyfikacja K SiO 2 c cc H SiO 2 S SiO 2 K H A S SiO 2 SiO 2 c 42 Q S iO 2 M A H M - m u lit S - s o da lit H - h em atyt A - a n h yd ryt Q - k w arc M g - m a g n e tyt Mg H popiół nr 6 S modyfikacja S M S iO 2 S iO 2 S SiO M S 2 M M - m ulit S - sodalit H - hem atyt A - zeolit A P - zeolit P C - CaO M M H M M M M M C popiół nr 7 SiO M 2 modyfikacja A A P M S S P P P 43 Q Q Cs popiół nr 8 S - sodalit H - hematyt C - CaO Cs - CaSO4 Cs H Cb H s modyfikacja SiO 2 S S Q - kwarc Cb - cristobalite C s S SiO 2 S Q Q S Q SiO S 2 SiO2 M M M M SiO2 M M M - mulit SiO2 M popiół nr 9 SiO2 M modyfikacja SiO2 M M M M M SiO2 M 44 Q Q M M H A popiół nr 10 M M -m ullit S - sodalit H - hematyt C - CaO Q - kwarc A - anhydryt C M SiO2 S modyfikacja SiO2 M S M M S Q M M Q popiół nr 11 M SiO2 P P modyfikacja M P SiO2 P M M M M S P c c M M P S M M M M M S - sodalit Q - kwarc M - mulit P - zeolit P C - CaO PPP 45 Q A Q popiół nr 12 modyfikacja S iO S H H CC A 2 A S K S iO Q - k w a rc CC- CaCO 3 H - h e m a tyt A - a n h yd ry t K - k a n k ry n it H Q H H S iO 2 K S K 2 Q A - anhydryt CC - CaCO3 C - CaO W - Ca(OH)2 Q - kwarc W Q popiół nr 13 W modyfikacja SiO2 A SiO2 CC CC C SiO2 W SiO2 46 Q C C C A Q CC popiół nr 14 modyfikacja C - CaO CC - CaCO3 A - anhydryt Q - kwarc A - zeolit A SiO2 SiO2 A A SiO2 SiO2 Rys. 3. Dyfraktogramy faz zeolitowych otrzymanych w wyniku modyfikacji 14 różnych typów popiołów lotnych. PODSUMOWANIE Podczas procesu aktywacji popiołu lotnego 3M roztworem wodorotlenku sodu wykrystalizowało wiele rodzajów faz zeolitowych. Głównym produktem każdej z syntez okazał się sodalit, co świadczyć może o tym, że warunki dobrane do prowadzenia procesu zeolityzacji są optymalne do tworzenia się kryształów tego typu zeolitu. Zeolit typu P krystalizował w trzech próbkach (2, 7, 11) , w których zastosowano 8-godzinny czas aktywacji. Stosunek zawartości krzemu do zawartości glinu w tych próbkach wynosił odpowiednio dla popiołu pyłowego nr 2- 2,42, dla popiołu nr 7- 2.16 oraz dla popiołu nr 11- 1.91. Frakcje zeolitowe typu P tworzą się na powierzchni popiołów lotnych ,w których stosunek Si/Al mieści się w przedziale 0,8-2,0 jednakże prawidłowy dobór parametrów prowadzenia syntezy umożliwia wykrystalizowanie zeolitu P także w tych popiołach w których Si/Al jest wyższe niż zadane. „Prace przeprowadzono w ramach projektu finansowanego ze środków Mechanizmu Finansowego EOG Oraz Norweskiego Mechanizmu Finansowego (nr projektu PL0260, nr umowy E031/T02/2008/02/85)” LITERATURA Czasopisma: ADAMCZYN Z, BIAŁECKA B,HALSKI M, 2005, „Hydrotermalna synteza zeolitów z odpadów paleniskowych Elektrowni Łaziska” in: Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, 1/2005, pp.49-56 GONI S, GUERRERO A, LORENZO M.P,2006 „Efficiency of fly ash belite cement and zeolite matrices for immobilizing cesium”, in: Journal of Hazardous Materiale, B137, pp. 1608-1617. 47 HOLLMAN G.G, STEENBRUGGEN G. JANSSEN-JURKOVICOVA M.; 1999, „ A twostep process for synthesis of zeolites from coal fly ash” in: Fuel vol.78, pp.1225-1230 QUEROL X i in., 2000 „Synthesis of zeolites from fly ash at pilot plant scale. Examples of potential applications”, in: Fuel, vol.80, pp.857865. INADA M, YUKARI E, ENOMOTO N, HOJO J.;2004 „Synthesis of zeolite from coal flu ashes with different silica-alumina composition” in: Fuel, vol. 84 pp.299-304 STEENBRUGGEN G, HOLLMAN G.G. ; 1997, „The synthesis of zeolites from fly ash and the properties of zeolite products”, in Journal of Geochemical Exploration, vol. 62, pp.305-309 MAJCHRZAK-KUCĘBA I, NOWAK W, 2005 „A termogravimetric study of the adsorption of CO2 on zeolites synthesised from fly ash”, in:Thermochemica Acta, 437, pp.67-74. SUCHECKI T.T, 2005 „Zeolity z popiołów lotnych. Otrzymywanie i aplikacje w inżynierii środowiska” Zakład Narodowy im. Ossolińskich- Wydawnictwo Wrocław QUEROL X i in.; 2007, „Synthesis of high ion Exchange zeolites from coal fly ash” in: Geologia Acta. Vol. 5, No. 1, pp. 49-57 WANBOK K, SEUNG-HOON J, BYOUNG JOON A.;1997 „Synthesis of Na-P1 zeolite from coal fly ash” in: Journal of Ind.&Eng.Chemistry, vol.3, No.3, pp.185-190 QUEROL X i in., 1996, „ Synthesis of Nazeolites from fly ash”, in: Fuel, vol.76, No.8, pp.793-799. QUEROL X i in. , 1994,”Synthesis of zeolites by alkaline activation of feroo-aluminous fly ash” in: Fuel, vol.14, No.8, pp.1226-1231.