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研究生: 陳健軒
Chen, Jiann-Hsuan
論文名稱: 水熱條件對高嶺石合成沸石礦物之影響
The effect of hydrothermal treatments on synthesizing zeolites from kaolinite
指導教授: 黃紀嚴
Huang, Ji-Yan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 資源工程學系
Department of Resources Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 93
中文關鍵詞: 高嶺石水熱反應沸石氨氮測試熱酸改質
外文關鍵詞: Kaolinite, hydrothermal reaction, zeolite, NH4 + ion absorption test, Thermal-acid modification
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  • 科技進步帶給吾人便利的生活,但汙染也伴隨著產生,日漸對人
    類健康造成威脅,須更重視及面對工業廢棄物的處理,在工業廢水以
    及廢氣的處理上,可利用吸附或是隔離的方式來達到效果,沸石礦物
    具有吸附與離子交換的性質,被認為是極佳的淨化材料。高嶺石為雙
    層結構,層與層之間由矽氧側提供氧原子,鋁氧側提供氫氣根以共價
    方式結合形成氫鍵,由於其具有可同時提供沸石組成原料中的矽鋁離
    子且容易取得、價格便宜,故高嶺石很適合做為合成沸石的原料。
    本實驗使用高嶺石做為原料並以氫氧化鈉作為礦化劑,利用
    XRD 進行產物鑑定,分別探討原料煆燒溫度(750℃、550℃、RT) 、
    礦化劑濃度(1M、5M) 、反應溫度(150℃、180℃、210℃)與固液比
    (2g/20ml、5g/20ml、10g/20ml)對沸石合成之影響,產物相以Zeolite A、Zeolite P、sodalite 和nepheline hydrate(JBW zeolite)相為主,實驗中取五組結晶性較佳的樣品進行氨氮吸附測試與陽離子交換測試,另外再取其中三組純相樣品進行熱酸改質,由實驗結果可知五組樣品NH4+離子吸附能力皆優於天然沸石礦物,其中nepheline hydrate 相最大吸附量可達26.78cmol/kg 且經改質後樣品之NH4+離子吸附與陽離子交換能力可提高約25%。

    With the advances in technology of industry,however,behind the advantages,it’s also associated with pollution which is growing threat to human health. Treatments of industrial wastes are more and more important nowadays. In the treatment of waste water and waste gas, it can be adsorbed or isolated to achieve the effect. Zeolite minerals with
    adsorption and ion exchange properties, are considered one of the best purification materials. Kaolinite’s structure is composed by a layer of silicon-oxygen tetrahedron layer and an aluminum oxide octahedra layer that are connected through hydrogen bonds, because it can provide silicon
    and aluminum ions and easy to obtain, cheap, so it is suitable as a raw material for synthesizing zeolites.
    Sodium hydroxide is used as alkali solution. The calcination temperature of raw material(750℃、550℃、RT) 、the alkali solution concentration(1M、5M) 、the reaction temperature(150℃、180℃、210℃) and the solid/liquid ratio(2g/20ml、5g/20ml、10g/20ml) were discussed on the effect of zeolite synthesis experiment by XRD analysis.
    Products in this experiment are mainly Zeolite A、Zeolite P、sodalite and nepheline hydrate(JBW zeolite) phase. Five better crystalline samples are selected for NH4+ ion absorption test and cation exchange test and three of
    the five samples are selected for thermal-acid modification.The results showed that NH4+ ion absorption capacity of the five samples are all better than nature zeolite minerals, which nepheline hydrate phase has
    maximum adsorption capacity of up 26.78cmol/kg. NH4+ ion absorption capacity and cation exchange capacity of samples after thermal-acid modified can be increased by about 25%.

    目錄 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究目的 2 第二章 理論基礎與前人研究 3 2-1 沸石介紹 3 2-2 高嶺石介紹 9 2-3水熱合成法(hydrothermal synthesis)介紹 13 2-3-1水熱合成法(hydrothermal synthesis)概述 13 2-3-2水熱合成法原理 14 2-4 文獻探討 16 2-4-1利用飛灰合成沸石之相關研究 16 2-4-2 利用高嶺石合成沸石之相關研究 18 2-4-3沸石於水熱合成中之成長機制 24 2-4-4反應溫度對於沸石合成之效應 26 2-4-5礦化劑濃度對於沸石合成之效應 31 第三章 實驗方法與步驟 38 3-1 實驗流程 38 3-2 實驗材料與設備 40 3-3 性質分析 45 第四章 結果與討論 48 4-1 原料粉末經過煆燒對反應之影響 48 4-2 礦化劑(NaOH)濃度對反應之影響 52 4-3 水熱溫度對反應之影響 58 4-4 固液比對水熱反應之影響 63 4-5 SEM顯微結構分析 68 4-6 氨氮吸附分析 75 4-7 陽離子交換分析 81 4-8 BET比表面積與粒徑分析 86 第五章 結論 88 參考文獻 91 表目錄 表1 常見的沸石結構 6 表2 常見的沸石結構(續) 7 表3 常見的沸石矽鋁比與孔洞表 8 表4 飛灰利用水熱法可產生的沸石礦物 17 表5 數種沸石礦物相之陽離子交換能力(cation exchange capacity) 17 表6 實驗藥品與原料 41 表7 高嶺石原樣化學成分表 42 表8 進行測試之5組樣品反應條件與所得礦物相 75 表9 部分陽離子之離子半徑與離子水合熱 83 表10各組樣品反應條件與BET、平均粒徑測定值 87 圖目錄 圖1 沸石中的矽氧與鋁氧四面體結構 4 圖2 沸石結構的次級結構單元 4 圖3 高嶺石礦物(kaolin mineral)之基本結構 10 圖4 高嶺石礦物之矽氧四面體環結構 11 圖5 禾樂石礦物結構 11 圖6 禾樂石層間含水結構 12 圖7 水熱法應用的四個領域 13 圖8 密閉的容器中,溶液反應溫度和填充比的壓力關係 14 圖9 水熱器材,左側為不鏽鋼外襯,右側為鐵氟龍內襯 15 圖10 高嶺石原樣DTA分析圖 19 圖11 未煆燒高嶺石與NaOH於90ºC下反應XRD圖 (a)24hr(b)72hr(c)168hr(d)264hr 20 圖12 經900ºC煆燒之高嶺石與NaOH於90ºC下反應XRD圖 21 圖13 樣品矽鋁比為1.9(a)、2.5(b)、5(c)之XRD圖 23 圖14 樣品矽鋁比為1.9(a)、2.5(b)、5(c)之SEM圖 23 圖15 樣品矽鋁比介於2.5(b)、5(c)間之SEM圖 24 圖16 沸石於水熱合成反應中之成核成長曲線 25 圖17 非晶質矽氧化物與石英於水中之溶解度與溫度關係圖 26 圖18 飛灰於各反應溫度下得到的產物晶相之XRD圖 27 圖19 飛灰於各反應溫度下得到的產物晶相之SEM圖 28 圖20 各反應溫度下鉀類沸石相繞射峰強度隨時間之變化 30 圖21 高嶺石於各礦化劑濃度下反應之產物XRD圖 33 圖22飛灰於各礦化劑濃度下反應之產物XRD圖 34 圖23 飛灰於各礦化劑濃度下反應之產物SEM圖 35 圖24 礦化劑種類影響反應出的沸石礦物相種類 36 圖25 實驗流程圖 39 圖26 高嶺石原樣經750℃、550℃煆燒與未經煆燒組之XRD圖 42 圖27 高嶺石原樣與經750℃煆燒組DTA圖 43 圖28 水熱溫度210℃,礦化劑濃度5M,固液比為5/20,反應時間8 小時之XRD分析圖 50 圖29 水熱溫度150℃,礦化劑濃度1M,固液比為2/20,反應時間8小時之XRD分析圖 50 圖30 水熱溫度180℃,礦化劑濃度5M,固液比為2/20,反應時間8小時之XRD分析圖 51 圖31 水熱溫度150℃,礦化劑濃度1M,固液比為5/20,反應時間8小時之XRD分析圖 51 圖32 水熱溫度180℃,固液比為2/20,反應時間8小時之XRD圖 55 圖33 水熱溫度180℃,固液比為5/20,反應時間8小時之XRD圖 55 圖34 水熱溫度210℃,固液比為10/20,反應時間8小時之XRD圖 56 圖35 水熱溫度150℃,固液比為2/20,反應時間8小時之XRD圖 56 圖36 水熱溫度150℃,固液比為10/20,反應時間8小時之XRD圖 57 圖37 固液比2g/20ml,礦化劑濃度1M,反應時間8小時之XRD圖 60 圖38 固液比2g/20ml,礦化劑濃度5M,反應時間8小時之XRD圖 61 圖39 固液比5g/20ml,礦化劑濃度1M,反應時間8小時之XRD圖 61 圖40 固液比5g/20ml,礦化劑濃度5M,反應時間8小時之XRD圖 62 圖41 固液比10g/20ml,礦化劑濃度5M,反應時間8小時之XRD圖 62 圖42 水熱溫度210℃,礦化劑濃度1M,反應時間8小時之XRD圖 66 圖43 水熱溫度150℃,礦化劑濃度1M,反應時間8小時之XRD圖 66 圖44 水熱溫度150℃,礦化劑濃度5M,反應時間8小時之XRD圖 67 圖45 水熱溫度210℃,礦化劑濃度5M,反應時間8小時之XRD圖 67 圖46 SEM圖(a)經750ºC煆燒之高嶺土 (b) 經550ºC煆燒之高嶺土 70 圖47 SEM圖 高嶺石煆燒溫度750ºC,反應溫度150ºC,固液比10g/20ml,鹼度為5M,反應時間為8小時產生之沸石礦物相zeolite A、sodalite 71 圖48 SEM圖 高嶺石煆燒溫度550ºC,反應溫度150ºC,固液比2g/20ml,鹼度為5M,反應時間為8小時產生之沸石礦物相sodalite 72 圖49 SEM圖 高嶺石煆燒溫度550ºC,反應溫度210ºC,固液比2g/20ml,鹼度為1M,反應時間為8小時產生之沸石礦物相zeolite A、zeolite P 73 圖50 SEM圖 高嶺石煆燒溫度750ºC,反應溫度210ºC,固液比5g/20ml,鹼度為5M,反應時間為8小時產生之沸石礦物相nepheline hydrate(JBW zeolite) 74 圖51 氨氮吸附分析曲線圖(未熱處理組) 77 圖52各類功能性礦物之氨氮吸附曲線 77 圖 53 實驗樣品與天然沸石礦物吸附量比較 78 圖54 三組純相樣品(zeolite A、sodalite、nepheline hydrate)之DTA圖 80 圖55 氨氮吸附分析曲線圖(經熱處理與酸改質組) 80 圖56 Ca2+陽離子交換曲線圖 84 圖57 Mg2+陽離子交換曲線圖 84 圖58 Ca2+陽離子交換曲線圖(經熱處理與酸改質組) 85 圖59 Mg2+陽離子交換曲線圖(經熱處理與酸改質組) 85

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    下載圖示 校內:2018-08-26公開
    校外:2018-08-26公開
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