文摘

目前,化学硅/铝来源主要是用作前驱材料沸石的生产。这样的商业合成前体材料是相当昂贵的。在这里,我们报告的合成总部沸石从香粘灰碱处理废物的方法第一次。香粘灰(ISA)作为前体物质合成的低硅沸石的碱处理方法。as-synthesized沸石都具有各种工具如粒度分析仪(PSA),傅里叶变换红外(FTIR)、x射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM),电子衍射能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、x射线荧光光谱仪。红外光谱和x射线衍射帮助识别的微观结构和结晶沸石的性质,也证实了总部的合成沸石和两个θ为25.7°。FESEM和透射电镜显微分析Ca-rich沸石合成不同大小的展出,从200年到700海里,聚合和立方形的形状。此外,结构,电子态密度的斜方钙沸石(Ca的特征2艾尔4如果4O16·9H2O)结构进行评估,计算模拟(第一原理密度泛函理论)。结构进行了结构优化的第一阶段的最低条件下总能量和力量作用于原子的晶格常数,以及可用的实验和理论研究结果。目前的研究方法预测ISA废物转变成一个增值矿物,即。,zeolite, which was further used for the removal of both heavy metals and alkali metals from fly ash-based wastewater using inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES).

1。介绍

沸石晶铝硅酸盐有元素从组I或II为反离子(1]。沸石主要由铝、硅和O,形成他们的基本框架2]。沸石的结构由框架(SiO4]4 _和[氧化铝4]5四面体与对方在角落通过分享他们的氧气3,4]。沸石的四面体3 d网络有很多空洞和空间(5),这些空洞沸石补充的特点,例如,在巨大的内部通道的分子吸附6,7]。沸石很容易脱水和冻干8)和用作阳离子交换剂(9)、土壤净化(9,10),和分子筛11]。沸石的独特而非凡的性质viz.多孔性质,负电荷,水不溶性,熔点高,和水捕捉属性(12- - - - - -14)让他们潜在的材料作为吸附剂(15)对废水处理(16),作为农业肥料17),作为离子交换剂(18- - - - - -26]。根据他们的起源、沸石可以两种类型,即。天然或合成[27,28]。在实验室条件下合成沸石合成优化条件。

目前,商用产品,合成沸石优于天然沸石,因为他们可以根据需要修改。此外,合成沸石更精确,下令,水晶,统一在粒子的大小。然而,来自Al -沸石的合成和制备化学不是经济来源29日]。另一方面,天然沸石在自然界存在的火山灰烬(30.,31日],沉积岩[32],粘土和高岭土[33,34],粉煤灰[28,35],铝土矿矿物[36),和其他泥土材料可能降低沸石但纯洁的成本仍然是一个主要问题。香粘灰(ISA)成为家庭和宗教场所的废弃物可以作为一种沸石天然沸石(由于其成分相似37,38]。然而到目前为止,还没有尝试由科学界的合成沸石等忽视浪费ISA (39]。每一天,吨香在宗教场所和家庭消费在像中国这样的国家,泰国,日本,缅甸,印度神的目的进而产生ISA。燃烧的香留下灰烬残渣,必须处理在河流或其他水源,特别是在印度,它拥有宗教价值观和被认为是神圣的40,41]。印度香粘灰具有较高的钙、镁、铁、硅、铝含量,钙和镁仅占总重量为50 - 60%的灰42- - - - - -44),而二氧化硅和氧化铝20% 5 - 10%形成25 - 30%的总重量。所有这些元素对沸石的合成至关重要(35]。因此,而不是处理骨灰入河中,它可以用于合成沸石这可能潜在的治疗废水,保护环境。

ISA是受雇于沸石的合成,通过碱处理方法在实验室条件下。根据我们所知,ISA-based合成沸石的首次报道。合成沸石的特点是粒度分析仪(PSA),傅里叶变换红外(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FESEM),电子衍射能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、x射线衍射(XRD)、x射线荧光光谱仪。合成沸石属于方钠石类和水晶,聚合,立方形的形状与大小从200纳米到700纳米。进一步,合成沸石的潜力是探索去除重金属和碱金属的粉煤灰水解决方案对时间使用电感耦合plasma-optical发射光谱学(ICP-OES)分析。总之,利用沸石ISA将减少ISA和水污染的处理问题。

2。材料和方法

2.1。材料

香粘灰,浓缩的。盐酸(RENKEM),浓缩的。H2所以4(RENKEM),氢氧化钠(SRL)、乙醇(SRL、印度),圆底烧瓶,烧杯100毫升、绘画纸滤纸。42 (Axiva、印度),回流冷凝器。

2.2。方法

香棒灰是100毫升烧杯转移,与蒸馏水冲洗2 - 3次,消除碳和其他未燃尽的粒子。进一步,从ISA泥浆,亚铁分数提取使用外部钕磁铁(44]。删除从灰亚铁提高沸石的性质,因为它干扰了沸石的变换(45]。有色分数是干在室温或烤箱60°C到完全干燥。此后,有色部分是处理2 N H2所以4在圆底烧瓶(RB)在固体,液体的比例1:10在室温(RT)。混合物是连续使用电磁搅拌器搅拌回流。它消除了过剩的Ca氯化物的形式从灰烬。残留离心法收集的混合物在7000 rpm 5分钟和丢弃上层清液。

干渣进一步处理2 N-6 N H2所以4在95°C下搅拌回流冷凝器从灰烬中删除铝的溶解温度较高。此外,残渣收集通过离心法混合物在7000 rpm 5分钟。上层清液被免职,残渣与蒸馏水洗2 - 3次,消除任何酸性的根。

此外,RB烧瓶,干渣处理4 - 8 M氢氧化钠的比率1:5 95°C和连续搅拌回流下90分钟。残留离心法收集的混合物在7000转10分钟。残留物收集,浮在表面的被丢弃。最后残留使用蒸馏水冲洗2 - 3次,消除任何氢氧化钠和氯化钠粒子从表面和干热风烤箱60°C。合成沸石的ISA的完整过程示意图如图1。


图1
从ISA沸石合成的原理流程图。
2.2.1。准备20%的粉煤灰水解决方案

50克粉煤灰与250毫升蒸馏水重和混合在一个塑料瓶,和混合装在一个水平瓶24 - 48小时的200 rpm。时间间隔后,混合物被允许定居在RT和使用一种高级绘画纸滤纸过滤。42岁的水溶液被保留在残渣丢弃。的水溶液是存储在一个玻璃瓶作为沉重和碱金属的来源。

2.2.2。批量吸附研究的沉重和碱金属CFA水解决方案

批量吸附研究补救的沉重和碱金属水解决方案使用ISA的粉煤灰合成沸石。为此,150毫升的CFA水溶液被转250毫升锥形烧瓶。水溶液,9毫克添加了合成沸石。混合物是保存在一个孵化器瓶在150 rpm和25°C。样本收集最初的整除时0分钟,120分钟后的最终样本收集。两样本分析的ICP-OES检测各种重型和碱金属的浓度在指定的时间之后。

2.3。表征Ca-Rich沸石

x射线荧光光谱(光谱仪)是用于分析Ca-rich沸石的主要元素氧化物。分析是为了检测沸石样品的化学成分,为此,5克Ca-rich沸石粉样本和测量PANalyticalε5,荷兰,装有4 KW 60 kV、125 mA, Rh阳极x射线管。使用PerkinElmer进行了红外光谱分析,“6500”(美国)通过与溴化钾固化样品小球2厘米的一项决议1。不仅在中地区,即。,从400 - 4000厘米1,提供了传输测量。ISA的粒度测量和分布样本分析莫尔文Zetasizer, z - 90(英国),粒度分析仪检测范围为0.1 nm 300微米,并分析了三种平均运行。FESEM-EDS有助于揭示大小和永恒的特性,孔隙度和富含钙的合成沸石的形状。沸石的表面结构分析对其进行了分析,新星,NANOSEM 450 (范,美国),除了使用牛津EDS分析跟踪和次要元素的附加元素分析仪。富含钙沸石的XRD模式使用D-8得到进步,力量(德国)、仪器分析了样本以粉末形式确认的性质和类合成沸石。XRD模式被记录在70年5 - 2 -θ的范围,步长为0.02,时间2秒/步骤30千伏,电流30 mA。介绍了用于识别形态沸石的细节,d-spacing,衍射图样。沸石是分散到重蒸馏的水和用近10分钟,和使用方法,薄薄的一层是沉积在碳涂层铜网格由范模型分析Tecnai G2 20双(200 kV)(美国)。

3所示。结果与讨论

ISA的基本化学成分包括氧化物如曹(49.6%)、SiO2(20.3%)2O3(4.7%)、铁2O3(4.28%),分别以(3.9%)和K2O(8.2%),使其成为合适的材料合成的沸石(44]。ISA的Si /阿尔比是高四这表明硅在ISA。通过碱激活和同时加热,石英阶段(15 - 20%)存在的ISA参与沸石化过程溶解进入溶液而石英或莫来石仍不反应的矿物相(46]。材料与高钙氢氧化钙水媒体内容形式,并由于其低水溶性,Ca形成碳酸钙在沸石化(46]。在这一步中,有一个解决方案的pH值,由于氢氧化钙与氢氧化钠;此外,Ca替代品本机Na+与钙离子钠沸石2 +离子;因此,它可能会产生一些calcium-exchanged沸石(46,47]。ISA氢氧化钠水热方法合成沸石的治疗机制或化学反应如下:

3.1。红外光谱识别官能团的沸石

红外光谱是一个很重要的分析技术,用于识别官能团在合成沸石。的基础上官能团,其特定的类沸石可以分为XRD和EDS数据。图2显示了一个典型的红外光谱谱ISA-based Ca-rich沸石产品,如碳酸钙显示多态性(48]。乐队在460厘米1是由于间质孔隙形成的合成沸石(49- - - - - -52]。乐队在1135厘米1被归结为硅酸盐债券Si-O-Si [53,54),而更清晰和更深层的本质乐队表明提高结晶度的合成沸石55]。1600厘米附近的乐队1由于分子-哦,3435厘米附近另一个乐队吗1是因为水分子的弯曲振动的样品(56]。顺便说一句,更广泛的透光率检测到乐队3450至3440厘米1集中在3435厘米1可以分配给一个不对称地——拉伸与Na+、钙2 +,如果4 +和/或3 +(57]。


图2
红外光谱光谱富含钙沸石颗粒。

这表明如果之间有桥接和Al -哦四面体的离子。然而,水合铝硅酸盐组成的哦,最后结合产品也存在。3450厘米附近的伸展振动1和弯曲振动在1640 - 1620厘米1最终产品建议沸石结晶和更高的阳离子交换量(CEC) (58]。

3.2。PSA沸石的粒度分布

图3显示钙沸石颗粒的粒度分布。平均粒径为1568纳米,而图显示两座山峰,一个主要峰值在1694 nm和4851 nm附近的一个小高峰。PSA显示更大的颗粒大小和TEM (200 - 700 nm)因为在PSA形成水动力层(包括核心和分子吸附在表面)在纳米粒子使整体大的粒子大小(59]。此外,TEM分析需要一个干燥的样品;然而,PSA使用一个示例在溶剂化状态,溶剂分子与纳米颗粒表面形成水化层(60),而使用TEM计算粒子的大小,这不在纳米颗粒表面水化层;因此,获得的颗粒大小是相对较低的61年]。PDI证明了粒子的粒子是0.210中单分散的溶剂。


图3
钙沸石粒子的粒度分布。
3.3。XRD沸石合成的阶段识别和确认

XRD衍射图在图4发现的矿物质和结晶性质Ca-zeolite显示主要强度达到25°和几个小强度峰值为31.6,38.9,41.7,和48.95°。沸石的形成决定的基础上达到25°和d-spacing值。最常见的总部沸石是斜方钙沸石(Ca2艾尔4如果4O16h·92O)的特征峰在21.7°,26.6°,27.9°,峰值为32.6°可能是由于方解石(62年]。


图4
XRD衍射图样的富钙沸石颗粒。
3.4。光谱仪分析沸石沸石的化学成分

光谱仪技术是最可靠的技术为主要元素氧化物的检测样本。图5显示了一个典型的光谱仪光谱ISA-based沸石材料,其基本成分在表提供1。光谱清楚地表明,沸石的Ca量最高,其次是钾、铁、硅、镁、和艾尔。高钙含量确认总部沸石的存在。但艾尔表明,沸石的低价值需要辅以外包的基地维护Si /阿尔比。铝含量更低,即。,5- - - - - -8%, in ISA can be maintained during the zeolitization step [62年]。合成沸石低Si / Al-based沸石(63年]。总部沸石自然也支持的红外光谱和FESEM-EDS。


图5
光谱仪的光谱Ca-rich沸石。
表1
富含钙沸石通过光谱仪的主要化学成分。
3.5。形态分析的ISA和Ca-Rich FESEM-EDS沸石

数据6(一)和6 (b)显示的香粘灰FESEM显微图显示形状不规则的颗粒显示更高的聚合。在微米粒子的大小主要是,即,1 - 12微米。聚合粒子碳——从光谱仪和富含钙的粒子也明显。ISA粒子主要是由Ca和碳粒子。亮区域富有金属区域像铝,硅、铁和钙在深色的富裕地区富含碳的地区。图6 (g)沸石的EDS现货而图吗6 (h)的EDS光谱和元素成分表从ISA富含钙的合成沸石。EDS光谱显示主要Ca、O、C和S Al和Si中量小多了。Ca, O, Si,表明总部沸石的形成主要是斜方钙沸石(64年]。C和S存在杂质,可以认为由于洗涤不当的沸石样品。ISA有很高的Ca和C,所以总部合成沸石具有更多的元素。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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(f)
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(g)
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(h)
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图6
FESEM的图像(a, b)香粘灰,富含钙沸石(氟),(g) EDS现货,EDS光谱(h)。

亚铁缺席的EDS元素成分分析表明移除大部分的铁粒子,它有积极的影响沸石的性质(65年)因为亚铁可能干扰沸石的纯度。

3.6。TEM分析富含钙的合成沸石的形态

当时与电子束曝光的沸石,有可能损伤和沸石的充电,所以要求复杂的可视化技术,如高分辨率透射电镜(66年]。所示的TEM显微图数据7(一)- - - - - -7 (d)揭示了形态类似于FESEM, cuboidal-shaped粒子有长度不同的200 nm和700 nm之间,宽度从100纳米到300纳米。除此之外,有几个小粒子的聚合是可见的,光明的粒子在TEM场。前三个图像描绘Ca-rich沸石颗粒组,而数据7 (d)和7 (e)分别显示两个和单粒子。同时,图像粒子立方形的形状,而在图7 (e),单个粒子的尺寸是250纳米宽,700 nm长。沸石的晶体图像重叠在某种程度上;水晶的边缘是显而易见的。此外,散射区电子衍射(SAED)模式在图7 (f)表明,粒子有多晶本质。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
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(d)
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(e)
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(f)
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图7
(安妮)富含钙沸石和TEM显微图(f) SAED模式。

总部或Ca-rich沸石在Na-based沸石有几个优势。Na-based沸石的应用被限制在土壤和水并不是一个适当的材料用于农业,aqua-based产品高钠含量提高了盐度盐化和苏打碱化土壤/土壤(水67年]。具有挑战性的问题,在这种情况下是(a)期间减少Na-based ISA的恶劣条件下沸石在水土保持中的应用,(2)增加Ca-exchanged沸石。所以合成沸石的ISA能解决问题与这些问题相关。

3.7。修复重金属和碱金属的Ca-Rich沸石

在这里,沸石颗粒的用量是固定的,即,10毫克200毫升废水的解决方案。沉重的补救(Cd、锰、锌、铅、铝、铜、有限公司Cr、和Ni)和碱金属(钙、镁、Ba和Al)吸附过程在多组分系统是由在孵化器瓶摇瓶法。重金属的去除百分比是由下列公式计算:

在哪里 和 最初,平衡浓度(ppm)的金属离子在溶液中,分别。

去除效率的七种重金属(铜、Co、Ni、铅、铬、锌、和Cd)下降,2小时后的解决方案如表所示2,而Pb的价值达到低于检测水平的ICP-OES废水中的铅浓度已经少解决方案相对于其他重金属。此外,更高的Pb也可以是电负性因素(68年]。金属离子吸附过程中,电负性的元素属性变得非常重要,高电负性较强的共价负责形成金属与O原子位于沸石的表面(69年]。

表2
重金属浓度在不同的时间间隔。

尽可能的补救nonheavy金属(Ba、钙、镁、锰和铝)而言,减少英航的价值,钙、镁、锰、铝是注意到2小时后如表所示3。这些都是碱金属存在显著的粉煤灰、及其处理到河里或其他水体将会增加水的碱度和硬度(70年]。所以沸石可以高效和经济的吸附剂去除废水的碱金属(70年]。这里,重金属和碱金属的吸附发生在沸石表面的粒子由于静电吸引和协调。一些研究者也报道大量的重金属废水的补救nanoadsorbents由于静电吸引和协调71年]。沸石表面带正电荷在中性或微酸性pH值,产生PZC排斥阳离子。CH沸石表面之间的协调和二价金属离子负责对沸石的吸附阳离子。这种吸附和沉积的现象观察,因为粉煤灰水解决方案是一个多组分系统,一些重金属吸附和nonheavy金属争夺有限的网站。一旦占领这些绑定网站,有一个健康的离子和非金属离子之间的竞争,从而导致重金属的解吸。

表3
nonheavy金属的浓度在不同的时间间隔。

4所示。计算方法

理论模拟研究的结构、电子态密度的斜方钙沸石(Ca的特征2艾尔4如果4O16h·92O)结构。图8显示了估计的理论模型使用第一原理,密度泛函理论计算(72年)作为程序中实现量子咖啡(73年]。相互作用的原子的核和价电子Vanderbil提出的利用极其柔软的伪势技术(73年]。Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [74年]交换相关泛函是用来解决Kohn-Sham方程(75年使用广义梯度近似(),76年]。它表明它能够复制基态能量特征在广泛的各种各样的晶体,类似于实验结果。电子波函数是补充道。70年国家能源在特定截止值 - - - - - -点产生的 Monkhorst-Pack网在布里渊区斜方钙沸石(Ca2艾尔4如果4O16h·92O)结构。连续两个步骤之间的能量收敛阈值维持在10 - 6 eV,和最大Hellmann-Feynman力量作用于每个原子是保持到最低限度77年)小于0.001 eV。最后,利用结构优化计算电子和态密度的属性计算研究。


图8
斜方钙沸石的晶体结构(Ca2艾尔4如果4O16h·92O)。
4.1。电子和pdo结构计算

在图9斜方钙沸石的结构优化(Ca2艾尔4如果4O169·h2o)结构进行了第一阶段的最低条件下总能量和力量作用于原子的晶格常数,以及可用的实验(78年和理论研究结果。晶格常数同意的计算值与观测值(78年不到1%)和不同的其他理论工作79年]。差异可以归因于不同的计算方法。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
带结构。(一)电子能带结构和TDOS。(b)投影态密度(pdo)块斜方钙沸石(Ca2艾尔4如果4O16h·92O)。

为了更好地理解电子特征,态密度(DOS)和预计DOS (pdo)计算,因为他们可以解释的原因隙调制和斜方钙沸石的差距(Ca2艾尔4如果4O16h·92O)结构在4.734 eV。Ca的DOS和pdo,艾尔,Si, O原子图所示9。图片清楚地表明,s, p,和d是最贡献能量在斜方钙沸石型沸石的形成;Ca和阿尔•d轨道强峰在费米能级略高于传导带最大值(CBM)范围0到8电动车,以及一些靠近价带密度的贡献最小值(VBM)在该地区4 eV 18 eV。这额外的峰的结果从2 s和2 p轨道电子的贡献在Ca和阿尔•CBM和VBM。Si和O的3 d轨道电子有点影响VBM从-11年到-20年,电动汽车。

5。结论

增加全球意识对环境问题作为驱动力的恢复增值矿物废料。本文关注的绿色合成沸石使用香粘灰浪费。合成沸石的家庭垃圾的香灰是合理的浪费,其处置造成的环境问题尤其是在水,是利用。获得的Ca-rich沸石是立方形的形状与大小200和700 nm之间透露了TEM分析。沸石微孔和水晶在自然适合作为吸附剂去除水中污染物的材料。红外光谱等分析结果,PSA, XRD,光谱仪也证实了从ISA成功合成沸石。目前的工作有效地吸引的可能性使用ISA Ca-rich沸石的合成。此外,还建立了理论计算能带结构和态密度的斜方钙沸石(Ca的特征2一个l4如果4O16h·92O)结构。进行了结构优化的第一阶段的最低条件下总能量和力量作用于原子的晶格常数。斜方钙沸石结构的能带隙4.734 eV。装配式沸石产品强烈的质量依赖于环境的治疗方法和原材料的强度(80年]。ISA-based沸石有潜力解决重和碱金属废水。因此,ISA-based合成沸石是一种高效、低成本、和绿色chemistry-based方法打开一个新的材料科学和催化领域的可能性。

数据可用性

使用的数据集和分析在当前研究中可用的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Virendra Kumar Yadav (V.K.Y.), g . Gnanamoorthy (G.G.),尼莎。乔杜里(北卡罗来纳州),达乌德。阿里。(D.A.),穆罕默德哈。Almarzoug (M.H.A.)Gokhlesh库马尔(G.K.) were responsible for conceptualization; V.K.Y., G.G., and N.C. were responsible for methodology; V.K.Y., D.A., and N.C. were responsible for software; V.K.Y., D.A., G.K., and N.C. were responsible for validation; V.K.Y., S.H.K., M.H.A., D.A., G.K., and N.C. were responsible for formal analysis; V.K.Y., G.G., and N.C. were responsible for investigation; V.K.Y., D.A., and N.C. were responsible for resources; G.K., D.A., M.H.A., G.G., and N.C. were responsible for data curation; D.A., V.K.Y., G.K., G.G., and N.C. were responsible for writing—original draft preparation; D.A. and V.K.Y. were responsible for writing—review and editing; V.K.Y., M.H.A., G.G., and N.C. were responsible for visualization; V.K.Y. and N.C. were responsible for supervision; V.K.Y., D.A., and N.C. were responsible for project administration; D.A. was responsible for funding acquisition. Reviewing, editing, and computational approach simulated by G.K.I. and S.H.K. and Mitesh B. Solanki. All authors have read and agree to the published version of the manuscript.

确认

这项工作是由研究人员数量RSP-2021/165支持项目,沙特国王大学,利雅得,沙特阿拉伯。