利用石棉尾礦制備多孔氧化硅及其性能研究

郭鵬程　劉瑩　屈國雄　王宇航　王宇航　徐文博　羅清威

摘 要：多孔氧化硅是一維納米材料，在國民經濟及高科技領域具有重要用途。石棉尾礦是石棉開采過程中產生的礦渣，石棉尾礦的大量堆積占據土地，使周圍的生態環境惡化。實驗以石棉尾礦為原料，采用混合焙燒法制備多孔氧化硅材料，并對其吸附性能進行系統的研究。結果表明：混合焙燒法制備多孔氧化硅結晶狀況較好，在C羅丹明B=25mg/L、pH=8條件下吸附50min時多孔氧化硅對羅丹明B的吸附率最大。

關鍵詞：多孔氧化硅；石棉尾礦；混合焙燒法；吸附性能

中圖分類號：TQ127 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0045-03

Abstract： Porous silicon oxide is a one-dimensional nano-material， which has important applications in the field of national economy and high technology. Asbestos tailings is the slag produced in the process of asbestos mining. The accumulation of asbestos tailings occupies the land and deteriorates the surrounding ecological environment. Porous silica was prepared by mixed roasting with asbestos tailings as raw material， and its adsorption properties were studied systematically. The results show that the crystal state of porous silica prepared by mixed calcination method is better， and the adsorption rate of Rhodamine B is the highest when 50min is adsorbed by porous silica under the conditions of C rhodamine B=25mg/L and pH=8.

Keywords： porous silica； asbestos tailings； mixed roasting method； adsorption property

石棉尾礦是石棉礦開采和選礦加工過程中排出來的尾渣，主要由蛇紋石、磁石與磁鐵礦等共生或伴生礦物構成。我國石棉礦產資源豐富，但石棉含量不高，每生產1噸石棉產品，將產生上百噸尾礦，且主要以堆積的方式存在，不僅占用大量土地，還對環境造成嚴重污染[1]。

多孔氧化硅是一種納米材料，因其具有較大的比表面積、機械強度高、孔隙率大及多孔和介孔狀結構[2]，可作為補強材料、吸附性材料[3-5]、催化劑載體及絕緣和絕熱材料等[6-9]，在國民經濟及高科技領域應用十分廣泛。目前，有高吸附性能的材料除炭系多孔材料外，只有多孔二氧化硅材料的比表面積與活性炭接近，多孔二氧化硅材料具有表面張力低、黏溫系數小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質，同時還具有耐高溫和低溫、電氣絕緣、耐氧化穩定性、耐候性、難燃、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等特性[10]。目前，制備多孔氧化硅材料的方法主要包括模板法和氣-液-固法兩大類[9]。模板法中采用的模板包括有機模板、無機模板和生物模板[11]等幾大類。氣-液-固法主要是通過不同的蒸發源或原料制備氧化硅[11-12]。然而這些方法存在工藝過程復雜，技術要求高、成本較高以及產品產出率低等缺點。很多學者只是對制備原料或化學助劑進行改進，缺乏制備方法的創新。

實驗以石棉尾礦為原料，采用混合焙燒法制備多孔氧化硅材料，對石棉尾礦中有價元素Si進行回收利用，以緩解石棉生產過程中造成的環境污染。混合焙燒法具有成本低、效率高、不受太多環境條件限制等特點，是實現其工業化生產的有效開發模式。利用3080E3型X射線熒光光譜儀、RISE-2008型激光粒度分析儀，DX-2500型X射線衍射儀、SM-6390LV型掃描電鏡和UV4501型紫外可見分光光度計等設備分析多孔氧化硅的性能。

1 實驗

1.1 石棉尾礦的元素分析

本實驗采用的石棉尾礦來自于陜南某石棉礦，尾礦樣品呈顆粒狀，顆粒大小在數微米至數厘米不等，通過過篩、球磨、干燥等前期處理后對石棉尾礦粉進行元素分析，分析結果如表1所示。從表1可知，石棉尾礦中的主要有價元素為Si，Mg，Ni和Fe，其中Si的含量最高。故利用石棉尾礦作為制備多孔氧化硅的原料是可以滿足要求的。

表1 石棉尾礦有價元素

1.2 多孔氧化硅的制備

采用NH4HSO4為活化劑，按礦粉與活化劑（NH4HSO4）質量比1：2.85進行稱量混合，混合均勻后放入剛玉坩堝，500℃經箱式電阻爐焙燒1.5h進行活化反應，反應結束后隨爐冷卻。冷卻后的焙燒產物加入適量去離子水，并用氫氧化鈉調節溶液pH值達到8.3。將配置好的溶液經抽濾瓶過濾。將抽濾后的固體經烘箱干燥，制得多孔氧化硅。

2 結果與討論

2.1 多孔氧化硅性能表征

圖1是經過焙燒活化、過濾分離后的多孔氧化硅樣品物相分析結果，圖中僅出現了SiO2衍射峰，無其他雜相和中間產物的衍射峰出現。說明混合焙燒法制備的多孔SiO2材料純度較高，結晶性較好。

圖2是混合焙燒法制備的多孔氧化硅樣品的表面形貌。由圖可知，采用以石棉尾礦為原料所制備的多孔氧化硅顆粒大小很均勻，存在較多孔洞，初步認為實驗所制得的多孔氧化硅材料具有較好的吸附性能。

2.2 多孔氧化硅吸附性能分析

羅丹明B是造紙印刷，紡織印染，皮革和油漆等行業排放的具有致癌性的有毒污染染料之一[13]。去除羅丹明B等染料的常用方法有化學氧化法、微生物降解法、離子交換法和吸附法等，其中吸附法是處理有機廢水最有效的方法之一[14]。實驗首先配制了不同濃度的羅丹明B模擬廢水，在不同的pH環境下，以混合焙燒法制得的多孔氧化硅對其進行吸附，采用紫外可見分光光度計分析其吸附性能。

2.2.1 模擬廢水濃度對多孔氧化硅吸附性能的影響

工業生產中不同行業排放的廢水中有機污染物濃度必然不相同，實驗研究了不同濃度下多孔氧化硅對模擬廢水中羅丹明B的吸附性能的影響，結果如圖3所示。

由圖3可知，在C羅丹明B≤25mg/L時，隨濃度的增加，吸附率逐漸增高，25mg/L時達到最高吸附率47%，在濃度為25-50mg/L時，隨濃度增加，吸附率保持不變。這說明，在羅丹明B的濃度達到25mg/L時，多孔氧化硅對其吸附效果達到最佳。在濃度大于25mg/L之后，多孔氧化硅對羅丹明B的吸附效率影響不大。

2.2.2 pH值對多孔氧化硅吸附性能的影響

在工業生產中各企業排放的有機廢水pH值存在較大的差異，故實驗分析了C羅丹明B= 25mg/L時不同pH環境下多孔氧化硅對模擬有機廢水中羅丹明B的吸附性能，結果如圖4所示。

由圖4可知，在C羅丹明B=25mg/L、pH≤8時，隨pH的增加，吸附率逐漸增高，pH=8時達到最高吸附率61%，在pH為8-10時，隨pH的增加吸附率逐漸減小。與不同濃度下其吸附性能相比，多孔氧化硅對羅丹明B的吸附性能由47%提高到61%，這說明在偏堿性的環境下，多孔氧化硅對有機廢水中羅丹明B的吸附效果較好，堿性環境有利于提高其吸附性能。

2.2.3 吸附時間對多孔二氧化硅吸附性能的影響

圖5是C羅丹明B=25mg/L、pH=8時不同吸附時間下多孔氧化硅吸附性能的測試結果。由圖5可知，在t≤50min時，隨著時間的延長，多孔氧化硅對羅丹明B的吸附率逐漸增大，吸附時間為50min時達到最大，吸附效率60%；隨著吸附時間的繼續延長，吸附效率基本保持不變。這說明當吸附時間為50min時多孔氧化硅對羅丹明B的吸附效率最高，吸附效果最佳，吸附時間超過50min之后多孔氧化硅對羅丹明B的吸附效率基本不變，最佳吸附時間為50min。

3 實驗結論

本文以石棉尾礦為原料采用混合焙燒法制備了多孔氧化硅，并以羅丹明B配制了模擬有機廢水，系統研究了其制備工藝及吸附性能，主要得到以下結論：

（1）采用石棉尾礦制備的多孔氧化硅結晶狀況較好，

存在較多的孔洞，可以很好的解決石棉尾礦堆積，實現礦渣資源化利用。

（2）在C羅丹明B=25mg/L、pH=8，吸附時間為50min時，多孔氧化硅對模擬廢水中羅丹明B的吸附速率效果最佳。

（3）利用石棉尾礦制備多孔氧化硅可為吸附含有羅丹明B的有機廢水，為解決有機廢水污染問題及開發新的生態環境材料提供理論和技術支持。

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