擬薄水鋁石膠溶過程及粘結(jié)機(jī)理研究

胡海強(qiáng)

摘 要：采用XRD、掃描電鏡、透射電鏡等手段對碳分法制備的擬薄水鋁石膠溶過程及粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：擬薄水鋁石膠溶過程為堆積的粉末顆粒與溶液中氫離子結(jié)合解離為更小顆粒的微晶擬薄水鋁石，然后在溶液中形成無法離心分離的穩(wěn)定膠溶擬薄水鋁石;擬薄水鋁石的粘結(jié)機(jī)理是膠溶擬薄水鋁石在干燥和焙燒過程中發(fā)生微晶顆粒之間的羥基縮合，使其具有一定的粘結(jié)性能。

關(guān)鍵詞：擬薄水鋁石;膠溶;粘結(jié);羥基

擬薄水鋁石是一種組成不完整、結(jié)晶度低，具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1]，既可以單獨(dú)成型作為催化劑載體，也可以作為粘結(jié)劑而廣泛應(yīng)用，如擬薄水鋁石應(yīng)用于催化裂化催化劑的載體，能夠同時(shí)起到活性基質(zhì)和粘結(jié)劑的作用[2]。由于擬薄水鋁石對催化劑有著至關(guān)重要的影響，因此很多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，李雪禮等[3]研究了不同方法制備的擬薄水鋁石膠溶性能的差異，結(jié)果表明醇鋁法較碳化法制備的擬薄水鋁石結(jié)晶度高、比表面積大、純度高，更容易膠溶，張曉琳等[4]考察了不同酸對擬薄水鋁石膠溶性能的影響，發(fā)現(xiàn)相同酸含量的情況下，硝酸作為膠溶劑效果最好，制備的催化劑抗壓強(qiáng)度最高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

樣品膠溶：稱量一定量擬薄水鋁石于燒杯中，加入適量去離子水配成10%溶液，再加入適量鹽酸，攪拌10min，4000轉(zhuǎn)/min離心30min。

分析表征：晶體結(jié)構(gòu)使用Philips公司X’Pert MPD型X衍射儀分析;樣品形貌分別使用Philips公司Quanta200型掃描電鏡和Glacios Cryo-TEM型透射電鏡分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 擬薄水鋁石膠溶過程分析

擬薄水鋁石掃描電鏡圖和膠溶擬薄水鋁石透射電鏡圖如圖1所示。由圖1可知，擬薄水鋁石樣品為粉末狀固體，由其掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn)擬薄水鋁石形貌成不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，由許多較小顆粒堆積而成，塊狀結(jié)構(gòu)尺寸從幾微米到上百微米大小不一;通過將擬薄水鋁石與水混合，然后加入一定比例鹽酸攪拌10min形成酸化擬薄水鋁石漿液，擬薄水鋁石膠溶后透射電鏡顯示器形貌呈不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，且部分分散乳狀結(jié)構(gòu)且尺寸更小。

2.2 擬薄水鋁石干燥和焙燒分析

對加酸膠溶后擬薄水鋁石溶液進(jìn)行離心分離，然后分別對清液和固體進(jìn)行105℃烘干和600℃焙燒，再進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，膠溶漿液離心分離會出現(xiàn)上層清液和下層固體，下層固體烘干得到白色粉末，該白色粉末的XRD分析仍為擬薄水鋁石相[1，5]，然后對白色粉末高溫焙燒得到的仍為松散的粉末狀顆粒，其XRD譜圖為γ-Al2O3，表明此時(shí)已轉(zhuǎn)晶為γ-Al2O3，這說明下層固體顆粒不具有成型性能，因此在催化裂化劑的生產(chǎn)中不具有粘結(jié)功能;上層清液烘干溶液中析出透明固體，該固體具有一定的形狀，XRD譜圖仍為擬薄水鋁石相，說明此時(shí)樣品并未發(fā)生相變，然后再對透明固體高溫焙燒得到更加堅(jiān)硬的透明固體，XRD譜圖已經(jīng)是γ-Al2O3相，這說明無法從溶液中離心分離的樣品干燥焙燒后具有成型性能，即該部分具有較強(qiáng)的粘結(jié)功能，可以在催化裂化劑生產(chǎn)中起到粘結(jié)作用。

2.3 擬薄水鋁石粘結(jié)機(jī)理分析

Varma等研究發(fā)現(xiàn)擬薄水鋁石加熱的過程中會發(fā)生三種形式的羥基縮合，無論是透明塊狀的擬薄水鋁石還是粉末狀擬薄水鋁石，在加熱過程中均會發(fā)生羥基脫水形成新的化學(xué)鍵，最終形成γ-Al2O3，而膠溶擬薄水鋁石能夠形成透明塊狀物體、具有粘結(jié)能力的原因有可能如圖3所示，由于擬薄水鋁石表面含有大量羥基，鹽酸加入后，H+與其表面羥基結(jié)合形成帶正電的粒子，正電粒子對Cl-有吸引力，同時(shí)正電粒子之間又會有相互排斥力，因此在溶液中會形成穩(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)的膠體，然后在干燥和焙燒的過程中HCl和H2O的脫除，粒子間會發(fā)生羥基縮合形成Al-O-Al化學(xué)鍵，具有一定粘結(jié)性能，因此可以得到具有一定強(qiáng)度的透明固體顆粒;而未發(fā)生膠溶的擬薄水鋁石，可能是由于顆粒之間的間距比較遠(yuǎn)，無法發(fā)生顆粒間的羥基縮合，無法將擬薄水鋁石微晶小顆粒粘結(jié)在一起，因此得到的為松散的固體粉末，不具粘結(jié)性能。

3 結(jié)論

擬薄水鋁石粉末顆粒由納米擬薄水鋁石微晶堆積而成，其膠溶過程為粉末顆粒與溶液中氫離子結(jié)合解離為更小顆粒的微晶擬薄水鋁石，然后在溶液中形成無法離心分離的穩(wěn)定膠溶擬薄水鋁石;擬薄水鋁石與鹽酸反應(yīng)會形成未膠溶擬薄水鋁石和膠溶擬薄水鋁石，并且高溫焙燒均會發(fā)生微晶內(nèi)部的羥基縮合轉(zhuǎn)晶為γ-Al2O3，而膠溶擬薄水鋁石在干燥和焙燒過程中會發(fā)生微晶顆粒之間的羥基縮合，該部分羥基縮合是擬薄水鋁石具有粘結(jié)性能關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗壯，史建公，郝建薇，等.擬薄水鋁石的膠溶性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].石油學(xué)報(bào)，2016，32（3）：493-500.

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[3]李雪禮，賈石河，曹庚振，等.擬薄水鋁石和擬薄水鋁石性質(zhì)的差異化研究[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2018，4（36）：242-245.

[4]張曉琳.分子篩催化劑成型條件對其抗壓強(qiáng)度影響的研究[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2012，13（7）：42-44.

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