Etude sur le mécanisme de synthèse de la sodalite, de la gismondine et de la zéolithe

Jun 17, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3232 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, des géopolymères ont été préparés à l’aide de scories de four de poche (LFS) et de cendres volantes (FA), et un traitement hydrothermique a ensuite été utilisé pour synthétiser des tamis moléculaires zéolitiques en vrac avec des phases de gismondine, de zéolite-P1 et de sodalite. L'effet des conditions de synthèse sur les phases cristallines des tamis moléculaires zéolitiques a été étudié par XRD. Les résultats ont montré que les meilleurs tamis moléculaires zéolitiques ont été préparés avec un rapport LFS : FA de 4 : 6, une température de durcissement de 40 °C, un temps de durcissement de 12 h, un module de silicate de sodium (Ms) de 1,4, une concentration de NaOH. de 4 mol/L, une température hydrothermale de 120 °C et une durée hydrothermale de 12 h. Sur cette base, les produits ont été analysés par SEM, adsorption N2 et FT-IR. Les résultats ont montré que les tamis moléculaires zéolitiques synthétisés avaient des propriétés mésoporeuses et que le degré de polymérisation et de réticulation du gel de silice-aluminate était amélioré après traitement hydrothermique. De plus, le mécanisme de formation des tamis moléculaires zéolitiques a été exploré à travers les modifications de la silice-alumine au cours de la formation de la zéolite. Cet article est le premier à utiliser la conversion hydrothermale de tamis moléculaires zéolitiques à partir de polymères à base de LFS-FA pour fournir des indications sur l'utilisation des ressources du LFS et du FA.

Les scories de four de poche (LFS) et les cendres volantes (FA) sont deux des principaux déchets solides émis par l'industrie sidérurgique et l'industrie de production d'électricité au charbon1,2,3. Environ 20 à 25 milliards de tonnes de déchets solides (tels que des stériles, des boues et des scories) et environ 5 à 7 milliards de tonnes de résidus sont produits chaque année dans le monde1,4. Pendant ce temps, les plus grands fabricants en Chine, en Inde et aux États-Unis produisent au moins 800 millions de tonnes d’AF chaque année, mais seulement 20 % de cet AF est utilisé comme additifs pour les applications liées au ciment et au béton5. Si les LFS et FA ne sont pas correctement traités, les déchets s’accumuleront, entraînant des impacts potentiellement graves et des dommages incommensurables à l’environnement6. Par conséquent, une méthode efficace pour utiliser les LFS en masse est nécessaire de toute urgence. La préparation de géopolymères à partir de déchets solides constitue une stratégie économique, sûre et respectueuse de l'environnement qui pourrait être utile à cette fin. De plus, la réutilisation et la valorisation des déchets solides sont également conformes aux objectifs de développement durable (ODD) des Nations Unies et à la mise en œuvre de l'Accord de Paris. Étant donné que les zéolites sont largement utilisées dans l’adsorption, l’échange d’ions, la catalyse, le tamis moléculaire et d’autres applications7,8,9,10, on estime que le marché mondial des zéolites synthétiques atteindra en 2023 environ 5,9 milliards de dollars11. Les géopolymères composés de tétraèdres [SiO4]4− et [AlO4]5− sont généralement considérés comme les prépolymères amorphes des zéolithes cristallines12,13. Les zéolites peuvent être préparées par des procédés hydrothermiques, et ces zéolites préparées de manière hydrothermale ont présenté de meilleures structures cristallines et de meilleures performances pour fixer les ions de métaux lourds. Dans le même temps, les zéolites présentant des structures macroscopiques spécifiques ont également de larges perspectives d’application dans le recyclage des déchets solides. Cheng et al.14 ont extrait le SiO2 des scories nickel-fer et préparé la zéolite 4A par méthode hydrothermale, rapportant que les conditions hydrothermales optimales étaient une température hydrothermale de 100 °C et une durée hydrothermale de 8 h. Liu et al.15 ont utilisé du FA à lit fluidisé circulant ultrafin comme matière première pour préparer une zéolite de type A par une méthode de synthèse hydrothermale activée par un alcali, et leurs conditions de synthèse optimales étaient une concentration d'alcali de 2,6 mol/L, une température hydrothermale de 90 ° C, et un temps hydrothermal de 6 h.

Cependant, en raison de la teneur élevée en calcium du LFS, il existe peu de rapports sur la synthèse de zéolites utilisant le LFS comme source de silicium et d'aluminium. On pense généralement que lorsque des matériaux à haute teneur en calcium sont convertis en zéolites, des espèces de silicate de calcium ou d'hydroxysodalite avec une faible porosité et une faible capacité d'échange cationique se forment, ce qui inhibe la formation de la zéolite12,16. Pour convertir des matières premières à haute teneur en calcium en zéolites, des méthodes de prétraitement ou de synthèse spécifiques sont généralement nécessaires. Par exemple, Murakami et al.17 ont utilisé des solutions d'acide citrique et d'acide formique pour éluer sélectivement le calcium des scories de haut fourneau à trois reprises dans un réacteur de broyage à boulets, puis ont synthétisé la zéolite A à partir du résidu. Park et al.18 ont préparé des matériaux zéolitiques contenant de la sodalite en traitant FA, NaOH et NaNO3 à 350 °C pendant 24 h, en lavant les solides obtenus avec un excès d'eau désionisée au moins sept fois et en séchant le produit pendant une nuit à 105 °C. Lei et al.19 ont utilisé la technologie de durcissement en suspension dispersée pour fabriquer des microsphères de zéolite à base de métakaolin/scorie. Ces sphères ont ensuite été durcies dans une étuve à 85 °C pendant 24 h, filtrées, nettoyées, séchées à 120 °C pendant 8 h et enfin calcinées à 500 °C pendant 3 h pour obtenir des microsphères de zéolite.