利用石棉尾矿制备多孔氧化硅及其性能研究

郭鹏程　刘瑩　屈国雄　王宇航　王宇航　徐文博　罗清威

摘 要：多孔氧化硅是一维纳米材料，在国民经济及高科技领域具有重要用途。石棉尾礦是石棉开采过程中产生的矿渣，石棉尾矿的大量堆积占据土地，使周围的生态环境恶化。实验以石棉尾矿为原料，采用混合焙烧法制备多孔氧化硅材料，并对其吸附性能进行系统的研究。结果表明：混合焙烧法制备多孔氧化硅结晶状况较好，在C罗丹明B=25mg/L、pH=8条件下吸附50min时多孔氧化硅对罗丹明B的吸附率最大。

关键词：多孔氧化硅；石棉尾矿；混合焙烧法；吸附性能

中图分类号：TQ127 文献标志码：A 文章编号：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

石棉尾矿是石棉矿开采和选矿加工过程中排出来的尾渣，主要由蛇纹石、磁石与磁铁矿等共生或伴生矿物构成。我国石棉矿产资源丰富，但石棉含量不高，每生产1吨石棉产品，将产生上百吨尾矿，且主要以堆积的方式存在，不仅占用大量土地，还对环境造成严重污染[1]。

多孔氧化硅是一种纳米材料，因其具有较大的比表面积、机械强度高、孔隙率大及多孔和介孔状结构[2]，可作为补强材料、吸附性材料[3-5]、催化剂载体及绝缘和绝热材料等[6-9]，在国民经济及高科技领域应用十分广泛。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积与活性炭接近，多孔二氧化硅材料具有表面张力低、黏温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，同时还具有耐高温和低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等特性[10]。目前，制备多孔氧化硅材料的方法主要包括模板法和气-液-固法两大类[9]。模板法中采用的模板包括有机模板、无机模板和生物模板[11]等几大类。气-液-固法主要是通过不同的蒸发源或原料制备氧化硅[11-12]。然而这些方法存在工艺过程复杂，技术要求高、成本较高以及产品产出率低等缺点。很多学者只是对制备原料或化学助剂进行改进，缺乏制备方法的创新。

实验以石棉尾矿为原料，采用混合焙烧法制备多孔氧化硅材料，对石棉尾矿中有价元素Si进行回收利用，以缓解石棉生产过程中造成的环境污染。混合焙烧法具有成本低、效率高、不受太多环境条件限制等特点，是实现其工业化生产的有效开发模式。利用3080E3型X射线荧光光谱仪、RISE-2008型激光粒度分析仪，DX-2500型X射线衍射仪、SM-6390LV型扫描电镜和UV4501型紫外可见分光光度计等设备分析多孔氧化硅的性能。

1 实验

1.1 石棉尾矿的元素分析

本实验采用的石棉尾矿来自于陕南某石棉矿，尾矿样品呈颗粒状，颗粒大小在数微米至数厘米不等，通过过筛、球磨、干燥等前期处理后对石棉尾矿粉进行元素分析，分析结果如表1所示。从表1可知，石棉尾矿中的主要有价元素为Si，Mg，Ni和Fe，其中Si的含量最高。故利用石棉尾矿作为制备多孔氧化硅的原料是可以满足要求的。

表1 石棉尾矿有价元素

1.2 多孔氧化硅的制备

采用NH4HSO4为活化剂，按矿粉与活化剂（NH4HSO4）质量比1：2.85进行称量混合，混合均匀后放入刚玉坩埚，500℃经箱式电阻炉焙烧1.5h进行活化反应，反应结束后随炉冷却。冷却后的焙烧产物加入适量去离子水，并用氢氧化钠调节溶液pH值达到8.3。将配置好的溶液经抽滤瓶过滤。将抽滤后的固体经烘箱干燥，制得多孔氧化硅。

2 结果与讨论

2.1 多孔氧化硅性能表征

图1是经过焙烧活化、过滤分离后的多孔氧化硅样品物相分析结果，图中仅出现了SiO2衍射峰，无其他杂相和中间产物的衍射峰出现。说明混合焙烧法制备的多孔SiO2材料纯度较高，结晶性较好。

图2是混合焙烧法制备的多孔氧化硅样品的表面形貌。由图可知，采用以石棉尾矿为原料所制备的多孔氧化硅颗粒大小很均匀，存在较多孔洞，初步认为实验所制得的多孔氧化硅材料具有较好的吸附性能。

2.2 多孔氧化硅吸附性能分析

罗丹明B是造纸印刷，纺织印染，皮革和油漆等行业排放的具有致癌性的有毒污染染料之一[13]。去除罗丹明B等染料的常用方法有化学氧化法、微生物降解法、离子交换法和吸附法等，其中吸附法是处理有机废水最有效的方法之一[14]。实验首先配制了不同浓度的罗丹明B模拟废水，在不同的pH环境下，以混合焙烧法制得的多孔氧化硅对其进行吸附，采用紫外可见分光光度计分析其吸附性能。

2.2.1 模拟废水浓度对多孔氧化硅吸附性能的影响

工业生产中不同行业排放的废水中有机污染物浓度必然不相同，实验研究了不同浓度下多孔氧化硅对模拟废水中罗丹明B的吸附性能的影响，结果如图3所示。

由图3可知，在C罗丹明B≤25mg/L时，随浓度的增加，吸附率逐渐增高，25mg/L时达到最高吸附率47%，在浓度为25-50mg/L时，随浓度增加，吸附率保持不变。这说明，在罗丹明B的浓度达到25mg/L时，多孔氧化硅对其吸附效果达到最佳。在浓度大于25mg/L之后，多孔氧化硅对罗丹明B的吸附效率影响不大。

2.2.2 pH值对多孔氧化硅吸附性能的影响

在工业生产中各企业排放的有机废水pH值存在较大的差异，故实验分析了C罗丹明B= 25mg/L时不同pH环境下多孔氧化硅对模拟有机废水中罗丹明B的吸附性能，结果如图4所示。

由图4可知，在C罗丹明B=25mg/L、pH≤8时，随pH的增加，吸附率逐渐增高，pH=8时达到最高吸附率61%，在pH为8-10时，随pH的增加吸附率逐渐减小。与不同浓度下其吸附性能相比，多孔氧化硅对罗丹明B的吸附性能由47%提高到61%，这说明在偏碱性的环境下，多孔氧化硅对有机废水中罗丹明B的吸附效果较好，碱性环境有利于提高其吸附性能。

2.2.3 吸附时间对多孔二氧化硅吸附性能的影响

图5是C罗丹明B=25mg/L、pH=8时不同吸附时间下多孔氧化硅吸附性能的测试结果。由图5可知，在t≤50min时，随着时间的延长，多孔氧化硅对罗丹明B的吸附率逐渐增大，吸附时间为50min时达到最大，吸附效率60%；随着吸附时间的继续延长，吸附效率基本保持不变。这说明当吸附时间为50min时多孔氧化硅对罗丹明B的吸附效率最高，吸附效果最佳，吸附时间超过50min之后多孔氧化硅对罗丹明B的吸附效率基本不变，最佳吸附时间为50min。

3 实验结论

本文以石棉尾矿为原料采用混合焙烧法制备了多孔氧化硅，并以罗丹明B配制了模拟有机废水，系统研究了其制备工艺及吸附性能，主要得到以下结论：

（1）采用石棉尾矿制备的多孔氧化硅结晶状况较好，

存在较多的孔洞，可以很好的解决石棉尾矿堆积，实现矿渣资源化利用。

（2）在C罗丹明B=25mg/L、pH=8，吸附时间为50min时，多孔氧化硅对模拟废水中罗丹明B的吸附速率效果最佳。

（3）利用石棉尾矿制备多孔氧化硅可为吸附含有罗丹明B的有机废水，为解决有机废水污染问题及开发新的生态环境材料提供理论和技术支持。

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