MODELS AND METHODS IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
152
РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ ЦЕОЛИТА Y, ПОЛУЧЕННОГО ИЗ
КАОЛИНОВОЙ ГЛИНЫ
Пардаев Отабек Тохтамишович
Кенжаев Нуриддин Нурмат угли
Абдурахмонов Элдор Баратович
Кандидат химических наук, докторант Института общей и
неорганической химии Академии наук Республики Узбекистан.
Базовый докторант, Наманганский государственный технический
университетд.х.н.,
проф. Термезский государственный
педагогический институт
https://doi.org/10.5281/zenodo.15797055
Цеолиты представляют собой кристаллические пористые вещества,
характеризующиеся
каркасом,
состоящим
из
взаимосвязанных
тетраэдрических единиц кремнезема и оксида алюминия, которые вместе
образуют сложную систему каналов [1]. Эта уникальная структура
обеспечивает ряд полезных свойств, включая высокую катионообменную
емкость, равномерный размер пор, значительную каталитическую
эффективность, большую удельную площадь поверхности и превосходную
термическую стабильность. Благодаря этим свойствам цеолиты широко
используются в различных областях ионного обмена, процессов
разделения, нефтехимической переработки и тонкой химической
промышленности. В связи с этим в последние годы в научных и
промышленных кругах возрос интерес к изучению и использованию
цеолитов [2]. Цеолиты обычно синтезируют с использованием в качестве
прекурсоров солей алюминатов и силикатов. В зависимости от конкретной
используемой методики синтеза можно получить различные типы
цеолитов, такие как X, Y, A и ZSM-5 [6, 7]. Среди них цеолиты Y и ZSM-5
особенно востребованы из-за их двойной функциональности как
адсорбентов и катализаторов [8]. Однако синтез цеолитов Y-типа из
химических солей с использованием в качестве источников кремния и
оксида алюминия требует высоких производственных затрат, что
увеличивает общую стоимость конечного цеолитового продукта. Чтобы
удовлетворить постоянно растущий мировой спрос на цеолиты, который,
по оценкам, будет расти примерно на 15–20% в год, все чаще изучаются
альтернативные природные источники, богатые кремнием и глиноземом,
для использования в синтезе [9, 10]. К таким источникам относятся
вулканический пепел, промышленные отходы, богатые кремнием, зола
рисовой шелухи и различные глины. Среди этих вариантов часто
MODELS AND METHODS IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
153
используется глина из-за ее распространенности и наличия в ее
кристаллической структуре кремнезема и глинозема, которые можно
эффективно выделить и использовать в производстве цеолита [3-10].
Образец глины был взят с глубины 2 метра от поверхности. Образец
тщательно промывают дистиллированной водой для удаления примесей,
включая органические вещества и другие нежелательные частицы.
Глинистые частицы размером менее 2 мкм были отделены с
использованием метода седиментации Стокса, а затем высушены под
естественным солнечным светом. Затем высушенный материал
измельчали, просеивали и хранили в печи при температуре 110°C для
подготовки
к
дальнейшим
анализам
и
экспериментальному
использованию.
Перед
применением
не
проводилось
никаких
дополнительных химических или физических модификаций.
Синтез цеолита осуществлялся в три основных этапа:
Термическая активация глины для преобразования ее в метаглину;
Деалюминирование метаглины с использованием серной кислоты с
образованием материала, обозначенного как МЕТДЕА;
Гидротермальный синтез, при котором метаглина и МЕТДЕА
реагировали в водно-щелочной среде при различном времени
кристаллизации.
Термическая активация глины.
Метакаолин производится посредством одностадийного процесса
термической
активации.
Согласно
предыдущим
исследованиям,
образование метакаолина обычно происходит в диапазоне температур от
500 °C до 900 °C; При температурах выше этого диапазона каолин
превращается в муллит, который непригоден для синтеза цеолита. В этом
исследовании образец глины массой 300 г был помещен в печь, где
температура постепенно повышалась до 750°C со скоростью 10°C в минуту.
Образец выдерживали при этой температуре в течение трех часов, чтобы
обеспечить полную конверсию в метакаолин. Полученный материал затем
был охарактеризован и использован в качестве прекурсора для
последующего синтеза цеолита.
Деалюминирование каолина.
Деалюминирование
проводили
путем
смешивания
150
г
метакаолина с 250 мл 10 М серной кислоты. Суспензию подвергали
постоянному перемешиванию с обратным холодильником при
температуре 90°С в течение 10 часов. По завершении смесь оставляли
MODELS AND METHODS IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
154
остывать до комнатной температуры и отделяли твердую фазу от
жидкости путем седиментации. Твердый остаток промывали несколько
раз дистиллированной водой для удаления оставшихся сульфат-ионов;
Процесс промывки считается завершенным, если после добавления 0,1 М
раствора BaCl₂ в надосадочной жидкости не образуется белый осадок, что
свидетельствует об отсутствии сульфата. Затем очищенный продукт
высушивали и хранили в пластиковых контейнерах для дальнейшего
анализа и применения. Материал был охарактеризован с использованием
методов
рентгеновской
дифракции
(РФА)
и
рентгеновской
флуоресценции (РФА).
Гидротермальная реакция метакаолина и МЕТДЕА для синтеза
цеолита Y-типа.
При синтезе цеолита Y-типа в качестве источника
алюминия использовался метакаолин, а в качестве источника кремния –
деалюминат метакаолина (METDEA). Как уже упоминалось выше, процесс
состоит из трех основных этапов: приготовление геля для прорастания,
приготовление геля для роста и окончательный синтез путем
объединения этих гелей.
Цеолит
Y.
Рентгеновская
дифракционная
картина
(XRD)
синтезированного цеолита представлена на рисунке 1. Согласно базе
данных Международной ассоциации цеолитов (IZA, 2017), цеолит
определяется характерными кристаллическими фазами, которые
появляются при значениях Y 2θ 6,18°, 10,08°, 15,18° и 15,15. Материал,
синтезированный в этом исследовании, показал пики при 6,26°, 10,17°,
11,93°, 15,63°, 18,68°, 23,59° и 31,19° в значениях 2θ, что указывает на
сильное соответствие наблюдаемого дифракционного минимума
стандартной дифракционной картине Y или пансимона. Наличие
остаточных примесей, таких как Fe²⁺, Ti²⁺ и Ca²⁺, происходящих из
ацилбензольной
глины.
Аналогичные
наблюдения
были
зарегистрированы для цеолита Y, синтезированного из метакаолина и его
остатков в Бразилии, а также из каолинитовой глины Ангрена.
MODELS AND METHODS IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
155
Рисунок 1: Рентгеновская дифракция (РФА) цеолита Y, полученного
из каолиновой глины.
Химический состав синтезированного цеолита Y-типа был оценен с
целью определения элементарных компонентов, входящих в его
кристаллическую структуру. Цеолиты Y-типа в основном состоят из
кремния и алюминия, с характерным соотношением Si/Al, обычно
составляющим от 2 до 5. Аналитические результаты представлены в
таблице 1. Синтезированный цеолит содержал большое количество
кремнезема (54,67%) и оксида алюминия (22,12%), что подтверждает, что
они являются основными базовыми компонентами. Также были
обнаружены небольшие количества титана и железа, в то время как такие
элементы, как калий, цирконий, натрий, марганец и кальций,
присутствовали лишь в следовых количествах. Соотношение Si/Al,
оцениваемое примерно в 2,47, соответствует значениям, полученным для
стандартных цеолитов Y-типа.
1-таблице: Химический состав из цеолит Y
№
Химический
элемент
Химический
состав
(%)
1
Si
54.67
2
Al
22.12
3
Ti
15.76
4
Fe
4.32
5
K
0.87
6
Zr
0.77
7
Na
0.88
8
Ca
0.49
9
Y
0.02
10
Nb
0.06
MODELS AND METHODS IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
156
11
los
0.04
12 Si/Al
2.47
Спектр FTIR-ATR синтезированного цеолита представлен на рисунке 1.
Были идентифицированы выраженные полосы поглощения при 464,80,
707,81, 798, 970,1, 1652,83, 2370,70 и 3432 см⁻¹. Эти линии связаны с
колебаниями Si–O–Al (464,80 и 707,81 см⁻¹), растяжением Si–O (970,1 см⁻¹),
а также группами Si–OH и Al–OH (2370,70 и 3432 см⁻¹ соответственно). Как
сообщалось в предыдущих исследованиях, особенности поглощения в
диапазоне 400–1600 см⁻¹ указывают на структуру цеолита Y-типа.
Наличие силанольных и алюминольных групп свидетельствует о
поверхностной адсорбции молекул воды на цеолите.
Литературы:
[1] X. Querol, F. Plana, A. Alastuey, A. López-Soler, Synthesis of Na-zeolites
from fly ash, Fuel, 76 (1997) 793-799.
[2] A. Chaisena, K. Rangsriwatananon, Synthesis of sodium zeolites from
natural and modified diatomite, Materials letters, 59 (2005) 1474-1479.
[3] D. Georgiev, B. Bogdanov, K. Angelova, I. Markovska, Y. Hristov, Synthetic
zeolites–Structure, classification, current trends in zeolite synthesis, in:
Economics and Society Development on the Base of Knowledge: International
Scientific Conference, 2009.
[4] T.T. Wałek, F. Saito, Q. Zhang, The effect of low solid/liquid ratio on
hydrothermal synthesis of zeolites from fly ash, Fuel, 87 (2008) 3194-3199.
[5] H. Mimura, K. Yokota, K. Akiba, Y. Onodera, Alkali hydrothermal synthesis
of zeolites from coal fly ash and their uptake properties of cesium ion, Journal of
nuclear Science and Technology, 38 (2001) 766-772.
[6] J. Cejka, A. Corma, S. Zones, Zeolites and catalysis: synthesis, reactions and
applications, John Wiley & Sons, 2010.
[7] B.A. Holmberg, H. Wang, Y. Yan, High silica zeolite Y nanocrystals by
dealumination and direct synthesis, Microporous and Mesoporous Materials, 74
(2004) 189-198.
[8] A. Arafat, J. Jansen, A. Ebaid, H. Van Bekkum, Microwave preparation of
zeolite Y and ZSM-5, Zeolites, 13 (1993) 162-165.
[9] Y. Wang, F. Lin, W. Pang, Ion exchange of ammonium in natural and
synthesized zeolites, Journal of Hazardous Materials, 160 (2008) 371-375.
[10] J. Zhu, Y. Cui, Y. Wang, F. Wei, Direct synthesis of hierarchical zeolite from a
natural layered material, Chemical Communications, (2009) 3282-3284.
